江门中微子实验(JUNO)中心探测器结构在浮力下的整体稳定性研究

介绍了江门中微子实验(JUNO)中心探测器主体不锈钢结构的结构体系,阐述了结构在巨大浮力作用下的整体稳定性问题及失稳模式,并针对结构的特点提出了结构整体稳定性评价标准。通过对一系列模型的稳定性分析和对比发现结构主要的失稳形式是有机玻璃球在浮力作用下的整体旋转上升。与不锈钢网壳刚接的撑杆的数目和位置是影响结构整体稳定性的重要因素。所有撑杆两端均铰接的方案存在提前失稳的风险。有机玻璃球的初始整体旋转、撑杆与有机玻璃球表面不完全垂直等初始缺陷会一定程度上削弱结构的整体稳定性。随着撑杆随机偏转角标准差的增加,结构整体稳定性呈缓慢降低的趋势。根据分析结果,结构考虑初始缺陷的双非线性稳定承载力系数可取3.35,满足设计要求。

江门中微子实验中心探测器有机玻璃节点应力分析方法研究

中心探测器是江门中微子实验的核心探测器,其主体结构为35.4m直径的有机玻璃球壳,有机玻璃球壳上的应力水平是探测器结构设计的一个关键指标。为了准确地计算有机玻璃球连接节点上的应力,本文运用有限元仿真软件建立三维模型,采用了三种建模方法进行对比研究,最终确定最优建模方法为耦合边界为圆弧的体壳耦合法。

江门中微子实验基地坚硬地层钻进工艺探讨

江门中微子实验基地ZK1号孔设计孔深650m,地层岩性为二长花岗岩,选用金刚石绳索取芯工艺,存在岩层钻进"打滑"问题。经过研究和摸索,选用电镀高低锯齿型钻头后,台班进尺和钻头使用寿命有较大提高。同时,介绍了钻探设备材料的选择和安装,并结合施工情况,对高低齿型钻头参数的优化提出了建议。

江门中微子实验站大型深埋地下洞室涌水量预测分析

在大型深埋地下洞室开挖过程中,突发性涌水给施工设备和人员安全带来巨大的隐患,因此如何合理地预测涌水量规模,对施工期选择适当的止水、排水措施显得极为重要。本文以广东省江门中微子实验站大型深埋地下洞室的开挖涌水量预测为研究对象,采用经验公式法和数值模拟法分别对洞室开挖的最大涌水量和稳定涌水量进行预测分析,成果表明工程开挖过程中最大涌水量为520~710m^(3)/h,长期稳定涌水量为230~330m^(3)/h,现场观测实际涌水量为368.4~563.7m^(3)/h。预测结果与实际涌水量观测情况基本吻合。研究成果可以为工程施工中涌水量预测和涌水治理措施的选择提供有价值的参考依据。

揭秘“深藏”地下的实验室 江门中微子实验装置

深藏在地下700米的江门中微子实验探测器,是中国为研究中微子而建设的大科学装置。这个神秘的探测器长什么样?它为什么要建在地下那么深的地方?又是如何探测中微子的呢?浸泡在水池中的探测器江门中微子探测器位于广东省江门市开平市金鸡镇打石山。为了屏蔽宇宙线,它被安装在地下700米处,实验厅跨度约50米,是目前中国跨度和土石方量最大的地下实验硐(dòng,山洞)室。

江门中微子实验中心探测器主体不锈钢结构设计研究

江门中微子实验（JUNO）中心探测器主体不锈钢结构工程属于国家重大科技基础设施建设项目。首先根据工程的设计要求,以降低有机玻璃的应力水平为主要目标,在前期研讨成果基础上进一步确定主体结构体系为单层不锈钢网壳＋590个不锈钢撑杆＋有机玻璃球＋底部支承结构。针对本工程的重点和难点,逐一对结构的稳定性、结构关键构件的内力分布、地下地震动参数分布规律、流固耦合效应、关键节点的应力状态、施工过程对结构的影响等方面展开深入的研究,完成一系列的有限元分析及力学试验研究工作。有限元分析及力学试验结果表明,通过对不锈钢撑杆的内力分布和幅值的优化设计,有机玻璃的应力水平得到了有效控制,运行工况下最大主拉应力不大于4MPa;考虑非线性及初始缺陷的结构整体稳定性系数为3.45。主体不锈钢结构具有良好的承载力和稳定性,满足设计要求。

江门中微子实验站位置测量方案设计与实施

为了对中微子质量顺序等前沿科学进行研究,江门中微子实验正在进行选址建设中。介绍了江门实验站与阳江核电站及台山核电站堆芯位置测量方案的设计与实施,采用GPS静态观测实现控制网的测量,并用LGO和自编软件对数据进行解算及坐标拟合转化。通过实际测量及数据解算,最终得到的坐标精度为±70 mm,满足设计要求,证明此次江门中微子实验站位置测量方案是合理可行的。

江门中微子探测器有机玻璃球与网架连接节点结构设计与实验研究

针对大型有机玻璃球与外围网架的连接节点进行结构设计,利用Abaqus对连接节点进行承载性能分析,模拟了结构所涉及的多重非线性问题,对比了不同理想边界条件下的计算结果。根据初步的节点结构制作等比例模型并进行承载实验,按照实验结果对结构做出改进,并对改进的节点结构进行承载性能分析。改进结构的模型承载实验结果符合预期,与有限元计算结果吻合良好。

从大亚湾到江门中微子实验

中微子振荡现象是当前粒子物理领域的研究热点.中微子振荡的发现确认了中微子具有微小的质量,这也成为探索超出标准模型新物理的重要途径.大亚湾反应堆中微子实验是研究短基线反应堆中微子振荡的地下实验,其利用远近点全同探测器对反应堆中微子事例率及能谱进行相对测量,以降低探测器关联误差及反应堆中微子流强预期误差.大亚湾反应堆中微子实验在2018年使用1958天的数据公布了中微子振荡参数sin^(2)2θ_(13)与|△m_(32)^(2)|的最新结果,其中sin^(2)2θ_(13)参数为目前最高的测量精度,达到了3.4%,|△m_(32)^(2)|的精度为2.8%,其与MINOS, NoνA及T2K等基于加速器中微子的实验测量精度相当.θ13的精确测量将有利于下一代中微子实验确定中微子质量顺序以及测量CP破坏相角等未知的中微子振荡参数,其中包括了我国正在建设的江门中微子实验.它的主要科学目标是通过在中等基线下精确测量反应堆中微子能谱来确定中微子质量顺序.探测器可以实现3%的超高能量分辨率和小于1%的能标误差,从而在6年的取数时间内以3–4σ的置信度测量中微子质量顺序.此外江门中微子实验也将精确测量中微子振荡参数,同时将在超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、地球中微子、核子衰变等物理研究领域做出重要的贡献.

江门中微子实验建设取得新进展 地下700米建成“变形金刚塔”

2022年5月25日,记者从中国科学院高能物理研究所江门中微子实验方面获悉,该实验地下700米的实验大厅内,为实现探测设备有机玻璃球自上而下逐层安装而建设的升降平台已安装完毕,并顶升至38米,为下一步有机玻璃球安装工作做好了准备。江门中微子实验核心探测设备——中微子探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央,它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

神秘的中微子

在广东江门,国家重大科技基础设施江门中微子实验装置正在紧张建设中。目前,位于地下700米的中心探测器有机玻璃球已经完成赤道层安装,预计2023年底完成整个探测器的建设,2024年开始运行取数。这是世界上最先进的中微子实验室,实验建造的中微子探测器将是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。

中微子实验:追寻粒子世界的“隐世高手”

中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子,从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间。中微子非常重要,它拯救了能量守恒定律,也向现代粒子物理的“标准模型”提出了挑战。中微子不仅数量很多,而且它有无质量对粒子物理和宇宙学有巨大的影响。因此,科学家需要把中微子研究清楚。在大亚湾实验“前浪”的基础上,江门中微子实验等“后浪”正紧锣密鼓建设。

GPU在缪子快速模拟中的应用

江门中微子实验(JUNO)拥有当前世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。缪子是JUNO的主要本底,每个缪子事例在大型探测器中产生百万量级的光子,但复杂的光子模拟计算量巨大,传统串行计算方式耗时较长。为此,提出一种基于GPU的分布式缪子快速模拟方法。利用多GPU卡并行加速闪烁光在液闪探测器中的传输过程,采用信息传递接口通信向多节点分发模拟任务和收集结果。测试结果表明,GPU方法具有良好的加速比,和CPU方法相比,加速比最高可达约250倍。

大型中微子实验站超深地下空间施工关键技术

江门中微子实验站位于广东省江门市开平市金鸡镇和赤水镇之间,距阳江核电站和台山核电站均约53 km,是大亚湾实验的二期工程,以大亚湾为起步,我国已确立了在反应堆中微子实验上的国际地位,实现了重大突破.二期实验将基于现有技术优势,力争再出重大成果,以在中微子研究的多个方面达到国际领先水平,成为国际中微子研究的中心之一.

应用于JUNO实验的容器技术研究

江门中微子实验(JUNO)是以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数为主要目的的一项物理科学前沿研究实验,其实验规模庞大,数据处理流程繁杂,需借助统一高效的离线计算平台对数据进行分析处理。为此,利用Docker容器分层的镜像技术将JUNO实验所需的环境依赖库打包在镜像文件中,为其制定针对不同操作系统作业的容器镜像,并将不同JUNO容器作业提交至作业调度器上运行,以实现资源共享。对物理机、容器、虚拟机3种平台的CPU性能、I/O性能及JUNO作业的实际运行效果进行对比测试,结果表明,Docker容器能够胜任JUNO离线数据处理,相比虚拟机具有更小的性能损耗。

地球中微子：来自地球深部的信使

中微子是构成物质世界最基本的单元之一,在自然界广泛存在.正在建设的江门中微子实验站(JUNO)是我国第二个大型国际领先的中微子实验站.地球中微子(geo-neutrino)是地球内部天然放射性元素(主要是^(238)U,^(232)Th和^(40)K三种同位素)衰变产生的反电子中微子.它们在衰变过程中也同时释放出大量热能,是驱动地球演化的主要地热能来源之一.地球中微子的通量和产生的热能成固定比例.因此,测量地球中微子的通量,可以获得放射性元素分布及其对地热能的贡献.江门中微子实验站的探测器质量为2万吨,运行一年所获取的地球中微子事例数达到400个以上,超过全球已有地球中微子探测器10年所探测事例的总和.江门中微子实验站周围500 km以内贡献50%以上的地球中微子事例数,利用地球科学手段可合理、有效估算实验站周围及邻区地壳的贡献,实验站测量总数减去地壳贡献,可得到地幔的贡献.因此,有效充分利用实验站可望帮助解决放射性元素衰变对地热能的贡献、测量Th/U比值和来自地幔的放射性地热等问题,并推动国内中微子地球科学研究的交叉领域发展.本文首先介绍了地球内部有关热量未解决的科学问题及地球中微子可能的贡献,其次介绍了地球中微子研究的国内外现状及精确地壳结构模型研究的重要意义,随后着重介绍了江门中微子实验的地球中微子探测潜力及其独特的地理位置和探测优势对地球科学研究的意义,最后给出总结和展望.

富水长大裂隙对地下洞室施工期围岩稳定影响研究

江门中微子地下实验室在施工支洞开挖时,揭露三条富水长大裂隙,局部探水孔中出现高压喷射涌水,可能对洞室围岩稳定产生不利影响。为此,采用离散元方法,系统分析了开挖面不同水压力条件下L1、L2、L3对实验大厅围岩变形的影响。结果表明,富水长大裂隙对工程的顶拱围岩整体稳定影响较小,顶拱围岩在L1和L2处对开挖面排水条件变化不敏感,随着开挖面水压升高,L3拱肩部位变形陡增且趋势不收敛。L2对下部水池变形基本无影响,L1、L3附近浅部围岩出现卸荷。综合分析,建议将0.5 MPa作为工程开挖面浅层围岩排水控制标准。

基于MPI的分布式数据处理系统

为简化江门中微子实验的离线数据处理流程,减少资源消耗,提出一种在分布式计算环境中进行数据处理的通用软件系统。基于信息传递接口实现节点间的通信与数据交换,使用Master/Worker架构对计算作业生命周期进行管理,包括计算作业拆分、计算资源分配以及计算任务执行与监控。测试结果表明,该系统具有良好的可扩展性,其产生的数据与人工逐步执行作业脚本运行模拟软件产生的数据一致。

亮点

这是摄影记者深入地下700米深的施工现场后,拍摄的中国主导的大型国际科学合作项目——江门中微子实验基础建设时撷取的画面。从画面中我们感受到,高科技背后的大工程,不光有科技人员的不懈努力,也有施工建设者们的艰辛付出。