10月10日的江门中微子实验探测器内部。倪思洁摄

工人们正在进行安装的收尾工作。倪思洁摄

不锈钢网壳正在合拢之中。倪思洁摄

液体闪烁体和水在一起时，液体闪烁体会像油一样浮于水上。倪思洁摄

被防水不锈钢波纹管包裹的电缆从水池底部伸至水池外的电子室。倪思洁摄

“江门中微子实验探测器整体安装工作已完成95%，预计在11月底完成全部安装任务。”10月10日，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳告诉《中国科学报》。

江门中微子实验是以测量中微子质量顺序为首要科学目标的大科学装置，位于广东省江门市开平市，地下深度700米。探测器大约有13层楼高，中心是巨大的有机玻璃球；球被金属杆连接在外侧的不锈钢网壳上；网壳内壁、外壁布设大量光电倍增管；玻璃球和网壳被置于圆柱形水池中。

记者在江门中微子实验现场看到，目前有机玻璃球已合拢，不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中，建设工作进入了收官阶段。

“之后，探测器将被密封并灌装超纯水、液体闪烁体。”王贻芳说，这也意味着未来30年，人们将无法进入探测器内部，也无法对其中的设备进行维修。

江门中微子实验于2013年立项、2021年底正式开始探测器安装，至今安装工作已耗时3年。这3年，江门中微子实验安装过程经历了什么？

拼出大球和大网壳

中心探测器里的有机玻璃球，是世界最大的单体有机玻璃球，直径35.4米。

江门中微子实验项目副经理、中心探测器系统负责人衡月昆介绍，有机玻璃球的安装耗时27个月，安装过程中发现诸多缺陷，经过不断调整后，才最终完成建设。

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，净重约600吨。有机玻璃板材生产采用独特的配方和工艺，具有高透光率和低本底的特点，其天然放射性本底铀和钍的质量占比小于一万亿分之一。

“为防止氡及其衰变子体污染有机玻璃，我们在建设过程中用膜材料和带有水溶胶的纸对有机玻璃表面进行保护。有机玻璃球粘接采用大体量注料、聚合、退火的本体聚合技术，粘接缝总长度约2公里，我们也采用了特殊方法对粘接缝进行保护。”衡月昆说。

用于支撑有机玻璃球的不锈钢网壳是目前国内最大的单体不锈钢主结构，直径41.1米。

王贻芳介绍，不锈钢网壳历时5个月才安装完成。为了避免地下电焊带来的施工安全隐患和尺寸精度的不确定性，项目采用拥有自主知识产权的12万套高强螺栓拼出了不锈钢网壳。

“相比其35.4米的直径，12厘米厚的有机玻璃球按比例换算，就好像鸡蛋壳一样薄。装置运行过程中，有机玻璃球承受的力将通过金属杆传递到网壳主结构上。建设团队经过反复设计优化和上百次试验才最终实现了网壳的超高承载能力，部分不锈钢节点还采用碟簧设计方案，有效改善了有机玻璃节点的受力分布。”王贻芳说。

据悉，在不锈钢网壳设计与预研过程中，建设团队获得了多项技术发明专利，带动了相关制造企业的创新发展并提升了综合实力。其中，不锈钢短尾环槽铆钉技术经中国机械通用零部件工业协会鉴定，首次用于不锈钢钢结构领域，相关国家标准获得批准并发布，填补了国内空白。

已做好液体灌装准备

安装完成后，项目组将为水池灌装超纯水，并为有机玻璃球灌装液体闪烁体。届时，有机玻璃球将真正变成“水晶球”。

“有机玻璃球内灌装的液体闪烁体，是探测中微子的靶物质，中微子与其反应并发光；有机玻璃球外灌装的超纯水，一方面是为了屏蔽环境中的放射性本底，另一方面是为了探测宇宙线产生的切伦科夫光、排除宇宙线对探测中微子的干扰。”衡月昆说。

中微子在液体闪烁体中可以发出微弱的光，光会被有机玻璃球外的光电倍增管接收并转变为电信号，因此，实验对液体闪烁体透明度的要求很高。

“这是国际上前所未有的一项大工程。”衡月昆介绍，江门实验液体闪烁体组在大量研究、实验的基础上，严格控制液闪原材料的纯度和生产工艺，研发了高洁净度、高密封、高效率的液闪生产和纯化系统，成功获得了光传输衰减长度大于20米的液闪，是目前世界最好水平；另外，液闪中的放射性杂质对实验结果有负面影响，需严格控制，要求2万吨液闪中的灰尘量小于8毫克。

目前，对于液体闪烁体的制备，项目组已经完成4次联合调试，为2025年初的正式灌装做好了充分准备。

由于江门中微子实验项目组研发的液体闪烁体密度比水小，会像油一样漂浮在水上，在灌装过程中，项目组会先在有机玻璃球内外注入超纯水，注入过程中保持内外水面高度一致，以控制内外压力平衡，再从玻璃球上端的烟囱口向有机玻璃球里灌注液体闪烁体，并从玻璃球下端的烟囱口排水。

已安装的电子学性能优于设计指标

“江门中微子实验将于2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。”王贻芳说。

在现场，所有光电倍增管连接的电缆都被防水不锈钢波纹管包裹着，向上集中至水池外部的电子学间。探测器的数据将源源不断通过电缆传到电子学间，再通过网络传到中国科学院高能物理研究所的计算中心。

江门中微子实验对电子学设计及生产制造也提出了极高的要求。

王贻芳介绍，江门中微子实验20英寸光电倍增管读出电子学包括约2万个通道，全部采用高速波形采样技术，要求单光子能量分辨优于10%、水下模组的故障率在6年内小于0.5%。

从2019年开始，团队大胆采用国内自主设计的核心器件，包括高速模拟-数字转换芯片及前端放大芯片，攻克了高性能前端芯片“卡脖子”问题，解决了大动态范围高速波形采样系统关键问题，完成了大量老化实验，实现了高可靠性的目标。在江门现场的安装测试中，已安装电子学的噪声性能明显优于指标要求。

王贻芳介绍，建成后，江门中微子实验将成为国际中微子研究的中心之一，与日本的顶级神冈中微子实验（Hyper-K）和美国的深部地下中微子实验（DUNE）形成中微子研究的鼎足之势。

（原载于《中国科学报》 2024-10-14 第1版 要闻）