世界最大的有機玻璃球落户江門中微子實驗

8月26日，廣東江門中微子實驗(JUNO)已成功完成2萬噸液體閃爍體灌注，並正式運行取數。經過十余年的準備和建設，JUNO成為國際上首個建成的新一代大型中微子實驗裝置。

據江門中微子實驗發言人中國科學院院士王貽芳介紹，江門中微子有機玻璃探測器是一個有效質量2萬噸的液體閃爍體探測器，在完成液閃灌裝后將承受3000多噸的純浮力作用，其最內層的有機玻璃球，由江蘇湯臣集團旗下的湯臣(江蘇)材料科技股份有限公司(以下簡稱「湯臣科技」)承建。

這個堪稱世界之最的有機玻璃球，直徑達35.4米。它由263塊厚度為120毫米的烘彎球面板以及上下煙囪，通過無縫拼接技術組裝而成，有機玻璃淨重約600噸。

多年以來，江蘇湯臣集團始終致力於成為全球最具競爭力的亞克力綜合供應商。湯臣科技作為集團旗下的高新技術企業，專注於澆鑄型工業有機玻璃(亞克力)板材的研發設計與生產製造。公司不僅起草制定了1項國際標準、4項國家標準和4項行業標準，還具備強大的生產研發能力，年產澆鑄型亞克力板材數萬噸。其自主研發的特大特厚板一次成形最大尺寸可達3.4×11.5m，最大厚度可達250mm，複合厚度超過1000mm。公司先后開發了涵蓋透明板、彩色板、導光板、聲屏板、衞浴板等12大系列產品、200余款產品，為行業產品應用提供全方位的材料和功能性解決方案，廣泛應用於廣告、醫療、軌道交通等領域，產品遠銷中東、東南亞、北歐、西歐、南美洲等70多個國家和地區。

在參與廣東江門中微子探測實驗裝置建設項目之前，湯臣科技已在國內外重點工程領域留下了諸多輝煌印記。由其通過包埋工藝精心打造的60686根亞克力杆，組成了舉世聞名的上海世博會英國館「種子聖殿」。這些杆的頂部藏着形態各異的種子，「種子聖殿」宛如植物生命體的活檔案，也標誌着湯臣科技成功打破國外品牌對全球亞克力高端領域的壟斷。2022年冬奧會期間，湯臣科技作為全球亞克力綜合供應商，將亞克力厚板以及亞克力異型户外景觀結構的設計加工解決方案應用於鳥巢冬奧會的主題景觀中，攜手北京冬奧會向世界展示了中國在亞克力設計、製造、應用方面的領先水平。目前，湯臣科技通過持續的技術改進，研發出性能卓越的航空板，並將工程案例中的雙曲面成型技術應用於e-VTOL輕量化風擋視窗解決方案中，助力全球低空經濟的快速成長。

湯臣集團董事長湯月生回憶，「剛接到江門有機玻璃球項目時，我們既滿懷向往、興趣盎然，又深知面臨着巨大挑戰。雖然我們擁有多年研發、生產有機玻璃的成功經驗和眾多案例，但是中微子探測球體用有機玻璃的材料有特殊要求，必須滿足低本底、高通透性的功能需求。然而，這種特殊材料又具有更硬、更難以加工的特點。球體結構的每一塊球面板在建造過程中不能有任何氣泡，放射性雜質要降至最低水平。」

這個直徑35.4米的龐大球體，由23層共計263塊球面板和上下煙囪構成。其殼體採用120mm厚的有機玻璃材料，猶如雞蛋殼般輕薄，要將透明如蛋殼的「玻璃球」灌注滿液體，使其變成實心「水晶球」，這一技術突破堪稱站在極限挑戰的巔峰。

在製造過程中，120mm厚的有機玻璃材料需經過高温熱成型處理，在此過程中要克服長時間高温狀態下材料的黃變特性，將透光率損失控制在2%以內。中微子探測器的有機玻璃球直徑35.4米，設計要求實際球心相對理論球心的允許偏差在X、Y、Z軸方向均控制在±20mm以內，這對有機玻璃的加工製造提出了前所未有的超高要求。除了選用高精度的大型五軸加工中心外，還需對材料在不同工序的加工温度、烘彎成型精度、節點包埋點位精度等進行全過程精準控制。

為攻克上述難題，公司開闢生產專線，新建高標準車間廠房，購置包括24小時恆温車間在內的各類智能數字化生產設施，改進生產工藝和材料成分。期間，公司突破了無縫拼接、透光率、局部退火、低本底控制等多項技術壁壘，成功攻克項目進程中的一系列難題。其中，球面板的烘彎成型工藝研究就耗時1年多。

2019年7月，有機玻璃球面板通過批量生產工藝評審。歷經約3年時間，在2022年6月，球面板、節點及部件通過首批次出廠驗收。同年7月，正式進入有機玻璃球體的地下試驗室安裝現場，開啟安裝工作。在地下700米的液體灌裝間里，水經過層層過濾變成超純水，以每小時100噸的流量進入探測器水池進行液體灌注。液體灌注分成兩步進行，前2個月將超純水灌滿中心探測器有機玻璃球內外空間，再用6個月將有機玻璃球內部的超純水置換為液體閃爍體。液體灌注完成后，探測器里的空心「玻璃球」變成了一隻泡在超純水里且裝滿液體閃爍體的「水晶球」。

江門中微子實驗項目常務副經理、中國科學院高能物理所所長曹俊介紹，與目前國際上獲得諾貝爾物理獎的加拿大SNO實驗所用的有機玻璃球相比，江門中微子實驗中心探測器中的液體閃爍體體積增大了20倍，光電子產額增大了3倍，能量分辨率也達到前所未有的3%。這對有機玻璃球粘接提出了更高要求，粘接需要採用大體量注料、聚合、退火的本體聚合技術，粘接縫總長度約2公里，並採用特殊方法對粘接縫進行保護。

回顧生產的過程，湯臣科技板材研發技術副總經理肖建霞感嘆道：「我們針對項目的指標要求，設計了數十種配方，通過上百次的實驗，聯合第三方檢測機構篩選出9個配方。經過長時間的測試和研究，最終在中國科學院、清華大學、北京大學、航天航空研究院等知名高校和科研院所專家的指導下，結合各項測試結果評審，確定了公司的其中一種配方。」

整個安裝過程同樣超乎想象。負責現場安裝的湯臣科技總工程師張高峰説，「從2022年6月開始，我們共組織了上百人的13個施工批次，動用50多臺車。產品歷經1800公里遠程運輸到達現場地面，再通過地下的斜井轉移至試驗大廳平臺進行吊裝。歷經30個月的艱苦奮戰，通過了專家組的評審和驗收。經過2個月超純水灌裝過程的壓力考驗，於25年2月順利通過灌裝階段專家組的評審和驗收，正式進入液閃置換階段。」

「通過優化生產線和工序，我們湯臣科技的中標價僅為國外同行的六分之一。但我們能參與到這項目，為國家科技發展貢獻一份力量，感到無比自豪。這不僅是對公司實力的認可，更是讓我們在行業中實現了引領性的技術創新和突破。」湯月生自豪地説。

從2015年開啟實驗研發，到2019年開工製造，再到2022年現場組裝，直至2024年底成功灌裝，他們歷經10年不懈努力，勇敢地站在了極限挑戰的巔峰，書寫了屬於自己的輝煌篇章。如今，這一技術已應用到公司承建的其他項目中，如無縫拼接的海洋館隧道、國內首例以亞克力作為結構件應用在建築領域中的江蘇園博園未來花園項目等。(張波鳴馬)