大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆至探測器三維距離的測量

梁 靜 董 嵐 羅 濤 王 銅 劉 璨 李 波 王小龍 門玲鸰

（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆至探測器三維距離的測量

梁 靜 董 嵐 羅 濤 王 銅 劉 璨 李 波 王小龍 門玲鸰

（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的開展需要精確獲取反應(yīng)堆堆芯至中微子探測器的三維距離。本文介紹了在反應(yīng)堆堆芯至探測器三維距離測量的過程中控制網(wǎng)的建立及測量方法，采用GPS全球定位儀、全站儀以及激光跟蹤儀聯(lián)合測量的方式實(shí)現(xiàn)距離測量，并利用多種軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行平差處理及分析。最終，反應(yīng)堆堆芯至中微子探測器的三維距離精度滿足±40 mm設(shè)計(jì)要求。

大亞灣反應(yīng)堆，中微子，距離測量，精度

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)是我國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國際合作項(xiàng)目[1]。實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)是通過探測核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測定sin22θ13[2]。實(shí)驗(yàn)的開展需要確定核電內(nèi)反應(yīng)堆堆芯到實(shí)驗(yàn)大廳中微子探測器的三維距離。反應(yīng)堆位于核電站內(nèi)，由三個(gè)機(jī)組組成，分別是大亞灣反應(yīng)堆機(jī)組、嶺澳一期機(jī)組和嶺澳二期機(jī)組，每個(gè)反應(yīng)堆機(jī)組包含兩個(gè)反應(yīng)堆，共6個(gè)反應(yīng)堆。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大廳共安裝8個(gè)探測器，分布大亞灣近點(diǎn)(1#)、嶺澳近點(diǎn)(2#)和遠(yuǎn)點(diǎn)(3#)三個(gè)實(shí)驗(yàn)廳中，實(shí)驗(yàn)廳位于大亞灣核電站北側(cè)山體地下。由于核電站內(nèi)鐵絲網(wǎng)林立，障礙物多，測量通視條件十分有限，且試驗(yàn)大廳位于地下隧道內(nèi)，測區(qū)條件復(fù)雜，對(duì)于最終40 mm距離誤差要求測量難度較大。

1 測量方案

1.1 控制點(diǎn)布設(shè)和選取

為了建立反應(yīng)堆堆芯和探測器中心的聯(lián)系，在核電站區(qū)域、隧道區(qū)域及隧道兩個(gè)洞口區(qū)域布設(shè)和選用了一系列控制點(diǎn)。根據(jù)控制點(diǎn)布設(shè)情況不同分為兩類，第一類是本次測量過程中在測區(qū)內(nèi)埋設(shè)的控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)埋設(shè)為高100 mm、直徑60 mm的不銹鋼柱，此鋼柱表面削口處為球面，帶磁性，如圖1(a)所示，該類控制點(diǎn)主要分布在隧道區(qū)域及兩個(gè)洞口附近；第二類為核電站建設(shè)期間原有控制點(diǎn)，約為100 mm高的強(qiáng)制觀測墩，墩面為強(qiáng)制對(duì)中裝置，如圖1(b)所示，該類控制點(diǎn)主要分布在核電站區(qū)域。

圖1 控制點(diǎn)形式Fig.1 Style of control points.

1.2 測量方案的設(shè)計(jì)

由于測區(qū)范圍較大，將整個(gè)測區(qū)分為核電站區(qū)域、隧道區(qū)域以及隧道洞口區(qū)域三個(gè)部分。核電站區(qū)域位于核電站內(nèi)，范圍廣，且鐵絲網(wǎng)林立，通視條件有限，采用GPS全球定位儀觀測方案。隧道區(qū)域由于位于山體內(nèi)，無法接收GPS信號(hào)，采用全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測量方案。在隧道洞口區(qū)域，則同時(shí)進(jìn)行全站儀測量及GPS測量以實(shí)現(xiàn)兩種控制網(wǎng)的銜接。最終，使用激光跟蹤儀將實(shí)驗(yàn)廳門口的控制點(diǎn)聯(lián)測到探測器上。此外，為加強(qiáng)隧道內(nèi)控制網(wǎng)與GPS網(wǎng)的聯(lián)系，利用全站儀對(duì)GPS網(wǎng)進(jìn)行覆蓋測量，覆蓋區(qū)域包含嶺澳一期、嶺澳二期區(qū)域，涵蓋大部分GPS測量區(qū)域。測量方案的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 距離測量方案Fig.2 Distance measurement scheme.

2 距離測量關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)

2.1 GPS全球定位儀測量

由于反應(yīng)堆堆芯無法直接測量，在每個(gè)反應(yīng)堆機(jī)組周圍選取四個(gè)控制點(diǎn)。這些控制點(diǎn)是核電建設(shè)原有控制點(diǎn)，與反應(yīng)堆堆芯的點(diǎn)位關(guān)系已知，通過周圍四個(gè)控制點(diǎn)測量坐標(biāo)求取每個(gè)反應(yīng)堆的堆芯坐標(biāo)。為建立隧道內(nèi)全站儀網(wǎng)和隧道外GPS網(wǎng)的聯(lián)系，在隧道的兩個(gè)洞口區(qū)域布設(shè)GPS控制點(diǎn)。共布設(shè)24個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行GPS觀測。GPS觀測采用4臺(tái)高精度雙頻GPS接收機(jī)，其中2臺(tái)拓普康接收機(jī)、2臺(tái)索佳GPS接收機(jī)。每時(shí)段觀測3 h，個(gè)別時(shí)段觀測4 h，全網(wǎng)共觀測58時(shí)段。采用徠卡光學(xué)投點(diǎn)儀對(duì)中，觀測前、后量取儀器高，每次量取三個(gè)方向取平均，誤差不超過±2 mm，所有野外記錄現(xiàn)場完成，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的正確可靠[3]。

2.2 隧道內(nèi)雙導(dǎo)線測量

隧道內(nèi)GPS信號(hào)無法到達(dá)，采用全站儀進(jìn)行導(dǎo)線測量。隧道狹長且有拐彎，從隧道入口至一、二和三號(hào)廳門口，以及包括到另一個(gè)洞口區(qū)域，嚴(yán)密布設(shè)雙導(dǎo)線網(wǎng)，于隧道內(nèi)形成閉合圖形，有利于加強(qiáng)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，提高測量精度；同時(shí)，為了增強(qiáng)兩個(gè)隧道洞口的圖形連接強(qiáng)度，通過洞外道路導(dǎo)線以及山頂兩種方式進(jìn)行了兩洞口閉合測量，這些措施對(duì)提高整體控制網(wǎng)精度有重要的貢獻(xiàn)。此外，為減小隧道內(nèi)坐標(biāo)系與隧道外GPS坐標(biāo)系間的連接誤差，在隧道外核電區(qū)域采用全站儀進(jìn)行了核電GPS網(wǎng)的覆蓋測量，并通過山頂點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)站，多種方法保障及提高網(wǎng)間連接精度。

2.3 高程測量

高程控制網(wǎng)的測量采用幾何水準(zhǔn)測量與三角高程相結(jié)合的模式。在實(shí)驗(yàn)隧道內(nèi)，由于測量環(huán)境穩(wěn)定，受外界影響小，因此優(yōu)先采用幾何水準(zhǔn)的測量方式，此方法簡單而且精度高[4]，具體采用Leica NA2光學(xué)水準(zhǔn)儀按照國家二等水準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行往返測量。在隧道外，由于測區(qū)地勢起伏，核電站內(nèi)路線彎曲地形起伏，幾何水準(zhǔn)的方法無法發(fā)揮其優(yōu)勢，因此選用全站儀三角高程測量的方式。為了達(dá)到幾何水準(zhǔn)的精度，將全站儀三角高程與幾何水準(zhǔn)進(jìn)行了大量的高差對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出要求在高程測量過程中全站儀需嚴(yán)格進(jìn)行對(duì)向觀測，觀測時(shí)間間隔盡可能短，這樣才能保證大氣環(huán)境變化較小，盡可能地抵消大氣折光誤差的影響[5]。

3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

3.1 GPS數(shù)據(jù)處理及精度

GPS基線解算采用Trimble后處理軟件進(jìn)行，基線解算按時(shí)段解算，根據(jù)觀測環(huán)境和衛(wèi)星狀況，采取選取衛(wèi)星、改變高度角、刪減衛(wèi)星跟蹤、選取解算誤差模型等措施提高基線解算質(zhì)量。剔除GPS不合理的基線之后，最終整網(wǎng)由24個(gè)GPS點(diǎn)構(gòu)成。由獨(dú)立基線構(gòu)成GPS網(wǎng)，在WGS84系統(tǒng)下，取網(wǎng)中的一個(gè)點(diǎn)SG002三維坐標(biāo)為起算點(diǎn)，進(jìn)行無約束平差。然后進(jìn)行高斯投影，將空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，投影帶中央子午線為114°。GPS平差坐標(biāo)誤差分量如圖4(a)所示，從圖4(a)看出平面方向的精度較高，高程精度較低，GPS網(wǎng)整體點(diǎn)位精度為±12.6 mm。

3.2 全站儀數(shù)據(jù)處理及精度

剔除粗差后，分別使用三種平差軟件：中國科學(xué)院高能物理研究所準(zhǔn)直組自主開發(fā)軟件MAA、武漢大學(xué)開發(fā)軟件COSA和BEPCII軟件Survey，對(duì)全站儀平面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差。將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，差值小于6 mm，驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。全站儀對(duì)向觀測高程數(shù)據(jù)采用COSA軟件進(jìn)行平差，并考慮地球曲率影響。GPS平差坐標(biāo)誤差分量如圖3(b)所示，由圖3(b)看出高程精度較高，說明三角高程測量精度能達(dá)到要求。全站儀控制網(wǎng)測量平面精度為±6.3mm，高程精度為±1.9mm，整體精度為±6.5mm。

圖3 GPS網(wǎng)(a)和全站儀網(wǎng)(b)平差坐標(biāo)精度Fig.3 Adjustment residual of GPS network (a) and total station network (b).

3.3 全站儀坐標(biāo)系統(tǒng)和GPS坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度

由于全站儀網(wǎng)和GPS網(wǎng)的坐標(biāo)系不統(tǒng)一，通過中國科學(xué)院高能物理研究所自行開發(fā)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件Bestfit，利用將這兩套坐標(biāo)系的11個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)換，將堆芯坐標(biāo)和探測器中心坐標(biāo)統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系下。擬合精度見表1，擬合精度為±9.1 mm。

表1 GPS網(wǎng)坐標(biāo)向全站儀控制網(wǎng)擬合精度(m)Table1 Coordinate transformation accuracy (m).

3.4 距離解算精度

反應(yīng)堆堆芯由反應(yīng)堆附近控制點(diǎn)求取，由轉(zhuǎn)換軟件Bestfit求得其精度約為±5.9 mm；探測器中心坐標(biāo)使用跟蹤儀由實(shí)驗(yàn)廳門口控制點(diǎn)聯(lián)測得到，由跟蹤儀數(shù)據(jù)后處理軟件SURVEY計(jì)算得到探測器中心坐標(biāo)精度為±1.7 mm，跟蹤儀測量控制網(wǎng)和全站儀測量控制網(wǎng)擬合精度為±2.2 mm。對(duì)上述誤差源進(jìn)行綜合，并按照等影響原則和忽略不計(jì)原則，得到堆芯至探測器中心距離精度滿足±40 mm的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

詳細(xì)介紹大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆到探測器三維距離測量方案，對(duì)包括隧道外GPS測量、隧道內(nèi)全站儀測量以及全站儀三角高程測量等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行描述，并對(duì)數(shù)據(jù)測量處理方法及精度進(jìn)行分析，最終精確獲得反應(yīng)堆堆芯到探測器的三維空間距離。2012年大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組宣布大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率，反應(yīng)堆至探測器三維距離的精確測量工作為實(shí)驗(yàn)的成功奠定了良好基礎(chǔ)。

1 薛濤, 龔光華, 陳少敏, 等. 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)時(shí)鐘時(shí)標(biāo)廣播系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2009, 29(6): 1253-1256

XUE Tao, GONG Guanghua, CHEN Shaomin, et al. The preliminary design of timing system for Daya Bay rector neutrino experiment[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009, 29(6): 1253-1256

2 鄭攀, 楊雷, 楊杰. 中微子探測器實(shí)驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計(jì)算世界, 2010, 26(3-1): 86-88

ZHENG Pan, YANG Lei, YANG Jie. Monitoring system of neutrinos detector experiment environment[J]. Control & Automation, 2010, 26(3-1): 86-88

3 Noumi H. GPS survey in long baseline neutrinooscillation measurement[C]. Nuclear Science Symposium Conference Record, IEEE, 2003: 315-319

4 王銅, 董嵐, 羅濤, 等. 三角高程在CSNS園區(qū)地面標(biāo)高測量中的應(yīng)用[J]. 測繪地理信息, 2013, 38(1): 37-42

WANG Tong, DONG Lan, LUO Tao, et al. Application of triangulated height surveying for CSNS ground elevation measurements[J]. Journal of Geomatics, 2013, 38(1): 37-42

5 王銅, 羅濤, 梁靜, 等. 精密三角高程在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)距離測量中的應(yīng)用研究[J/OL]. 測繪科學(xué), 2014, http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.P.20130531.081 6.001.html

WANG Tong, LUO Tao, LIANG Jing, et al. Research on the application of trigonometric leveling in the distance measurement of Daya Bay reactor neutrino experiment[J/OL]. Science of Surveying & Mapping, 2014, http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.P.201305 31. 0816.001.html

CLCTL43

Measurement of 3D distance from nuclear reactors to detectors in Daya Bay reactor neutrino experiment

LIANG Jing DONG Lan LUO Tao WANG Tong LIU Can LI Bo WANG Xiaolong MEN Lingling
(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The Daya Bay neutrino experiment is designed to measure the mixing angle θ13using anti-neutrinos produced by the reactors of the Daya Bay Nuclear Power Plant (NPP) and the Ling Ao NPP. The distance from nuclear reactors to experiment detectors is needed. Purpose: The aim is to introduce the way of building and measuring the control network during the distance surveying. Methods: The 3D distance was obtained by GPS, total station and laser tracker, and several software and different instruments were used for the combination of data adjustment and coordinate transformation, as well as the correctness checking. Results: Through the actual measurement and data processing, the accuracy of the distance is better than the designed requirement of ±40 mm. Conclusion: The success of the Daya Bay reactor neutrino experiment demonstrates that the result of 3D distance measurement is reasonable and correct, and the survey work makes an important contribution to the Daya Bay reactor neutrino experiment.

Daya Bay reactor, Neutrino, Distance measurement, Precision

TL43

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010602

梁靜，女，1986年出生，2010年于武漢大學(xué)獲碩士學(xué)位，工程師，從事精密工程測量及粒子加速器準(zhǔn)直測量的理論方法和技術(shù)研究

2013-11-06，

2013-11-26