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地下的温度是多少?(大科学工程点滴1) 精选

已有 34700 次阅读 2011-11-4 17:51 |个人分类:我的物理|系统分类:科研笔记| 大亚湾, 中微子, 大科学工程, 地下温度

很多人游溶洞会感觉凉。这几天有个记者为大亚湾中微子实验写的稿件,称地下实验室为“阴冷寂静的岩洞”,大概是想起了溶洞。我给改成了“闷热潮湿的岩洞”。

 

高能物理的实验室、探测器都需要自己设计、自己造。每做一个实验,会碰到不少稀奇古怪的问题。其实大部分问题对对口的专家来说都很浅,但对项目组来说,首先往往是毫无概念,根本不知道属于哪个专业,该问谁,其次是三天两头碰到各种不同的问题,如果每个都得找专家,那活儿就干不下去了。

 

粒子物理探测器虽然庞大,对温度一般都有很高要求。大亚湾的中微子探测器设计运行在22.5。这是深圳的年平均温度,也是地下岩石的温度。

 

如果设计的运行温度与周围岩石的温度不一致,每个厅有1万多立方空间,有一个2千多吨水的水池,每年空调的电费就以百万计,而且水池中还会形成温度梯度,给物理测量带来不确定性。大亚湾实验有三个实验厅,两个近厅都在大约地下100米,远点在地下350米,我们要求运行条件完全一样。如果远近厅岩石温度不一样,也很麻烦。刚开始我们不知道地下的温度应该是多少,问了设计和挖隧道的公司,没有得到确切的答案,很担心远厅的温度比近厅高。

 

土壤和岩石相当于一个巨的热容,夏天被加热,冬天被降温,因此地下一定深处,大概从几米到10米左右的深度开始,温度就是恒定的,等于当地的年平均气温。因此南方的洞跟北方的洞,温度相差很多。

 

地表的温度随气温变化,从地表到恒温层,会随季节形成一个梯度。

 

再往下,大约从300米(与地质有关)开始,温度开始受地热的影响,每100米升高2-3度。地球象一个巨大的反应堆,铀钍等放射性元素会释放放射能,功率约为21T瓦,相当于7000座百万千瓦核电站,贡献了大部分地热。同时也放出地球中微子。日本的KamLAND实验和意大利的BOREXINO实验测到了来自地球的中微子。

 

由于大亚湾的所谓“地下”,实际上是都在海平面下20米的平面上,顶上的山高不同。因此远近厅的温度应该是一样的。实验也设计了温度监测系统。

 

然而,当第一个实验厅挖好,交给项目组进行安装时,发现非常闷、非常热,岩石温度为29,远超预期。研究人员都光着膀子,汗流浃背地安装设备。我们很紧张,以为全搞错了。后来才知道,在用爆破法开挖实验厅的时候,炸药的能量也贮藏到了岩石中,因此温度升高了很多。大概需要通风一个多月,温度才能降下来。

 

29度也不算太热,可是海风非常潮湿,通过通风管送到地下后,实验厅的湿度达到80-100%,有汗也出不出来,对仪器损坏也比较大。对通风、空调、除湿系统调了很久,才稳定到60%。对受影响大的RPC探测器还加装了干燥空气系统。

 

 

 
           “膀爷”在地下实验厅安装仪器


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