大亚湾中微子实验反应堆至探测器三维距离的测量

梁 静 董 岚 罗 涛 王 铜 刘 璨 李 波 王小龙 门玲鸰

（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

大亚湾中微子实验反应堆至探测器三维距离的测量

梁 静 董 岚 罗 涛 王 铜 刘 璨 李 波 王小龙 门玲鸰

（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

大亚湾反应堆中微子实验的开展需要精确获取反应堆堆芯至中微子探测器的三维距离。本文介绍了在反应堆堆芯至探测器三维距离测量的过程中控制网的建立及测量方法，采用GPS全球定位仪、全站仪以及激光跟踪仪联合测量的方式实现距离测量，并利用多种软件对结果进行平差处理及分析。最终，反应堆堆芯至中微子探测器的三维距离精度满足±40 mm设计要求。

大亚湾反应堆，中微子，距离测量，精度

大亚湾反应堆中微子实验是我国基础科学领域目前最大的国际合作项目[1]。实验的物理目标是通过探测核反应堆产生的中微子来测定sin22θ13[2]。实验的开展需要确定核电内反应堆堆芯到实验大厅中微子探测器的三维距离。反应堆位于核电站内，由三个机组组成，分别是大亚湾反应堆机组、岭澳一期机组和岭澳二期机组，每个反应堆机组包含两个反应堆，共6个反应堆。大亚湾中微子实验大厅共安装8个探测器，分布大亚湾近点(1#)、岭澳近点(2#)和远点(3#)三个实验厅中，实验厅位于大亚湾核电站北侧山体地下。由于核电站内铁丝网林立，障碍物多，测量通视条件十分有限，且试验大厅位于地下隧道内，测区条件复杂，对于最终40 mm距离误差要求测量难度较大。

1 测量方案

1.1 控制点布设和选取

为了建立反应堆堆芯和探测器中心的联系，在核电站区域、隧道区域及隧道两个洞口区域布设和选用了一系列控制点。根据控制点布设情况不同分为两类，第一类是本次测量过程中在测区内埋设的控制点，这些控制点埋设为高100 mm、直径60 mm的不锈钢柱，此钢柱表面削口处为球面，带磁性，如图1(a)所示，该类控制点主要分布在隧道区域及两个洞口附近；第二类为核电站建设期间原有控制点，约为100 mm高的强制观测墩，墩面为强制对中装置，如图1(b)所示，该类控制点主要分布在核电站区域。

图1 控制点形式Fig.1 Style of control points.

1.2 测量方案的设计

由于测区范围较大，将整个测区分为核电站区域、隧道区域以及隧道洞口区域三个部分。核电站区域位于核电站内，范围广，且铁丝网林立，通视条件有限，采用GPS全球定位仪观测方案。隧道区域由于位于山体内，无法接收GPS信号，采用全站仪进行导线测量方案。在隧道洞口区域，则同时进行全站仪测量及GPS测量以实现两种控制网的衔接。最终，使用激光跟踪仪将实验厅门口的控制点联测到探测器上。此外，为加强隧道内控制网与GPS网的联系，利用全站仪对GPS网进行覆盖测量，覆盖区域包含岭澳一期、岭澳二期区域，涵盖大部分GPS测量区域。测量方案的设计如图2所示。

图2 距离测量方案Fig.2 Distance measurement scheme.

2 距离测量关键环节实现

2.1 GPS全球定位仪测量

由于反应堆堆芯无法直接测量，在每个反应堆机组周围选取四个控制点。这些控制点是核电建设原有控制点，与反应堆堆芯的点位关系已知，通过周围四个控制点测量坐标求取每个反应堆的堆芯坐标。为建立隧道内全站仪网和隧道外GPS网的联系，在隧道的两个洞口区域布设GPS控制点。共布设24个控制点进行GPS观测。GPS观测采用4台高精度双频GPS接收机，其中2台拓普康接收机、2台索佳GPS接收机。每时段观测3 h，个别时段观测4 h，全网共观测58时段。采用徕卡光学投点仪对中，观测前、后量取仪器高，每次量取三个方向取平均，误差不超过±2 mm，所有野外记录现场完成，确保数据质量的正确可靠[3]。

2.2 隧道内双导线测量

隧道内GPS信号无法到达，采用全站仪进行导线测量。隧道狭长且有拐弯，从隧道入口至一、二和三号厅门口，以及包括到另一个洞口区域，严密布设双导线网，于隧道内形成闭合图形，有利于加强网型结构，提高测量精度；同时，为了增强两个隧道洞口的图形连接强度，通过洞外道路导线以及山顶两种方式进行了两洞口闭合测量，这些措施对提高整体控制网精度有重要的贡献。此外，为减小隧道内坐标系与隧道外GPS坐标系间的连接误差，在隧道外核电区域采用全站仪进行了核电GPS网的覆盖测量，并通过山顶点进行转站，多种方法保障及提高网间连接精度。

2.3 高程测量

高程控制网的测量采用几何水准测量与三角高程相结合的模式。在实验隧道内，由于测量环境稳定，受外界影响小，因此优先采用几何水准的测量方式，此方法简单而且精度高[4]，具体采用Leica NA2光学水准仪按照国家二等水准规范进行往返测量。在隧道外，由于测区地势起伏，核电站内路线弯曲地形起伏，几何水准的方法无法发挥其优势，因此选用全站仪三角高程测量的方式。为了达到几何水准的精度，将全站仪三角高程与几何水准进行了大量的高差对比实验，实验结论得出要求在高程测量过程中全站仪需严格进行对向观测，观测时间间隔尽可能短，这样才能保证大气环境变化较小，尽可能地抵消大气折光误差的影响[5]。

3 数据处理及精度分析

3.1 GPS数据处理及精度

GPS基线解算采用Trimble后处理软件进行，基线解算按时段解算，根据观测环境和卫星状况，采取选取卫星、改变高度角、删减卫星跟踪、选取解算误差模型等措施提高基线解算质量。剔除GPS不合理的基线之后，最终整网由24个GPS点构成。由独立基线构成GPS网，在WGS84系统下，取网中的一个点SG002三维坐标为起算点，进行无约束平差。然后进行高斯投影，将空间坐标转换为平面坐标，投影带中央子午线为114°。GPS平差坐标误差分量如图4(a)所示，从图4(a)看出平面方向的精度较高，高程精度较低，GPS网整体点位精度为±12.6 mm。

3.2 全站仪数据处理及精度

剔除粗差后，分别使用三种平差软件：中国科学院高能物理研究所准直组自主开发软件MAA、武汉大学开发软件COSA和BEPCII软件Survey，对全站仪平面测量数据进行平差。将结果进行对比，差值小于6 mm，验证计算的可靠性。全站仪对向观测高程数据采用COSA软件进行平差，并考虑地球曲率影响。GPS平差坐标误差分量如图3(b)所示，由图3(b)看出高程精度较高，说明三角高程测量精度能达到要求。全站仪控制网测量平面精度为±6.3mm，高程精度为±1.9mm，整体精度为±6.5mm。

图3 GPS网(a)和全站仪网(b)平差坐标精度Fig.3 Adjustment residual of GPS network (a) and total station network (b).

3.3 全站仪坐标系统和GPS坐标系统转换精度

由于全站仪网和GPS网的坐标系不统一，通过中国科学院高能物理研究所自行开发坐标转换软件Bestfit，利用将这两套坐标系的11个公共点进行拟合转换，将堆芯坐标和探测器中心坐标统一在一个坐标系下。拟合精度见表1，拟合精度为±9.1 mm。

表1 GPS网坐标向全站仪控制网拟合精度(m)Table1 Coordinate transformation accuracy (m).

3.4 距离解算精度

反应堆堆芯由反应堆附近控制点求取，由转换软件Bestfit求得其精度约为±5.9 mm；探测器中心坐标使用跟踪仪由实验厅门口控制点联测得到，由跟踪仪数据后处理软件SURVEY计算得到探测器中心坐标精度为±1.7 mm，跟踪仪测量控制网和全站仪测量控制网拟合精度为±2.2 mm。对上述误差源进行综合，并按照等影响原则和忽略不计原则，得到堆芯至探测器中心距离精度满足±40 mm的设计要求。

4 结语

详细介绍大亚湾中微子实验反应堆到探测器三维距离测量方案，对包括隧道外GPS测量、隧道内全站仪测量以及全站仪三角高程测量等主要环节进行描述，并对数据测量处理方法及精度进行分析，最终精确获得反应堆堆芯到探测器的三维空间距离。2012年大亚湾中微子实验国际合作组宣布大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率，反应堆至探测器三维距离的精确测量工作为实验的成功奠定了良好基础。

1 薛涛, 龚光华, 陈少敏, 等. 大亚湾中微子实验时钟时标广播系统的初步设计[J]. 核电子学与探测技术, 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 郑攀, 杨雷, 杨杰. 中微子探测器实验环境监测系统[J].微计算世界, 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 王铜, 董岚, 罗涛, 等. 三角高程在CSNS园区地面标高测量中的应用[J]. 测绘地理信息, 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 王铜, 罗涛, 梁静, 等. 精密三角高程在大亚湾中微子实验距离测量中的应用研究[J/OL]. 测绘科学, 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

梁静，女，1986年出生，2010年于武汉大学获硕士学位，工程师，从事精密工程测量及粒子加速器准直测量的理论方法和技术研究

2013-11-06，

2013-11-26