赵　蕊　　姚　祎

（安徽科技学院，凤阳　233100）

1 引言

　　粒子物理、天体物理、宇宙学等物理学发展，拓展了人类实践活动的领域，提升了人类认识世界、改造世界的能力。地下科学实验室（简称地下实验室）因低宇宙线强度、低辐射本底环境等优点成为重要的粒子物理实验研究基地，是国家关键性基础科学研究设施。建设地下实验室，尤其是极深地下实验室意义重大。

　　极深地下实验室的深度目前学界尚未有统一的标准。国外学者一般把地下50米以下分层称为深层深度，我国学者陈志龙将地下空间竖向划分为浅层（地下0 - 30米）、中层（地下30 - 100米）、深层（地下100米以下）三个层次。本文所称极深地下实验室指垂直岩石覆盖厚度在几百米以上，尤其是1000米以上的地下实验室。

　　2010年6月中国在四川锦屏山建成的地下实验室（CJPL）是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2400 米。本文通过中外极深地下实验室建设比较，揭示世界极深地下实验室建设特点，以促进我国极深地下实验室建设发展。

2 国外极深地下科学实验室建设概况

　　国外从上世纪60年代起开始建设地下实验室，至今已有10多个极深地下实验室，容积从几百立方米到十几万立方米不等，包括美国南达科塔州杜赛尔(DUSEL)、加拿大斯诺(SNO)、日本神岗(Kamioka) 、意大利格兰萨索(Gran Sasso)、法国摩丹(Modane)、英国伯毕(Boulby)和俄罗斯伯克山(Baksan) 等极深地下实验室。

　　上述极深地下实验室已经开展过暗物质、双β衰变、中微子等物理实验，以及岩土力学、地球科学、生物学等实验，涉及多个研究方向并取得了重要成果。在几代科学工作者的努力下，各地下科学实验室已经从一个进行天体物理实验的简陋矿井（或隧道）发展到现在可容纳多学科进行前沿科学实验的立体化实验室。

3 中外极深地下科学实验室比较

　　欧洲最早的极深地下实验室位于意大利Granu Sasso，其英文名称为Gran Sasso National Laboratory（简称LNGS），因空间容积大、科技积淀厚而闻名世界。美洲最深的地下实验室DUSEL是Homestake地下实验室的扩建部分，美国科学家雷蒙德·戴维斯在Homestake实验室工作并于2002年获得了世界诺贝尔物理学奖。LNGS和DUSEL是世界极深地下实验室中的典型代表。中国锦屏地下实验室（CJPL）周围天然放射性杂质含量非常低，交通便捷、配套设施完善，成为综合条件比较好的地下实验室。

3.1 LNGS——Gran Sasso地下科学实验室

　　LNGS是意大利Fisica Nucleare（INFN）的国家实验室，该实验室建设得益于意大利总统Zichichi支持。为使本国在世界天体物理学研究中取得优势地位，Zichichi向议会提议并亲自推动LNGS项目建设。LNGS实验室环境条件非常好，其宇宙射线流量比地面低100 万倍，放射性测量比地面低约1000倍。其中可用于实验的区域主要有3个大厅（长100米×宽20 米×高18 米），同时建有90米长的隧道提供配套服务。实验室空间设有办公室、机械车间、仓储设施、化学实验室、电子车间、会议室、电脑网络室、图书馆等，总面积17300平方米，总容积18万立方米。

　　21世纪以来，LNGS建设进入一个新的时代：拥有成熟的科学社区和雄心勃勃的实验室设备。C大厅以及Borexino实验室专门研究太阳发出的中微子能量范围，并在2006年前就已经完成了Gallex/GNO（关于太阳中子）、MACRO（关于磁单极子）、ββH-M、MIBeta（关于双β）、DAMA（关于暗物质）等科学实验，后又开展Dark Matter（暗物质）、Nuclear astrophysics（核天体物理）、Supernova neutrinos（超新星中微子）等试验并取得进展。

3.2 DUSEL—Homestake地下科学实验室

　　Homestake地下科学实验室位于美国南达科他州布莱克山矿井中。该矿已经连续运行125年，生产超过4000万盎司（1134吨）黄金，2001年彻底关闭。由于矿井被清空并保持干燥达一个多世纪，矿井基线水文、热条件等形成了一个理想的深海微生物科研环境。2003年5月经由美国国家科学基金会（NSF）独立调查，选择此处建设DUSEL。该项目工程的挑战性很强，需应对原位应力、流体压力、温度等变化，衡量和修改这些环境条件涉及物理学、生物学、地球科学和工程学等多门学科。

　　DUSEL属于Homestake地下实验室的扩建项目，是一个多功能极深地下实验室，目前仍处于建设过程之中。该实验室建设虽然利用原有矿井条件极大地降低了成本，但是由于地下沉积岩密集、项目施工难度大，美国政府投入了大量资金，并专门安排国家科学基金会（NSF）、国家科学委员会（NSB）等机构负责协调项目建设。

　　DUSEL不仅可以开展暗物质探测、中微子探测、双β衰变、核天体物理实验，而且能够实施科学、技术、工程创新，包括微生物学研究以及低截面测量、钻探技术、地下成像、分析技术、纯晶体创作研究等。DUSEL项目建设使美国拥有了世界顶级地下科学和工程实验室，创建了全球地下科学研究合作平台，确立了其在国际地下科学研究中的领先地位。

3.3 CJPL——锦屏地下科学实验室

　　CJPL位于中国四川省锦屏山交通隧道内（建水电站施工车辆的通道），垂直岩石覆盖厚度全球最深，其宇宙线通量相当于地面的亿分之一甚至更小，比LNGS低约100倍。该实验室（一期）长40米，宽和高各6 米，于2010年建成并投入使用。由清华大学主导，四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和雅砻江流域水电开发有限公司等单位参与的中国暗物质实验（China Dark Matter Experiment，CDEX）合作组，进驻实验室开展暗物质研究。2014年实验室二期工程启动，包括8个实验室以及辅助设施，总容积达12万立方米，建成后能容纳更多的科学实验项目。

　　目前，CDEX合作组已建立了一支涵盖粒子物理实验、探测技术、电子学、数据获取、辐射防护、低本底测量、暗物质理论等学科共70多位科学家的研究队伍，与台湾“中研院”物理研究所、韩国首尔大学、德国慕尼黑马普物理研究所等单位开展合作研究。CDEX最新研究成果在《物理评论D》上发表，其获得了点电极高纯锗探测器在10GeV以下能区里最灵敏的暗物质实验结果。CJPL吸引了国内外从事暗物质、双β衰变、中微子实验以及高能加速器粒子物理等科学家，希望合作开展基础前沿研究和前沿应用研究。

4 极深地下实验室建设的特点分析

　　极深地下实验室建设由于环境勘测难、建设周期长、项目投资大等原因成为世界难题，虽然各国科学的发展对地下实验室都有强烈需求，但是目前全球极深地下实验室数量仍然较少。极深地下实验室建设对选址环境、设备设施、管理机制等方面有特殊要求，且不同实验对环境需求也不一样。通过比较与综合LNGS、DUSEL、CJPL建设共同点，可发现世界极深地下实验室建设在地下空间开发方面的一般规律。

4.1 项目选址多在废弃矿井或交通隧道中

　　首先，矿井或隧道上方覆盖的岩层屏蔽了大量宇宙线，在地下构成“纯净”空间，减少了环境对试验结果的干扰。其次，矿井或隧道为项目考察、论证和施工提供了便利条件，也降低了建设成本。最后，“变废为宝”，促进了资源环境的循环利用。

4.2 规模布局要把环境条件与实验需求结合起来

　　极深地下实验室的规模布局既要考虑到环境特点和承受能力，又要结合科学实验的实际需求，不能“贪大、求深”，要尽可能利用现有资源条件，减少地质地貌破坏，尤其是要加强对地下水资源保护，预防对生态环境造成负面影响。另外，极深地下实验室项目施工和运营要有安全保障。

4.3 功能应用的定位必须准确

　　地下实验室功能设计要具有前瞻性、科学性、多样性和示范性。要能满足不同学科领域的实验需要，要能促进科研团队合作、科技创新，要能实现资源共享，为其他地下实验室建设提供经验和示范。

4.4 审批程序结合国情

　　清华大学多年来一直在寻找合适的地点建设地下实验室，2007年偶然获得了锦屏山要凿洞修建水电站的消息，随即申报“中国锦屏地下实验室”建设项目，2009年即与有关公司签署了锦屏地下实验室施工协议，该项目从发现机遇到项目完成仅耗时1年半。

　　国外极深地下实验室建设一般都要经历严格而复杂的程序，耗时长、效率低。DUSEL扩建项目仅申报审批环节就经历了从规划评估、申报论证、听证谈判到批准拨款等步骤，耗时3年整。按照规划，DUSEL项目完成至少要等到2018年。

5 结语

　　虽然锦屏地下实验室建设具有独特的环境和制度优势，并且已取得初步成果，使中国极深地下实验室建设实现“从无到有”的突破，并跻身于全球地下科学研究前沿，但是比较分析LNGS、DUSEL与CJPL建设不同点，就可以发现中外极深地下实验室建设之间还存在着较大差距。未来中国锦屏地下实验室建设需要不断改革、创新，尽快补齐“短板”。

　　一是锦屏地下实验室关键性设备相对落后。CJPL虽然拥有优越的实验环境条件，但要实现科技创新，还必须重视和加强新理论、新技术的应用，引进和研发关键性设备。虽然实验室关键性设备价格昂贵，用于反应堆e测量的罐形液闪探测器（1-2百吨）价格约1亿元人民币，长基线中微子探测器（以1万吨夹层的铁磁探测器或基于模型结构的10万吨水契仑柯夫探测器为例估算）价格约5-10亿元人民币，但是各国都在地下实验室关键设备上都倾注了大量资本。

　　目前CJPL常驻科研单位正准备更新换代探测设备：清华大学计划从1千克高纯锗探测器向10千克迈进，上海交通大学计划将120千克的液态氙向500千克级的探测器升级，但是这些投入与LNGS、DUSEL相比，还有不小差距。

　　二是中外地下实验室项目资金投入差距悬殊。以LNGS为例，该实验室项目建设不仅得到总统的帮助，还得到了欧洲联盟ILIAS的扶持。ILIAS的目标就是支持欧洲大型天体粒子物理学基础设施建设，不仅在项目启动上提供资金援助，而且在实验室建成后仍继续投入以促进系统升级。

　　与LNGS不同，CJPL虽为“国家重点实验室”，但是项目建设资金来源单一，主要依靠政府投入。据统计，2008年科技部、财政部宣布设立“国家重点实验室专项经费”后，当年下拨经费19.8亿元。但截止2008年3月，我国共建成 220个国家重点实验室，各实验室分摊后所获资金数量其实很有限。另外，每年国家自然科学基金、青年基金等课题研究项目数量也比较少且资助额度不大，对CJPL这类大型实验室项目建设难起作用。在此背景下，CJPL建设资金短缺问题难以避免。

　　三是锦屏地下实验室尚未形成国际竞争力。极深地下实验室促进了地球科学、生物科学、工程科学、天体物理学等学科发展，其蕴含着巨大的科研价值和开发利用潜力。发达国家因采用“科学研发生产体系”发展模式，积极推动科研机构、科学家全球合作与创新，逐渐形成高科技人才“反应堆”，可以说硕果累累。

　　目前全世界科学家都在积极开展交流合作，许多国家的地下实验室吸引到了世界顶级科学家参与科研，如Gran Sasso地下科学实验室，科研人员包括物理学家、工程师、技术员和管理人员等达700多人，分别来自24个国家。相比之下， CJPL科研人员主要来自清华大学和上海交通大学，不仅团队和人员数量少，而且尚未开启实质性的国际合作，要产生具有世界影响的科研成果，还有很长的路要走。

参考文献：

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［2］苏丁丁，熊兴耀，程 鹏.  国家重点实验室建设现状与思考. 实验室研究与探索, 2011, 30(6): 88-91.

［3］http://www.inr.ru/eng/ebno.html

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［7］https://en.wikipedia.org/wiki/Kamioka_Observatory

［8］https://en.wikipedia.org/wiki/SNOLAB

［9］http://www.lngs.infn.it/en

注：未标明资料来源的图表，均由作者提供。