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來源：互聯(lián)網(wǎng)

中微子探測器（Neutrino detector），是觀測中微子的實驗設(shè)備。中微子探測器技術(shù)可廣泛用于先進反應(yīng)堆、核材料生產(chǎn)堆、乏燃料貯存與處置等設(shè)施的保障監(jiān)督與核查。

1956年，美國科學(xué)家通過反應(yīng)堆中微子實驗首次檢測出中微子信號。此后，法國舒茲實驗等通過改進反應(yīng)堆中微子探測器技術(shù)，提升中微子探測器的探測效率和置信度。20世紀80年代開始，多國在測定了反應(yīng)堆主要核素的特征中微子能譜后，進行了一些以增強核安全技術(shù)手段為目的的反應(yīng)堆中微子探測器實驗。2002年，日本神岡反應(yīng)堆中微子實驗將1000噸中微子探測器部署在地下等效水深2700米處。2007年，美國小型中微子探測器桑格斯證明通過測量中微子通量和能譜可監(jiān)測反應(yīng)堆運行狀態(tài)。2012年，由中國科學(xué)家主持的大亞灣反應(yīng)堆中微子探測器發(fā)現(xiàn)了中微子第三種振蕩模式。2016年，法國的中微子探測器探測出堆芯內(nèi)钚含量。2022年5月，中國主持的第二個大型中微子實驗項目——江門中微子實驗建設(shè)，其核心探測設(shè)備——中微子探測器位于地下實驗大廳內(nèi)44米深的水池中央。截至2023年6月，中國江門中微子探測器實驗裝置的土建工程基本完成。2024年，該中微子探測器開始灌裝液體的工作并運行取數(shù)，預(yù)計率先在全球測得關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

深埋地下的中微子探測器主要采用圓柱型/柱型結(jié)構(gòu)、聚甲基丙烯酸甲酯球體結(jié)構(gòu)或氣球（薄膜）結(jié)構(gòu)，而海底探測器則主要采用線型結(jié)構(gòu)。中微子探測器加深了對于物理學(xué)的理解，尋找空間的點源(中微子天文)。目前提出的小型中微子探測器主要基于IBD反應(yīng)進行開發(fā)，其擁有較大的反應(yīng)截面、噪聲本底處理相對較容易、研究比較成熟，基于CEvNS的探測技術(shù)近年來取得了很大突破，但由于噪聲本底復(fù)雜，對低能中微子探測效率優(yōu)勢不明顯。后續(xù)可針對不同本底來源進行模擬研究，并采取智能算法對數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練、清洗，進一步提高本底排除能力，同時還需對探測器結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集工具進行進一步優(yōu)化。

發(fā)展歷史

自奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?/a>1930年提出中微子預(yù)言后，1956年，美國科學(xué)家通過反應(yīng)堆中微子實驗首次檢測出中微子信號。此后，法國舒茲實驗等通過改進反應(yīng)堆中微子探測器技術(shù)，提升中微子探測器的探測效率和置信度。20世紀80年代開始，多國在測定了反應(yīng)堆主要核素的特征中微子能譜后，進行了一些以增強核安全技術(shù)手段為目的的反應(yīng)堆中微子探測器實驗。在各國中反應(yīng)堆中微子探測器技術(shù)成為應(yīng)用主流。

中、美、法、加、日等國陸續(xù)開展了一些驗證性實驗。2002年，日本神岡反應(yīng)堆中微子實驗將1000噸中微子探測器部署在地下等效水深2700米處，與50多座動力堆的加權(quán)平均距離是180千米，首次觀測到反應(yīng)堆中微子振蕩，有助于確定中微子是具有質(zhì)量的粒子，且不同味的中微子的質(zhì)量也是不同的。美國桑迪亞國家實驗室和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研發(fā)的640千克小型中微子探測器桑格斯，2007年證明通過測量中微子通量和能譜可監(jiān)測反應(yīng)堆運行狀態(tài)。2012年，由中國科學(xué)家主持的大亞灣反應(yīng)堆中微子探測器發(fā)現(xiàn)了中微子第三種振蕩模式，被國際粒子物理界評價為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。法國在距離奧西里斯研究堆7米處部署800千克中微子探測器，2016年探測出堆芯內(nèi)钚含量。

2020年，美國錢德勒實驗通過使用80千克固體閃爍體，實現(xiàn)了小型化、可移動、地表探測器原型部署。隨著探測器技術(shù)成熟及對反應(yīng)堆中微子研究的加深，美國能源部反應(yīng)堆中微子探測器技術(shù)實用化研究小組2021年發(fā)布報告，認為探測器技術(shù)已具有實用化潛力。2022年5月，在江門市打石山地下700米深處，中國主持的第二個大型中微子實驗項目——江門中微子實驗建設(shè)中，其核心探測設(shè)備——中微子探測器位于地下實驗大廳內(nèi)44米深的水池中央。

2023年3月，加拿大大薩德伯里+中微子觀測國際合作組首次使用純水監(jiān)測遠達240千米以外的反應(yīng)堆運行狀況。另還有美英守望者實驗正在建造千噸級中微子探測器，目標是展示使用摻釓水切倫科夫中微子探測器對25千米以外英國哈特爾普爾反應(yīng)堆的監(jiān)測能力。截至同年6月，中國江門中微子實驗裝置的土建工程基本完成，中微子探測器的建設(shè)也已經(jīng)完成了過半。2024年，該中微子探測器開始灌裝液體的工作并運行取數(shù)，預(yù)計率先在全球測得關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

工作原理

所有的基本粒子，除了特定波長范圍內(nèi)（400納米-760納米）的光子，都是肉眼不可見的。為了研究這些粒子的性質(zhì)，就要把它們所攜帶的信息轉(zhuǎn)換為可以直接觀測的量。20世紀初，歐內(nèi)斯特·盧瑟福在進行氦原子核轟擊金箔的實驗時，就是使用熒光屏觀測散射后的氨原子核的。當(dāng)氨原子核擊中熒光屏的某個部位時，會放出微弱的光。盧瑟福和他的學(xué)生借助于光學(xué)儀器，用肉眼觀測這些微弱的發(fā)光，確定了氦原子核擊中的位置，從而確定了散射角度。

反應(yīng)堆中微子主要源自堆芯核反應(yīng)，富中子核素經(jīng)過β衰變，產(chǎn)生電子反中微子（稱“反應(yīng)堆中微子”）。一座熱功率百萬千瓦反應(yīng)堆每秒鐘可以產(chǎn)生約1020個中微子。反應(yīng)堆中微子數(shù)量與反應(yīng)堆功率成正比，其信號能反映出裂變源性質(zhì)。但中微子只參與弱相互作用，極難探測。中微子探測器利用中微子與質(zhì)子發(fā)生的逆β衰變反應(yīng)探測反應(yīng)堆中微子。

中微子與物質(zhì)相互作用過程因能量高低而存在差異，目前的小型中微子探測器均針對地球中微子、反應(yīng)堆中微子研制，反應(yīng)堆中微子探測原理主要有：(1)中微子在質(zhì)子上俘獲，生成1個正電子和1個中子，也叫反B衰變(inverse beta decay，IBD)，這是最常用的探測方式，正電子與負電子淹沒放出2個反向的0.5 MeV光子形成快信號，中子經(jīng)過慢化吸收放出若干個光子形成慢信號，通過快慢信號符合可準確測量反電子中微子。(2)中微子在電子上散射，反應(yīng)截面比IBD小幾倍，而且很難跟本底分開，只有幾個測量中微子磁矩的實驗采用。(3)中微子與原子核發(fā)生相干散射過程，中微子是一次與原子核內(nèi)所有核子發(fā)生散射，根據(jù)量子力學(xué)，反應(yīng)的振幅等于所有核子相加，因此正比于核子數(shù)，而反應(yīng)的截面是振幅的平方，也就是正比于核子個數(shù)的平方。

結(jié)構(gòu)組成

以中微子探測器為核心探測設(shè)備的中微子實驗裝置一般由中心探測器、反符合探測器、水池等部分組成。而中心探測器的有機玻璃球（直徑35.4米）內(nèi)部將加滿液體閃爍體（以下簡稱“液閃”），其潔凈度要求極高，如在2萬噸液閃中最多允許有0.008克灰塵總量，在有機玻璃球外部則布滿高純水。

探測器采用多個單元的陣列結(jié)構(gòu)，其目的是利用各個單元對中微子信號和本底響應(yīng)的差異進行本底的抑制。不同種類粒子單元的響應(yīng)差異越大，區(qū)分越明顯。當(dāng)探測器單元為10cmx10cmx100cm的長方體時本底與IBD信號呈現(xiàn)較好的區(qū)分程度。采用 Geant4(10.6 版本)設(shè)計了由6x6個塑料閃爍體組成的閃爍體陣列。閃爍體陣列之間填以A1膜作為反射層，在陣列外圍使用摻硼聚乙烯(BP)和鉛(Pb)以屏蔽環(huán)境中的y射線和快中子。環(huán)境中的快中子經(jīng)過BP層被慢化最后被俘獲，Pb層則屏蔽了中子被BP層俘獲產(chǎn)生的y射線。在計算中考慮到探測器成本以及整體尺寸，采用的BP與Pb層厚度同為5 cm。其中BP層可以屏蔽65%的中子本底，Pb層可以屏蔽80%的y本底。

應(yīng)用領(lǐng)域

中微子探測器是觀測中微子的實驗設(shè)備。在保障監(jiān)督與核查領(lǐng)域，中微子探測器技術(shù)可廣泛用于先進反應(yīng)堆、核材料生產(chǎn)堆、乏燃料貯存與處置等設(shè)施的保障監(jiān)督與核查。最具應(yīng)用潛力的是開展非侵人性反應(yīng)堆保障監(jiān)督、新型反應(yīng)堆非固體核燃料或頻繁更換燃料場景保障監(jiān)督、反應(yīng)堆內(nèi)易裂變材料存量監(jiān)測和反應(yīng)堆秘密生產(chǎn)核材料行為探知。在核事故響應(yīng)和處置領(lǐng)域，如福島核事故中，一些關(guān)鍵區(qū)域的輻射水平過高導(dǎo)致探測儀表無法運作，極大妨礙了事故后制定應(yīng)急響應(yīng)對策和處置方案。對于堆芯熔化事故，中微子探測器原則上可以指示正在發(fā)生的裂變反應(yīng)確定堆芯組件與乏燃料狀態(tài)，同時不會對事故源項產(chǎn)生干擾。在反應(yīng)堆儀表控制領(lǐng)域，中微子探測器可為部分動力堆嚴酷環(huán)境下的儀表提供交叉校正，如作為沸水堆的再校準參考。中微子探測器系統(tǒng)開發(fā)既可以獨立于反應(yīng)堆設(shè)計細節(jié)，也可以與反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計集成節(jié)省更多成本。

關(guān)鍵技術(shù)

探測材料技術(shù)

閃爍體材料

高發(fā)光效率，閃爍體是探測器的核心材料之一，用于捕獲中微子并將其能量轉(zhuǎn)換為光信號。提高閃爍體的發(fā)光效率能增強探測器的靈敏度。例如通過添加特定的熒光分子來提升發(fā)光效率，像液體閃爍體中常用的三聯(lián)苯等有機熒光物質(zhì)，在中微子引發(fā)的粒子碰撞后能高效發(fā)出光子。

優(yōu)化能量分辨率，不同的閃爍體配方和材料結(jié)構(gòu)會影響能量分辨率，通過混合不同的溶劑和溶質(zhì)可調(diào)整閃爍體對中微子能量的分辨能力，以便更精準地測量中微子的能量。

光電探測器材料

光電倍增管（PMT），作為將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的關(guān)鍵設(shè)備，其光電陰極材料的量子效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)的雙堿金屬光電陰極材料在一定波長范圍內(nèi)具有較高的量子效率；倍增極材料的性能也很關(guān)鍵，如具有良好二次電子發(fā)射特性的 BeO、MgO 等材料可確保光電子在倍增極之間有效倍增，放大微弱的光信號。

硅光電倍增管（Si - PM），基于硅半導(dǎo)體材料的新型光電探測器，其微單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料特性決定性能。通過優(yōu)化硅材料的摻雜工藝可提高 Si - PM 的增益和光子探測效率，并且由于其增益對溫度敏感，需要采用溫度補償技術(shù)確保信號放大的穩(wěn)定性。

探測器結(jié)構(gòu)與屏蔽技術(shù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

容器結(jié)構(gòu)設(shè)計：對于大型液體閃爍體探測器，容器結(jié)構(gòu)要承受巨大的液體壓力。例如江門中微子實驗的探測器采用球形聚甲基丙烯酸甲酯容器，球形結(jié)構(gòu)能均勻分散液體壓力；探測器內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)需合理設(shè)計，以固定光電探測器并確保位置精度。

多層探測器結(jié)構(gòu)布局：在多層探測器結(jié)構(gòu)中，各層之間的間距和布局需要精心設(shè)計，以滿足不同的探測功能需求。

數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)

數(shù)據(jù)清洗與篩選：中微子探測器會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，其中包含噪聲和干擾數(shù)據(jù)。通過設(shè)置信號強度閾值去除低于閾值的信號，根據(jù)信號的時間和空間分布特征篩選出符合中微子信號特征的數(shù)據(jù)，排除異常信號。

物理數(shù)據(jù)分析：在清洗和篩選后的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行物理數(shù)據(jù)分析，如對中微子信號的能量分布和時間序列進行統(tǒng)計分析，研究中微子的振蕩現(xiàn)象；利用擬合算法將實驗數(shù)據(jù)與理論模型進行對比，確定中微子的振蕩參數(shù)等物理量。

常見分類

深埋地下的中微子探測器主要采用圓柱型/柱型結(jié)構(gòu)、有機玻璃球體結(jié)構(gòu)或氣球(薄膜)結(jié)構(gòu)，而海底探測器則主要采用線型結(jié)構(gòu)。

圓柱型結(jié)構(gòu)

圓柱體結(jié)構(gòu)的探測器是中微子探測器中一個非常典型的結(jié)構(gòu)形式，選大亞灣中微子探測器來介紹它的結(jié)構(gòu)形式。大亞灣核電站在反應(yīng)堆中微子實驗上有得天獨厚的優(yōu)勢，不僅反應(yīng)堆的總功率大，更重要的是附近有山，可以建立地下實驗室，以提供足夠的屏蔽，對低能量、低事例率、高精度的中微子實驗來說，減少宇宙射線和天然放射性本底是最重要的前提。世界上其他可能用來做此類實驗的核電站附近都缺乏足夠的巖石覆蓋四，因此，該實驗選擇在大亞灣核反應(yīng)堆群之間進行，這也是中國科學(xué)院高能物理研究所關(guān)于中微子實驗的一期工程。

有機玻璃球體結(jié)構(gòu)

位于加拿大的大薩德伯里SNO中微子探測器的支撐結(jié)構(gòu)為有機玻璃球結(jié)構(gòu)，其中心探測器是一個直徑為12m的有機玻璃球，它被10根合成纖維制成的繩索所支撐，球中裝有1000噸重水。圍繞有機玻璃球的是直徑為17.8m的不銹鋼網(wǎng)架球，上面裝有9438個朝內(nèi)的光電倍增管。整個裝置放置在一個桶狀的洞內(nèi)，洞的直徑為22m，高34m，并且裝滿純水，以起到支撐和防護作用。

氣球（薄膜）結(jié)構(gòu)

已建的氣球(薄膜)方案中，位于意大利的Borexino中微子探測器最具代表性，Borexino探測器的特點在于裝內(nèi)部液體閃爍體的裝置為氣球--以尼龍材料制成的薄膜。裝置最外層是直徑18米的水罐，水罐內(nèi)裝有純水，純水內(nèi)側(cè)是直徑為13.7米的不銹鋼球體，球體的內(nèi)側(cè)固定著2240個光電倍增管，用于接收中微子與液閃反應(yīng)產(chǎn)生的光。探測器中心有外層和內(nèi)層尼龍薄膜，內(nèi)層與外層尼龍薄膜以及外層薄膜與不銹鋼球罐之間裝有緩沖液，緩沖液的作用是防止光電倍增管上玻璃輻射到液閃上，減小系統(tǒng)測量的誤差。內(nèi)層薄膜里面裝有液體閃爍體，液閃的成分主要是三甲苯，總質(zhì)量為300噸。圖中直徑為6米的虛線只是做物理標記用，實際上不存在。虛線外側(cè)的液閃可能受到放射性污染，為了增加測量的精度，數(shù)據(jù)分析時主要采用虛線內(nèi)側(cè)的液閃。緩沖液的密度與液閃的密度幾乎一樣，因此內(nèi)層膜上的應(yīng)力，以及整體受到的浮力很小。為了使膜結(jié)構(gòu)固定，用繩子與其連接。

線型結(jié)構(gòu)

海底的中微子探測器都采用線型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式相對簡單。選ANTARES進行分析，ANTARES 中微子探測器位于地中海海下2475m，離法國土倫海岸40公里。整個探測器由12組線模型組成。這12組線模型相互獨立，相互大約相隔70m。每個線模型總長度為450m，分為25層，每一層裝有三個光學(xué)模塊，所以每個線模型總共有75個光學(xué)模塊。每個線模型都錨固在海底，并且通過連接盒把每個線模型中獲得的光信號傳遞出去。放置在海中的中微子探測器與其他的探測器不同的是，它是用海水或冰(AMANDA、IceCube探測器利用冰)代替液體閃爍體與中微子反應(yīng)，然后通過線模型中的光學(xué)模塊探測出反應(yīng)產(chǎn)生的切倫科夫輻射。

代表性探測器

參考資料：（以上為收錄截至2024年11月全球具有代表性的反應(yīng)堆中微子探測器）

主要特點

優(yōu)點

中微子探測器加深了對于物理學(xué)的理解，尋找空間的點源(中微子天文)。

缺點

大尺度的實驗需要有調(diào)度水或冰的新技術(shù)、事例率低、來自宇宙的本底要求探測器有優(yōu)良的粒子鑒別能力。

發(fā)展趨勢

目前提出的小型中微子探測器主要基于IBD反應(yīng)進行開發(fā)，其擁有較大的反應(yīng)截面、噪聲本底處理相對較容易、研究比較成熟，基于CEvNS的探測技術(shù)近年來取得了很大突破，但由于噪聲本底復(fù)雜，對低能中微子探測效率優(yōu)勢不明顯。由于中微子能量較低，宇宙線、探測器本身以及周圍物質(zhì)的放射性都會帶來大量本底，包括宇宙線繆子及其次生粒子、天然中子及光子放射性等，目前的解決方式是通過在探測器表面覆蓋鉛、水、聚乙烯等進行屏蔽，但對于繆子效果不佳，需要采取符合測量進行排除，可使本底噪聲達到可接受的水平，為了提高探測能力，后續(xù)可針對不同本底來源進行模擬研究，并采取智能算法對數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練、清洗，進一步提高本底排除能力，同時還需對探測器結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集工具進行進一步優(yōu)化。

傳統(tǒng)的中微子探測器體積龐大、難以移動，通過合理的材料組分、結(jié)構(gòu)設(shè)計，中微子探測器的重量也能降到數(shù)噸以內(nèi)，對于核反應(yīng)堆監(jiān)測、潛艇通信、地球物理學(xué)研究等具有潛在應(yīng)用價值，美國、俄羅斯、歐盟等傳統(tǒng)核大國(地區(qū))對小型中微子探測器研究較多，均研制出了原型機，并進行了一定的應(yīng)用測試，日本、韓國、中國臺灣地區(qū)也開展了大量研究，取得了一定成效，總體來看中國目前處于“陪跑”階段，精力也主要集中在大科學(xué)裝置研究上，對于小型探測器研究投人不足，中國科學(xué)院高能物理研究所前期開展過基于兩相液氬的無中微子8衰變探測原理樣機研制，但未見相關(guān)成果公開，上海交通大學(xué)牽頭的Pandax實驗主要用于暗物質(zhì)研究，沒有中微子相干散射的結(jié)果報道，四川大學(xué)在高效中子光子聯(lián)合測量方面有一些積累。

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