為什麼最純淨的水是藍色的?

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今年年初,我又一次來到了大亞灣。

作為大亞灣反應堆中微子實驗的研究者,我對大亞灣的一草一木都已經非常熟悉。然而每一次來,深深吸引著我的,除了實驗和結果,還有那一池最純淨的水。

我在大亞灣反應堆中微子實驗現場。供圖:曹俊。

儘管已經見過很多次了,但當2000噸的純水慢慢灌注到水池中的時候,我們仍會感到震驚:為什麼是如此深藍色的美麗?

就從這次來大亞灣的一個目的——液體閃爍體的置換實驗說起吧。

“看見”中微子

液體閃爍體的作用,是讓我們能“看到”反應堆中生成的中微子。液體閃爍體裡主要是碳氫化合物,有很多的氫。當中微子穿過液體閃爍體時,會跟氫發生反應,生成一個正電子和一箇中子。他們都能在液體閃爍體中產生電離,激發液體閃爍體發光,這樣我們就能“看到”中微子。

對中微子實驗來說,液體閃爍體有幾個效能非常重要:光產額,透明度,天然放射性本底。

為了看得更清楚,大亞灣的液體閃爍體中摻了稀土元素釓,讓中子產生的訊號比天然放射性產生的訊號大很多,這樣跟環境中的天然放射性造成的電離區分開。

大亞灣實驗用的液體閃爍體的透明度已經是世界第一了。但未來的江門中微子實驗用到的探測器更大(比現在世界上最大的1000噸液體閃爍體探測器還要大20倍),因此還需要進一步提高透明度。這樣高的透明度已經無法依靠實驗室的儀器進行可靠的檢測了,因此我們準備把新純化出來的液體閃爍體灌到一個大亞灣探測器中,用大亞灣的探測器來檢測這些液體閃爍體的透明度是否能滿足未來江門更大規模探測器的實驗要求。同時也檢測天然放射性是否達標。這就是這次要做的液體閃爍體置換實驗。

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為了遮蔽來自巖石的天然放射性和去除宇宙線帶來的本底,中微子探測器浸泡在一個巨大的水池中。當宇宙線穿過水的時候,會發出切倫科夫光

(切倫科夫光是介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射,其特點是藍色輝光)。通過探測切倫科夫光,就可以探測到宇宙線的經過,將它引起的假中微子訊號去掉。為了提高宇宙線的探測效率,我們採用了超純水。

灌滿水的水池局部照。供圖:曹俊。

最純淨的水是藍色的

最純淨的水是什麼?是18兆歐的去離子水。如果把水中的雜質全部去掉,水的電阻率會提高,最高可以達到18.2兆歐姆x釐米。溶入雜質後,例如泡在水中的塑料、鋼等材料,都會緩慢地溶進水中,電阻率會下降,透明度也會降低。即使沒有泡任何材料,接觸空氣後,空氣溶入水中,電阻率會很快下降到1-2兆歐,再過幾天,細菌就開始生長。分析光的紫外可見光譜(UV-vis),可以看到由細菌帶來的光吸收峰。從自來水出發,經過幾步過濾、反滲透、樹脂混床,不難得到非常接近18.2兆歐的超純水。但是為了保持純度,需要不停地迴圈,去掉溶入水中的材料微粒,氣體,殺菌等。為了儘量使微弱的切倫科夫光被探測到,水必須保持極高的透明度。衡量透明度一般用衰減長度,衰減長度越長,光透過得越多。最純的水衰減長度在425nm處可以達到100多米,即穿過100多米後,425nm的光還剩exp(-1),約三分之一的光強。普通的自來水衰減長度常常隻有2-3米。

在前期試驗中,我們用過很多純淨水,但是沒有注意到它會呈現出藍色。也許是規模不夠大,也許是觀察的背景和環境不同。在地下的實驗大廳,裝純淨水的池子用一種很乾淨的塗料噴塗了幾遍。它對水的汙染小於不鏽鋼或PP、CPVC等塑料。然後貼上了Tyvek反射膜,提高光的反射和收集效率。這種漫反射膜對整個可見光波段的反射率可以達到98%,因此顯得非常耀眼。

我們看到的水的顏色,當然不是它自己發出來的。在大廳中,照明燈是氣體放電燈,它的發光接近於白色。光穿過10米深的水,通過Tyvek的漫反射,再經過10多米的水,才能到達我們的眼睛。Tyvek基本上不吸收光。純水的吸收曲線如下圖圖a。當光穿過20米的水後,藍光吸收最少,紅光基本上全被吸收了,見下圖圖b。這樣,我們看到的水就是藍色的。

圖a:水的吸收曲線,425nm處吸收最小。供圖:曹俊。

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圖b:照明燈發出的光接近於白光(光譜見下方的直方圖),根據上圖的吸收曲線,可以計算經過20米水的吸收後,各波長的光還剩多少,見衰減曲線。上方標記100%的水平紅線為無衰減的情況。可見光波段為380nm(藍)到780nm(紅)。可見,600nm以上的紅光全部被吸收,黃光和綠光還剩一小部分,420-440nm的藍光還剩90%。因此,經過水的吸收後,到達人眼的光基本上是藍光,因此水池呈現藍色。供圖:曹俊。

其實不需要20米的水,水池剛開始灌水時,就呈現出淡藍色。

剛開始灌水的水池,水已經呈淡藍色。池壁上裝有探測切倫科夫光的光電倍增管(PMT)。供圖:曹俊。

藍色是大自然鍾愛的顏色。

天空是藍色的,是因為瑞利散射的強度與波長的四次方成反比。陽光中的短波長藍光被空氣散射後,使天空呈現藍色。這個機製正好與上面的純水相反。一個是藍光更多地被散射,一個是直射光中紅光被吸收,藍光保留了下來。純水也有瑞利散射,並在更短的波長扮演主要角色,但是425nm藍光的衰減長度仍是最長的,說明吸收和散射都很小。

大亞灣實驗混製的液體閃爍體,也呈現出漂亮的淡藍色。不過既不是因為散射,也不是因為吸收,而是燈光中的紫外線激發液體閃爍體,液體閃爍體自己發出了微弱的藍色熒光。大亞灣液體閃爍體新增了波長移位劑bis-MSB,它的發光光譜峰值在410nm左右。

液體閃爍體發光微弱的藍光。供圖:曹俊。

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還有一種水也是非常漂亮的藍色,就是核電站核島記憶體放核廢料的乏燃料水池。換料時,乏燃料棒用機械手從反應堆內取出,移到裝滿水的乏燃料池中存放比較長的一段時間,再做進一步處理。不過不要被這種藍色的美麗所誘惑,它是一種切倫科夫光,是核廢料中高強度的放射性在水中發出的光。如果沒有水的吸收遮蔽,這些放射性可是致命的。

每一次來到大亞灣,都會給我帶來新的驚喜。

本文作者:曹俊,中國科學院高能物理所研究員,從事大亞灣反應堆中微子實驗研究

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本文來自果殼網

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