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最纯净的水是蓝色的 精选

已有 19218 次阅读 2011-8-18 00:15 |个人分类:我的物理|系统分类:科普集锦|关键词:大亚湾,反应堆,中微子,切伦科夫光,瑞利散射,液体闪烁体,光谱| 大亚湾, 中微子, 反应堆, 瑞利散射, 切伦科夫光

经过四年的准备和四年的建造,大亚湾反应堆中微子实验终于开始取数了。
 
为了屏蔽来自岩石的天然放射性和去除宇宙线带来的本底,中微子探测器浸泡在一个巨大的水池中。当宇宙线穿过水的时候,会发出切伦科夫光。通过探测切伦科夫光,就可以探测到宇宙线的经过,将它引起的假中微子信号去掉。为了提高宇宙线的探测效率,我们采用了超纯水。尽管对水的性能已经研究了很长时间,当2000吨的纯水慢慢灌注到水池中的时候,我们仍然感到震惊:怎么是深蓝色的?

图1:灌满水的水池

最纯净的水是什么?18兆欧的去离子水。如果把水中的杂质全部去掉,水的电阻率会提高,最高可以达到18.2兆欧姆x厘米。溶入杂质后,例如泡在水中的塑料、钢等材料,都会缓慢地溶进水中,电阻率会下降,透明度也会降低。即使没有泡任何材料,接触空气后,空气溶入水中,电阻率会很快下降到1-2兆欧,再过几天,细菌就开始生长。分析光的紫外可见光谱(UV-vis),可以看到由细菌带来的光吸收峰。从自来水出发,经过几步过滤、反渗透、树脂混床,不难得到非常接近18.2兆欧的超纯水。但是为了保持纯度,需要不停地循环,去掉溶入水中的材料微粒,气体,杀菌等。为了尽量使微弱的切伦科夫光被探测到,水必须保持极高的透明度。衡量透明度一般用衰减长度,衰减长度越长,光透过得越多。最纯的水衰减长度在425nm处可以达到100多米,即穿过100多米后,425nm的光还剩exp(-1),约三分之一的光强。普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。

 

在前期试验中,我们用过很多纯净水,但是没有注意到它会呈现出蓝色。也许是规模不够大,也许是观察的背景和环境不同。在地下的实验大厅,装纯净水的池子用一种很干净的涂料喷涂了几遍。它对水的污染小于不锈钢或PP、CPVC等塑料。然后贴上了Tyvek反射膜,也就是上图中的白色部分,提高光的反射和收集效率。这种漫反射膜对整个可见光波段的反射率可以达到98%,因此显得非常耀眼。

 

我们看到的水的颜色,当然不是它自己发出来的。在大厅中,照明灯是气体放电灯,它的发光接近于白色。光穿过10米深的水,通过Tyvek的漫反射,再经过10多米的水,才能到达我们的眼睛。Tyvek基本上不吸收光。纯水的吸收曲线如图2。当光穿过20米的水后,蓝光吸收最少,红光基本上全被吸收了,见图3。这样,我们看到的水就是蓝色的。

图2:水的吸收曲线,425nm处吸收最小。

图3:照明灯发出的光接近于白光(光谱见下方的直方图),根据上图的吸收曲线,可以计算经过20米水的吸收后,各波长的光还剩多少,见衰减曲线。上方标记100%的水平红线为无衰减的情况。可见光波段为380nm(蓝)到780nm(红)。可见,600nm以上的红光全部被吸收,黄光和绿光还剩一小部分,420-440nm的蓝光还剩90%。因此,经过水的吸收后,到达人眼的光基本上是蓝光,因此水池呈现蓝色。

其实不需要20米的水,水池刚开始灌水时,就呈现出淡蓝色。

图4:刚开始灌水的水池,水已经呈淡蓝色。池壁上装有探测切伦科夫光的光电倍增管(PMT)。

蓝色是大自然钟爱的颜色。

 

天空是蓝色的,是因为瑞利散射的强度与波长的四次方成反比。阳光中的短波长蓝光被空气散射后,使天空呈现蓝色。这个机制正好与上面的纯水相反。一个是蓝光更多地被散射,一个是直射光中红光被吸收,蓝光保留了下来。纯水也有瑞利散射,并在更短的波长扮演主要角色,但是425nm蓝光的衰减长度仍是最长的,说明吸收和散射都很小。

 

大亚湾实验混制的液体闪烁体,也呈现出漂亮的淡蓝色。不过既不是因为散射,也不是因为吸收,而是灯光中的紫外线激发液体闪烁体,液体闪烁体自己发出了微弱的蓝色荧光。大亚湾液体闪烁体添加了波长移位剂bis-MSB,它的发光光谱峰值在410nm左右。

图5:液体闪烁体发光微弱的蓝光。

还有一种水也是非常漂亮的蓝色,就是核电站核岛内存放核废料的乏燃料水池。换料时,乏燃料棒用机械手从反应堆内取出,移到装满水的乏燃料池中存放比较长的一段时间,再做进一步处理。不过不要被这种蓝色的美丽所诱惑,它是一种切伦科夫光,是核废料中高强度的放射性在水中发出的光。如果没有水的吸收屏蔽,这些放射性可是致命的。

 



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