为什么最纯净的水是蓝色的？
今年年初，我又一次来到了大亚湾。
作为大亚湾反应堆中微子实验的研究者，我对大亚湾的一草一木都已经非常熟悉。然而每一次来，深深吸引着我的，除了实验和结果，还有那一池最纯净的水。
我在大亚湾反应堆中微子实验现场。供图：曹俊。
尽管已经见过很多次了，但当2000吨的纯水慢慢灌注到水池中的时候，我们仍会感到震惊：为什么是如此深蓝色的美丽？
就从这次来大亚湾的一个目的----液体闪烁体的置换实验说起吧。
“看见”中微子
液体闪烁体的作用，是让我们能“看到”反应堆中生成的中微子。液体闪烁体里主要是碳氢化合物，有很多的氢。当中微子穿过液体闪烁体时，会跟氢发生反应，生成一个正电子和一个中子。他们都能在液体闪烁体中产生电离，激发液体闪烁体发光，这样我们就能“看到”中微子。
对中微子实验来说，液体闪烁体有几个性能非常重要：光产额，透明度，天然放射性本底。
为了看得更清楚，大亚湾的液体闪烁体中掺了稀土元素钆，让中子产生的信号比天然放射性产生的信号大很多，这样跟环境中的天然放射性造成的电离区分开。
大亚湾实验用的液体闪烁体的透明度已经是世界第一了。但未来的江门中微子实验用到的探测器更大（比现在世界上最大的1000吨液体闪烁体探测器还要大20倍），因此还需要进一步提高透明度。这样高的透明度已经无法依靠实验室的仪器进行可靠的检测了，因此我们准备把新纯化出来的液体闪烁体灌到一个大亚湾探测器中，用大亚湾的探测器来检测这些液体闪烁体的透明度是否能满足未来江门更大规模探测器的实验要求。同时也检测天然放射性是否达标。这就是这次要做的液体闪烁体置换实验。
为了屏蔽来自岩石的天然放射性和去除宇宙线带来的本底，中微子探测器浸泡在一个巨大的水池中。当宇宙线穿过水的时候，会发出切伦科夫光（切伦科夫光是介质中运动的电荷速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射，其特点是蓝色辉光）。通过探测切伦科夫光，就可以探测到宇宙线的经过，将它引起的假中微子信号去掉。为了提高宇宙线的探测效率，我们采用了超纯水。
灌满水的水池局部照。供图：曹俊。
最纯净的水是蓝色的
最纯净的水是什么？是18兆欧的去离子水。如果把水中的杂质全部去掉，水的电阻率会提高，最高可以达到18.2兆欧姆x厘米。溶入杂质后，例如泡在水中的塑料、钢等材料，都会缓慢地溶进水中，电阻率会下降，透明度也会降低。即使没有泡任何材料，接触空气后，空气溶入水中，电阻率会很快下降到1-2兆欧，再过几天，细菌就开始生长。分析光的紫外可见光谱（UV-vis），可以看到由细菌带来的光吸收峰。从自来水出发，经过几步过滤、反渗透、树脂混床，不难得到非常接近18.2兆欧的超纯水。但是为了保持纯度，需要不停地循环，去掉溶入水中的材料微粒，气体，杀菌等。为了尽量使微弱的切伦科夫光被探测到，水必须保持极高的透明度。衡量透明度一般用衰减长度，衰减长度越长，光透过得越多。最纯的水衰减长度在425nm处可以达到100多米，即穿过100多米后，425nm的光还剩exp(-1)，约三分之一的光强。普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。
在前期试验中，我们用过很多纯净水，但是没有注意到它会呈现出蓝色。也许是规模不够大，也许是观察的背景和环境不同。在地下的实验大厅，装纯净水的池子用一种很干净的涂料喷涂了几遍。它对水的污染小于不锈钢或PP、CPVC等塑料。然后贴上了Tyvek反射膜，提高光的反射和收集效率。这种漫反射膜对整个可见光波段的反射率可以达到98%，因此显得非常耀眼。
我们看到的水的颜色，当然不是它自己发出来的。在大厅中，照明灯是气体放电灯，它的发光接近于白色。光穿过10米深的水，通过Tyvek的漫反射，再经过10多米的水，才能到达我们的眼睛。Tyvek基本上不吸收光。纯水的吸收曲线如下图图a。当光穿过20米的水后，蓝光吸收最少，红光基本上全被吸收了，见下图图b。这样，我们看到的水就是蓝色的。
图a：水的吸收曲线，425nm处吸收最小。供图：曹俊。
图b：照明灯发出的光接近于白光（光谱见下方的直方图），根据上图的吸收曲线，可以计算经过20米水的吸收后，各波长的光还剩多少，见衰减曲线。上方标记100%的水平红线为无衰减的情况。可见光波段为380nm（蓝）到780nm（红）。可见，600nm以上的红光全部被吸收，黄光和绿光还剩一小部分，420-440nm的蓝光还剩90%。因此，经过水的吸收后，到达人眼的光基本上是蓝光，因此水池呈现蓝色。供图：曹俊。
其实不需要20米的水，水池刚开始灌水时，就呈现出淡蓝色。
刚开始灌水的水池，水已经呈淡蓝色。池壁上装有探测切伦科夫光的光电倍增管（PMT）。供图：曹俊。
蓝色是大自然钟爱的颜色。
天空是蓝色的，是因为瑞利散射的强度与波长的四次方成反比。阳光中的短波长蓝光被空气散射后，使天空呈现蓝色。这个机制正好与上面的纯水相反。一个是蓝光更多地被散射，一个是直射光中红光被吸收，蓝光保留了下来。纯水也有瑞利散射，并在更短的波长扮演主要角色，但是425nm蓝光的衰减长度仍是最长的，说明吸收和散射都很小。
大亚湾实验混制的液体闪烁体，也呈现出漂亮的淡蓝色。不过既不是因为散射，也不是因为吸收，而是灯光中的紫外线激发液体闪烁体，液体闪烁体自己发出了微弱的蓝色荧光。大亚湾液体闪烁体添加了波长移位剂bis-MSB，它的发光光谱峰值在410nm左右。
液体闪烁体发光微弱的蓝光。供图：曹俊。
还有一种水也是非常漂亮的蓝色，就是核电站核岛内存放核废料的乏燃料水池。换料时，乏燃料棒用机械手从反应堆内取出，移到装满水的乏燃料池中存放比较长的一段时间，再做进一步处理。不过不要被这种蓝色的美丽所诱惑，它是一种切伦科夫光，是核废料中高强度的放射性在水中发出的光。如果没有水的吸收屏蔽，这些放射性可是致命的。
每一次来到大亚湾，都会给我带来新的惊喜。
本文作者：曹俊，中国科学院高能物理所研究员，从事大亚湾反应堆中微子实验研究
编辑：明天 Sol_阳阳
排版：Sol_阳阳
科学人问答
欢迎个人转发至朋友圈
本文来自果壳网
转载请联系授权
投稿请联系
近期热文（点击关键词即可阅读）
科研最新进展，学术最新动态
顶级学者的思考和见解
长按二维码关注科学人
（微信号：scientific_guokr）
此文已阅，点个赞
点击“阅读原文”再阅读作者的文章
寻找三体中的水滴杀手
责任编辑：
声明：本文由入驻搜狐号的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。
今日搜狐热点百度拇指医生
&&&普通咨询
您的网络环境存在异常，
请输入验证码
验证码输入错误，请重新输入