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中微子探测器

中微子探测器

中微子探测器（Neutrino detector），是观测中微子的实验设备。中微子探测器技术可广泛用于先进反应堆、核材料生产堆、乏燃料贮存与处置等设施的保障监督与核查。

1956年，美国科学家通过反应堆中微子实验首次检测出中微子信号。此后，法国舒兹实验等通过改进反应堆中微子探测器技术，提升中微子探测器的探测效率和置信度。20世纪80年代开始，多国在测定了反应堆主要核素的特征中微子能谱后，进行了一些以增强核安全技术手段为目的的反应堆中微子探测器实验。2002年，日本神冈反应堆中微子实验将1000吨中微子探测器部署在地下等效水深2700米处。2007年，美国小型中微子探测器桑格斯证明通过测量中微子通量和能谱可监测反应堆运行状态。2012年，由中国科学家主持的大亚湾反应堆中微子探测器发现了中微子第三种振荡模式。2016年，法国的中微子探测器探测出堆芯内钚含量。2022年5月，中国主持的第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验建设，其核心探测设备——中微子探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央。截至2023年6月，中国江门中微子探测器实验装置的土建工程基本完成。2024年，该中微子探测器开始灌装液体的工作并运行取数，预计率先在全球测得关键数据。

深埋地下的中微子探测器主要采用圆柱型/柱型结构、聚甲基丙烯酸甲酯球体结构或气球（薄膜）结构，而海底探测器则主要采用线型结构。中微子探测器加深了对于物理学的理解，寻找空间的点源(中微子天文)。目前提出的小型中微子探测器主要基于IBD反应进行开发，其拥有较大的反应截面、噪声本底处理相对较容易、研究比较成熟，基于CEvNS的探测技术近年来取得了很大突破，但由于噪声本底复杂，对低能中微子探测效率优势不明显。后续可针对不同本底来源进行模拟研究，并采取智能算法对数据进行训练、清洗，进一步提高本底排除能力，同时还需对探测器结构及数据采集工具进行进一步优化。

发展历史

自奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利1930年提出中微子预言后，1956年，美国科学家通过反应堆中微子实验首次检测出中微子信号。此后，法国舒兹实验等通过改进反应堆中微子探测器技术，提升中微子探测器的探测效率和置信度。20世纪80年代开始，多国在测定了反应堆主要核素的特征中微子能谱后，进行了一些以增强核安全技术手段为目的的反应堆中微子探测器实验。在各国中反应堆中微子探测器技术成为应用主流。

中、美、法、加、日等国陆续开展了一些验证性实验。2002年，日本神冈反应堆中微子实验将1000吨中微子探测器部署在地下等效水深2700米处，与50多座动力堆的加权平均距离是180千米，首次观测到反应堆中微子振荡，有助于确定中微子是具有质量的粒子。美国桑迪亚国家实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研发的640千克小型中微子探测器桑格斯，2007年证明通过测量中微子通量和能谱可监测反应堆运行状态。2012年，由中国科学家主持的大亚湾反应堆中微子探测器发现了中微子第三种振荡模式，被国际粒子物理界评价为“开启了未来中微子物理研究的大门”。法国在距离奥西里斯研究堆7米处部署800千克中微子探测器，2016年探测出堆芯内钚含量。

2020年，美国钱德勒实验通过使用80千克固体闪烁体，实现了小型化、可移动、地表探测器原型部署。随着探测器技术成熟及对反应堆中微子研究的加深，美国能源部反应堆中微子探测器技术实用化研究小组2021年发布报告，认为探测器技术已具有实用化潜力。2022年5月，在江门市打石山地下700米深处，中国主持的第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验建设中，其核心探测设备——中微子探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央。

2023年3月，加拿大大萨德伯里+中微子观测国际合作组首次使用纯水监测远达240千米以外的反应堆运行状况。另还有美英守望者实验正在建造千吨级中微子探测器，目标是展示使用掺钆水切伦科夫中微子探测器对25千米以外英国哈特尔普尔反应堆的监测能力。截至同年6月，中国江门中微子实验装置的土建工程基本完成，中微子探测器的建设也已经完成了过半。2024年，该中微子探测器开始灌装液体的工作并运行取数，预计率先在全球测得关键数据。

工作原理

所有的基本粒子，除了特定波长范围内（400纳米-760纳米）的光子，都是肉眼不可见的。为了研究这些粒子的性质，就要把它们所携带的信息转换为可以直接观测的量。20世纪初，欧内斯特·卢瑟福在进行氦原子核轰击金箔的实验时，就是使用荧光屏观测散射后的氨原子核的。当氨原子核击中荧光屏的某个部位时，会放出微弱的光。卢瑟福和他的学生借助于光学仪器，用肉眼观测这些微弱的发光，确定了氦原子核击中的位置，从而确定了散射角度。

反应堆中微子主要源自堆芯核反应，富中子核素经过β衰变，产生电子反中微子（称“反应堆中微子”）。一座热功率百万千瓦反应堆每秒钟可以产生约1020个中微子。反应堆中微子数量与反应堆功率成正比，其信号能反映出裂变源性质。但中微子只参与弱相互作用，极难探测。中微子探测器利用中微子与质子发生的逆β衰变反应探测反应堆中微子。

中微子与物质相互作用过程因能量高低而存在差异，目前的小型中微子探测器均针对地球中微子、反应堆中微子研制，反应堆中微子探测原理主要有：(1)中微子在质子上俘获，生成1个正电子和1个中子，也叫反B衰变(inverse beta decay，IBD)，这是最常用的探测方式，正电子与负电子淹没放出2个反向的0.5 MeV光子形成快信号，中子经过慢化吸收放出若干个光子形成慢信号，通过快慢信号符合可准确测量反电子中微子。(2)中微子在电子上散射，反应截面比IBD小几倍，而且很难跟本底分开，只有几个测量中微子磁矩的实验采用。(3)中微子与原子核发生相干散射过程，中微子是一次与原子核内所有核子发生散射，根据量子力学，反应的振幅等于所有核子相加，因此正比于核子数，而反应的截面是振幅的平方，也就是正比于核子个数的平方。

结构组成

以中微子探测器为核心探测设备的中微子实验装置一般由中心探测器、反符合探测器、水池等部分组成。而中心探测器的有机玻璃球内部将加满液体闪烁体（以下简称“液闪”），其洁净度要求极高，如在2万吨液闪中最多允许有0.008克灰尘总量，在有机玻璃球外部则布满高纯水。

探测器采用多个单元的阵列结构，其目的是利用各个单元对中微子信号和本底响应的差异进行本底的抑制。不同种类粒子单元的响应差异越大，区分越明显。当探测器单元为10cmx10cmx100cm的长方体时本底与IBD信号呈现较好的区分程度。采用 Geant4(10.6 版本)设计了由6x6个塑料闪烁体组成的闪烁体阵列。闪烁体阵列之间填以A1膜作为反射层，在阵列外围使用掺硼聚乙烯(BP)和铅(Pb)以屏蔽环境中的y射线和快中子。环境中的快中子经过BP层被慢化最后被俘获，Pb层则屏蔽了中子被BP层俘获产生的y射线。在计算中考虑到探测器成本以及整体尺寸，采用的BP与Pb层厚度同为5 cm。其中BP层可以屏蔽65%的中子本底，Pb层可以屏蔽80%的y本底。

应用领域

中微子探测器是观测中微子的实验设备。在保障监督与核查领域，中微子探测器技术可广泛用于先进反应堆、核材料生产堆、乏燃料贮存与处置等设施的保障监督与核查。最具应用潜力的是开展非侵人性反应堆保障监督、新型反应堆非固体核燃料或频繁更换燃料场景保障监督、反应堆内易裂变材料存量监测和反应堆秘密生产核材料行为探知。在核事故响应和处置领域，如福岛核事故中，一些关键区域的辐射水平过高导致探测仪表无法运作，极大妨碍了事故后制定应急响应对策和处置方案。对于堆芯熔化事故，中微子探测器原则上可以指示正在发生的裂变反应确定堆芯组件与乏燃料状态，同时不会对事故源项产生干扰。在反应堆仪表控制领域，中微子探测器可为部分动力堆严酷环境下的仪表提供交叉校正，如作为沸水堆的再校准参考。中微子探测器系统开发既可以独立于反应堆设计细节，也可以与反应堆系统设计集成节省更多成本。

关键技术

探测材料技术

闪烁体材料

高发光效率，闪烁体是探测器的核心材料之一，用于捕获中微子并将其能量转换为光信号。提高闪烁体的发光效率能增强探测器的灵敏度。例如通过添加特定的荧光分子来提升发光效率，像液体闪烁体中常用的三联苯等有机荧光物质，在中微子引发的粒子碰撞后能高效发出光子。

优化能量分辨率，不同的闪烁体配方和材料结构会影响能量分辨率，通过混合不同的溶剂和溶质可调整闪烁体对中微子能量的分辨能力，以便更精准地测量中微子的能量。

光电探测器材料

光电倍增管（PMT），作为将光信号转换为电信号的关键设备，其光电阴极材料的量子效率至关重要。传统的双碱金属光电阴极材料在一定波长范围内具有较高的量子效率；倍增极材料的性能也很关键，如具有良好二次电子发射特性的 BeO、MgO 等材料可确保光电子在倍增极之间有效倍增，放大微弱的光信号。

硅光电倍增管（Si - PM），基于硅半导体材料的新型光电探测器，其微单元结构的设计和材料特性决定性能。通过优化硅材料的掺杂工艺可提高 Si - PM 的增益和光子探测效率，并且由于其增益对温度敏感，需要采用温度补偿技术确保信号放大的稳定性。

探测器结构与屏蔽技术

结构设计优化

容器结构设计：对于大型液体闪烁体探测器，容器结构要承受巨大的液体压力。例如江门中微子实验的探测器采用球形聚甲基丙烯酸甲酯容器，球形结构能均匀分散液体压力；探测器内部的支撑结构需合理设计，以固定光电探测器并确保位置精度。

多层探测器结构布局：在多层探测器结构中，各层之间的间距和布局需要精心设计，以满足不同的探测功能需求。

数据处理与分析技术

数据清洗与筛选：中微子探测器会产生大量数据，其中包含噪声和干扰数据。通过设置信号强度阈值去除低于阈值的信号，根据信号的时间和空间分布特征筛选出符合中微子信号特征的数据，排除异常信号。

物理数据分析：在清洗和筛选后的数据基础上进行物理数据分析，如对中微子信号的能量分布和时间序列进行统计分析，研究中微子的振荡现象；利用拟合算法将实验数据与理论模型进行对比，确定中微子的振荡参数等物理量。

常见分类

深埋地下的中微子探测器主要采用圆柱型/柱型结构、有机玻璃球体结构或气球(薄膜)结构，而海底探测器则主要采用线型结构。

圆柱型结构

圆柱体结构的探测器是中微子探测器中一个非常典型的结构形式，选大亚湾中微子探测器来介绍它的结构形式。大亚湾核电站在反应堆中微子实验上有得天独厚的优势，不仅反应堆的总功率大，更重要的是附近有山，可以建立地下实验室，以提供足够的屏蔽，对低能量、低事例率、高精度的中微子实验来说，减少宇宙射线和天然放射性本底是最重要的前提。世界上其他可能用来做此类实验的核电站附近都缺乏足够的岩石覆盖四，因此，该实验选择在大亚湾核反应堆群之间进行，这也是中国科学院高能物理研究所关于中微子实验的一期工程。

有机玻璃球体结构

位于加拿大的大萨德伯里SNO中微子探测器的支撑结构为有机玻璃球结构，其中心探测器是一个直径为12m的有机玻璃球，它被10根合成纤维制成的绳索所支撑，球中装有1000吨重水。围绕有机玻璃球的是直径为17.8m的不锈钢网架球，上面装有9438个朝内的光电倍增管。整个装置放置在一个桶状的洞内，洞的直径为22m，高34m，并且装满纯水，以起到支撑和防护作用。

气球（薄膜）结构

已建的气球(薄膜)方案中，位于意大利的Borexino中微子探测器最具代表性，Borexino探测器的特点在于装内部液体闪烁体的装置为气球--以尼龙材料制成的薄膜。装置最外层是直径18米的水罐，水罐内装有纯水，纯水内侧是直径为13.7米的不锈钢球体，球体的内侧固定着2240个光电倍增管，用于接收中微子与液闪反应产生的光。探测器中心有外层和内层尼龙薄膜，内层与外层尼龙薄膜以及外层薄膜与不锈钢球罐之间装有缓冲液，缓冲液的作用是防止光电倍增管上玻璃辐射到液闪上，减小系统测量的误差。内层薄膜里面装有液体闪烁体，液闪的成分主要是三甲苯，总质量为300吨。图中直径为6米的虚线只是做物理标记用，实际上不存在。虚线外侧的液闪可能受到放射性污染，为了增加测量的精度，数据分析时主要采用虚线内侧的液闪。缓冲液的密度与液闪的密度几乎一样，因此内层膜上的应力，以及整体受到的浮力很小。为了使膜结构固定，用绳子与其连接。

线型结构

海底的中微子探测器都采用线型结构，其结构形式相对简单。选ANTARES进行分析，ANTARES 中微子探测器位于地中海海下2475m，离法国土伦海岸40公里。整个探测器由12组线模型组成。这12组线模型相互独立，相互大约相隔70m。每个线模型总长度为450m，分为25层，每一层装有三个光学模块，所以每个线模型总共有75个光学模块。每个线模型都锚固在海底，并且通过连接盒把每个线模型中获得的光信号传递出去。放置在海中的中微子探测器与其他的探测器不同的是，它是用海水或冰(AMANDA、IceCube探测器利用冰)代替液体闪烁体与中微子反应，然后通过线模型中的光学模块探测出反应产生的切伦科夫辐射。

代表性探测器

参考资料：（以上为收录截至2024年11月全球具有代表性的反应堆中微子探测器）

主要特点

优点

中微子探测器加深了对于物理学的理解，寻找空间的点源(中微子天文)。

缺点

大尺度的实验需要有调度水或冰的新技术、事例率低、来自宇宙的本底要求探测器有优良的粒子鉴别能力。

发展趋势

目前提出的小型中微子探测器主要基于IBD反应进行开发，其拥有较大的反应截面、噪声本底处理相对较容易、研究比较成熟，基于CEvNS的探测技术近年来取得了很大突破，但由于噪声本底复杂，对低能中微子探测效率优势不明显。由于中微子能量较低，宇宙线、探测器本身以及周围物质的放射性都会带来大量本底，包括宇宙线缪子及其次生粒子、天然中子及光子放射性等，目前的解决方式是通过在探测器表面覆盖铅、水、聚乙烯等进行屏蔽，但对于缪子效果不佳，需要采取符合测量进行排除，可使本底噪声达到可接受的水平，为了提高探测能力，后续可针对不同本底来源进行模拟研究，并采取智能算法对数据进行训练、清洗，进一步提高本底排除能力，同时还需对探测器结构及数据采集工具进行进一步优化。

传统的中微子探测器体积庞大、难以移动，通过合理的材料组分、结构设计，中微子探测器的重量也能降到数吨以内，对于核反应堆监测、潜艇通信、地球物理学研究等具有潜在应用价值，美国、俄罗斯、欧盟等传统核大国(地区)对小型中微子探测器研究较多，均研制出了原型机，并进行了一定的应用测试，日本、韩国、中国台湾地区也开展了大量研究，取得了一定成效，总体来看中国目前处于“陪跑”阶段，精力也主要集中在大科学装置研究上，对于小型探测器研究投人不足，中国科学院高能物理研究所前期开展过基于两相液氩的无中微子8衰变探测原理样机研制，但未见相关成果公开，上海交通大学牵头的Pandax实验主要用于暗物质研究，没有中微子相干散射的结果报道，四川大学在高效中子光子联合测量方面有一些积累。

参考资料

大湾区“大器”，真大气！.今日头条.2024-11-02

Ghost particle probe marks end of an era.中国日报网.2024-11-02

直击｜江门中微子实验探测器建设完成过半，预计明年建成运行.今日头条.2024-11-02

地下700米!江门中微子实验巨型“变形金刚塔”已建成.地下700米!江门中微子实验巨型“变形金刚塔”已建成.2024-11-02

曹俊：为做闪烁体容器，我们翻遍了全国玻璃罐厂家.今日头条.2024-11-03

寻找宇宙“隐形人”!中核集团成功研制我国首个固体阵列反中微子探测原理装置.国家能源局.2024-11-03