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2007年,大亚湾反应堆中微子实验站动工建设。它的主体由地面控制室和地下5个实验室组成。地面距地下实验室的垂直距离最深可达320米。2011年年底,大亚湾反应堆中微子实验提前以6个探测器开始运行。2012年3月8日,时任中国科学院高能物理研究所所长的王贻芳宣布:大亚湾反应堆中微子实验发现了一种新的中微子振荡云博体育官网下载app,并测量到其振荡几率。该发现是对自然界最基本的物理参数的测量,被认为是对物质世界基本规律的新认识。此后,大亚湾反应堆中微子实验继续高质量运行,获得丰硕成果。其中,中微子振荡振幅的测量精度从2012年的20%提高到了2.8%。

为什么选择在广东江门进行新一代中微子实验?王贻芳介绍,江门中微子实验(JUNO)以确定中微子质量顺序为首要科学目标,通过测量反应堆中微子振荡来完成。反应堆热功率越大,释放的中微子数目就越多,实验精度就越高。实验站应距反应堆50至55公里,对应振荡的极大值;到各个反应堆的距离必须相等,否则振荡效应会相互抵消。江门开平市附近区域正好符合这些苛刻条件,包括周围有广东阳江和台山反应堆群,对测量质量顺序有效的总功率世界最高,也能找到跟所有反应堆距离基本相等的点。经过科学分析,允许的实验站范围在距两个核电站50至55公里、宽为200米的区域内,在此位置测量中微子质量顺序的灵敏度最高。“能选到如此合适的位置,还是非常幸运的。”王贻芳说。

从罐笼出来,记者来到实验大厅门口。在做好一系列防尘处理后,实验大厅的门缓缓打开云博体育官网下载app,向前几步,眼前出现了一个巨大的白色球体,坐落在圆柱形的水池中。“这是江门中微子实验的核心探测设备——中心探测器。”曹俊介绍,中心探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央,直径41.1米的不锈钢网壳是探测器的主支撑结构,承载直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体(以下简称“液闪”)、2万个20英寸光电倍增管、2.5万个3英寸光电倍增管,以及前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多探测器部件。探测器运行时,水池中还要注入3.5万吨超纯水。

江门中微子实验有机玻璃球由263块12厘米厚的烘弯球面板和上下烟囱粘接而成,有机玻璃净重约600吨,是世界最大的单体有机玻璃球。“相比其35.4米的直径云博体育官网下载app,12厘米厚的有机玻璃球壁按比例换算,就好像鸡蛋壳一样薄。”曹俊介绍,为了提高实验的灵敏度和准确性,有机玻璃板材生产采用了独特配方和工艺,其天然放射性本底铀和钍的质量占比小于一万亿分之一,以保证其高透光率和低本底的特点;为防止氡及其衰变子体污染有机玻璃,拼接有机玻璃球时表面需要用膜材料和带有水溶胶的纸进行保护,可在建设结束后顺利取下;有机玻璃有老化现象,球体表面容易产生裂纹,研发团队通过多种方法降低老化速度,保证探测器安全运行;探测器建成后,有机玻璃球内部将是2万吨液闪,外部是3.5万吨超纯水,球体内外压力不同,这对有机玻璃球的拼接工艺提出了很高要求。

2万吨液闪、600吨有机玻璃,再加上其他设备,这么重的重量,如何才能平稳地立起来?这需要不锈钢网壳的支撑。不锈钢网壳由预制的H型钢通过12万套高强螺栓拼接而成,是目前国内最大的单体不锈钢主结构。“我们在不锈钢网壳设计过程中获得了多项技术发明专利,其中的铆钉技术相关国家标准获得批准并发布,填补了国内空白。”曹俊介绍。此外,探测器运行时有机玻璃球置于超纯水中,需要长期承受约3000吨的浮力,这些力需要通过有机玻璃节点、连接杆和不锈钢节点传递到不锈钢网壳主结构上。经过反复设计优化和上百次试验,各节点都获得超高承载能力。

中微子质量极小,速度极快,与物质的相互作用极为微弱,中心探测器如何将其捕捉到呢?2万吨的液闪起到了主要作用。当大量中微子穿过探测器时,极少的一部分会与液闪发生反应,发出极其微弱的闪烁光云博体育官网下载app,被光电倍增管探测到,从而达到捕捉中微子的目的。“作为探测中微子的靶灵敏物质,液闪的主要成分是烷基苯,是日常生活中洗手液、洗衣液的主要原料,但江门中微子实验所用的液闪需要非常干净。”王贻芳说。此外,液闪还需要很高的光输出、极好的透明度和极低的放射性本底,这些都给其制备带来极高难度。

面对这些困难,江门中微子实验液闪组在大量调研、实验基础上,研发出高洁净度、高密封、高效率的纯化系统。“通过氧化铝系统、蒸馏系统、混制系统、水萃取系统和气体剥离系统,我们去除了液闪中的放射性杂质、惰性气体等,提高了透明度和光学性能。”曹俊介绍,目前液闪组已成功获得光传输衰减长度大于20米的液闪云博体育官网下载app,是世界最好水平,洁净度达到了要求。

“光电倍增管是中微子探测器中最重要的部分,中微子信号就是通过光电倍增管探测出来,它们将中微子与液闪反应的光信号转变为电信号,并放大千万倍云博体育官网下载app,然后在计算机中进行具体分析和研究。”王贻芳介绍。这个国之重器的建设云博体育官网下载app,客观上带动了我国光电倍增管行业的发展——国际上能生产相关光电倍增管的公司很少,不仅性能达不到要求,售价还特别高。因此,中国科学院高能物理研究所的科学家们启动了光电倍增管的预研并积极推动国产化。他们发明了一种全新构型及电子放大方式的新型光电倍增管,在与相关企业合作后,最终研制出收集效率等关键技术指标达到国际领先水平的光电倍增管样管,拥有完全自主知识产权,打破了该领域的国际垄断。

构成光电倍增管的真空玻璃壳是一种典型的脆性材料,长时间工作在44米深的水池中,存在内爆风险。内爆产生的冲击波有可能引爆周围的光电倍增管,产生链式反应,最终损坏所有光电倍增管,甚至破坏探测器的主体结构——这类事故在国外就曾发生过。“为此,我们研制了一套水下防爆系统,为每一个光电倍增管加装保护装置。”曹俊指着旁边的一个光电倍增管样品介绍云博体育官网下载app,该装置前半部为半椭球形的极透明有机玻璃罩,既能承受50米以上的水压,又能适配光电倍增管最小25毫米的安装间隙,同时实现了好于0.4毫米的精度和98%以上的水中透光率。后半部为不锈钢保护罩和连接结构,既保证了强度,又对实验的光信号无遮挡。该防爆系统可以有效减缓高压水填充真空区域的速度,从而显著减低冲击波的强度,避免发生链式反应。

中微子不仅要捕捉得到,还要捕捉得准确,这需要反符合探测器将非中微子的信号排除掉。江门中微子实验反符合系统负责人杨长根介绍,水池里3.5万吨的水需要在水净化室进行纯化,这些超纯水可以用作宇宙线探测器,将宇宙线对中微子探测的干扰排除,也可作为屏蔽层,屏蔽掉岩石中的天然放射性以及宇宙线在附近岩石中产生的大量次级粒子。此外,水池上方的径迹探测器可以测量宇宙线的精确方向,更有效地排除错误信号,使中微子探测更精准。

目前,江门中微子实验建设进入收官阶段:最内层的有机玻璃球已合拢,外层的不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中,预计11月底完成全部安装任务,并启动超纯水、液闪的灌装,2025年8月正式运行取数,预计运行约30年。王贻芳表示,江门中微子实验有着丰富的科学目标,包括测量中微子的质量顺序,精确测量三个中微子振荡参数,以及在2030年装置升级后测量中微子的绝对质量,也将在太阳中微子、地球中微子等研究方面达到国际最好水平,并有望在超新星中微子、质子衰变等方面取得重大成果。

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集美学村的嘉庚建筑主要有“五片三点”。“五片”包括航海学院片(温楼、允恭楼、崇俭楼、海通楼、克让楼),财经学院片(尚忠楼、诵诗楼、敦书楼等),华文学院片(南侨一、二、三、四、十三、十四、十五、十六和南门等),集美中学片(延平楼、道南楼、南薰楼、黎明楼等),嘉庚纪念建筑片(陈嘉庚先生故居、归来堂、鳌园等)。“三点”即科学馆、养正楼、集美农林学校旧址。

在材料工艺方面,嘉庚建筑细部精美。早期建筑材料多从国外进口,20世纪20年代起,本地材料逐渐成为嘉庚建筑的主要建筑材料。在本地匠师参与下,嘉庚建筑使用本地红砖和石材等,将中国传统施工技艺与西式建筑样式融合,形成富有变化的砖石墙体形式。另外,集美学校和厦门大学的嘉庚建筑中,还大量使用嘉庚先生融合了闽南传统瓦片与西式瓦片工艺而创新制作的“嘉庚瓦”。

艺术价值方面,嘉庚建筑具有独特风格,是中国传统复兴式建筑地域化的表达。嘉庚建筑特有的空间和色彩构成、平立面构图、材料的肌理和质感、结构形式、建造工艺以及细部构造和图案等表现出来的艺术性,体现出近现代建筑美学与技术的统一。嘉庚建筑引入西方构件和建筑形式,运用本土材料和传统技艺,展现了中西方建筑文化的融合。

文化价值方面,嘉庚建筑作为中西方文化交流的重要载体,不仅展现了陈嘉庚将传统文化、地域文化与西方文化融合的理念,还通过建筑形式的变化呈现出不同时期的文化演变。如今,嘉庚建筑分布于海内外并不断得到传承创新,展现了跨时空的文化互动和多维度的文明对话。嘉庚建筑作为近现代教育建筑,也体现了中国传统教育与现代教育思想的交流融合。

团队首先开展了详尽的历史研究和现状测绘勘察,采用传统材料和工艺对建筑进行保护性修缮,真实全面地保存并延续其历史信息及核心价值。同时,对嘉庚建筑的组团布局、地形关系、平面形式、屋顶构造、立面设计、墙身组合形式及材料工艺等方面进行系统整理与分析。团队还通过访谈资深文史专家,获得大量宝贵的历史细节和口述资料,这些信息为修缮方案的制定提供了依据,确保修缮工作既符合建筑的原始设计理念,又充分尊重其历史价值。

分布在海内外的嘉庚建筑,展现了陈嘉庚先生从家乡闽南到东南亚开创教育事业的历程。从集美学村起步,逐步扩展至东南亚地区云博体育官网下载app,嘉庚先生创办的一系列学校,构建了一个跨地域的,涵盖启蒙教育、基础教育、职业教育和高等教育的完整教育体系。这一过程也展现了嘉庚建筑风格的源流关系及演变过程,从闽南传统建筑形式到融入西方建筑元素,再到适应东南亚文化环境,体现了文化的融合。

在空间布局、功能设计、人物历史和重大事件上,海内外的嘉庚建筑有紧密关联,形成了一个不可分割的有机整体。它们共同讲述了完整的嘉庚教育以及建筑发展故事,甚至许多建筑至今仍承担着教育功能,成为传承嘉庚精神历史记忆的重要载体。因此,嘉庚建筑通过其紧密的历史、功能和文化联系,呈现为一种整体关联性的文化遗产。

 陈志宏,华侨大学建筑学院院长,教授、博士生导师,教育部高等学校建筑学专业教学指导分委员会委员,中国建筑学会建筑史学分会学术委员,中国建筑学会民居建筑分会学术委员,福建省土木建筑学会建筑师分会副会长,国家一级注册建筑师,国家注册城市规划师。主要从事地域建筑设计与文化遗产保护研究。出版专著《闽南近代建筑》《马来西亚槟城华侨建筑》(海外华侨建筑文化丛书),主编《建筑记忆与多元化历史》(中国建筑口述史文库 第二辑)、《漫游厦门》(走进建筑遗产丛书)等。