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      永不停步的創(chuàng)新旅程

      2009-10-29 05:00:40
      關(guān)鍵詞:高能物理對(duì)撞機(jī)高能

      鄧小平同志曾說:“過去也好,今天也好,將來也好,中國必須發(fā)展自己的高科技,在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地?!边@其中,大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水平,正是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵,能夠集聚智慧,構(gòu)成一個(gè)多學(xué)科陣地。而作為典型的大科學(xué)裝置,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的研制及重大改造工程的成功無疑為這塊磁鐵更添磁力。

      1988年10月16日凌晨5點(diǎn)56分,我國第一座高能加速器——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)首次對(duì)撞成功。這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后,在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。

      2003年,在穩(wěn)定、高效地運(yùn)行了15年后,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)圓滿地完成了預(yù)定的科學(xué)使命。為了適應(yīng)世界高能物理的發(fā)展,繼續(xù)保持北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在科學(xué)上的競(jìng)爭(zhēng)力,經(jīng)國家有關(guān)部門批準(zhǔn),中國科學(xué)院高能物理研究所決定對(duì)對(duì)撞機(jī)加速器和探測(cè)器進(jìn)行重大改造(BEPC II工程)。

      2004年5月1日北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行重大改造工程啟動(dòng)。

      何謂正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

      隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)逐步深入到細(xì)胞、分子、原子和原子核等深層次。要想研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被測(cè)物質(zhì)的科學(xué)設(shè)施,而正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是一種先進(jìn)的粒子加速器。

      科學(xué)家們認(rèn)為,構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元是比質(zhì)子還小的夸克和輕子。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的主要研究對(duì)象就是夸克、輕子家族中的兩個(gè)成員——c夸克和τ輕子,記錄它們對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的物理量,搜索碰撞產(chǎn)生的新粒子。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的任務(wù)是給這些粒子加速,為它們提供碰撞場(chǎng)所,記錄碰撞數(shù)據(jù)。

      十年磨一劍

      1988年10月16日,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建造成功并首次實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞。從此,中國進(jìn)入了能進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)研究的科技先進(jìn)國家之林。然而,這一切來之不易。

      BEPC的第一任工程經(jīng)理謝家麟說,從建國初期開始,建造自己的加速器基地、發(fā)展高能物理就成為中國高能物理學(xué)家的迫切愿望。

      1972年,物理學(xué)家張文裕率領(lǐng)謝家麟等17位科學(xué)家寫信給周恩來總理,建議中國建造一臺(tái)高能加速器,開展高能物理實(shí)驗(yàn)研究,得到周總理的批準(zhǔn),至此,高能加速器建設(shè)正式啟動(dòng)。1973年,高能物理研究所成立。

      1975年3月,周恩來總理、鄧小平同志在《關(guān)于高能加速器預(yù)制研究和建造問題的報(bào)告》上作了批示,高能所開始了高能加速器的預(yù)制研究。1977年11月,在鄧小平的推動(dòng)下,中央批準(zhǔn)了代號(hào)為“八七工程”的項(xiàng)目,即用10年的時(shí)間在北京建造一臺(tái)500億電子伏質(zhì)子同步加速器。

      1979年,鄧小平訪美時(shí),中美雙方簽署了中美兩國在高能物理領(lǐng)域的合作協(xié)議。這是中美兩國科技合作的第一個(gè)執(zhí)行協(xié)議,從此打開了中美兩國科技合作的大門。

      1980年底,國民經(jīng)濟(jì)調(diào)整,基建收縮,中央決定“八七工程”下馬,但高能不能斷線。1981年3月,物理學(xué)家朱洪元、謝家麟和當(dāng)時(shí)在美的訪問學(xué)者葉銘漢,在美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室與美國參加合作的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的專家舉行了非正式、通報(bào)中國高能調(diào)整方案的討論會(huì)。美國斯坦福直線加速器中心所長潘諾夫斯基提出了中國應(yīng)陔建造一臺(tái)22億電子伏特正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建議。

      1981年12月22日,中國科學(xué)院正式向黨中央、國務(wù)院提出了在北京建造2×22億電子伏特正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的方案。鄧小平同志當(dāng)日批示:“他們所提方針,比較切實(shí)可行,我贊成加以批準(zhǔn),不再猶豫?!?/p>

      1983年4月,國務(wù)院批準(zhǔn)了對(duì)撞機(jī)工程計(jì)劃任務(wù)書:同年12月中央決定將對(duì)撞機(jī)工程列入國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

      1984年10月,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)終于動(dòng)工興建。鄧小平同志在參加奠基典禮時(shí)說:“我相信,這件事小會(huì)錯(cuò)?!?/p>

      鋒利不尋常

      1986年,謝家麟因健康狀況不佳辭去了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)工程經(jīng)理的職務(wù),將接力棒傳給了方守賢。

      從1990年開始運(yùn)行到2005年改造升級(jí)的15年間,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)累計(jì)穩(wěn)定高效運(yùn)行約8萬小時(shí),其中約40%用于為北京譜儀開展高能物理實(shí)驗(yàn)提供束流,25%用于為同步輻射應(yīng)用提供束流,12%用于加速器機(jī)器研究,總運(yùn)行效率高于90%。

      “與此同時(shí),北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)一機(jī)兩用,它的北京同步輻射裝置(BSRF)是目前國內(nèi)唯一的x射線同步輻射光源,提供從硬X-射線到真空紫外寬波段的強(qiáng)輻射光,是我國重要的同步輻射技術(shù)研究基地和開展凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子技術(shù)等多學(xué)科交叉前沿研究的重要基地?!狈绞刭t說。

      在重大改造工程進(jìn)行期間,北京同步輻射裝置完成了配合BEPCII工程的改造任務(wù),已經(jīng)擁有5個(gè)插入件、14條光束線和14個(gè)實(shí)驗(yàn)站,綜合性能全面大幅提高。自1991年開放運(yùn)行以來,北京同步輻射裝置已形成了一支穩(wěn)定、高水平的用戶隊(duì)伍,每年接待200多個(gè)研究課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取得了許多重要成果。例如,在2003年正式投入使用的我國第一條生物大分子晶體學(xué)光束線與實(shí)驗(yàn)站上,首次獲得了SARS病毒蛋白酶大分子結(jié)構(gòu)、菠菜捕光膜蛋白晶體的結(jié)構(gòu)等。

      引得群芳爭(zhēng)艷

      有人說,高能物理屬于純基礎(chǔ)研究,是一枝獨(dú)秀。對(duì)此,方守賢并不認(rèn)同:“高能物理不是昆侖山上的雪蓮,而是牡丹園里的牡丹,引起群芳爭(zhēng)艷?!备吣芪锢聿粌H打開了中美兩國科技合作的大門,而且通過北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)帶動(dòng)了很多工業(yè)的尖端技術(shù)以及其他學(xué)科的繁榮和昌盛。

      通過北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),最早開通了我國第一條國際計(jì)算機(jī)高速通信線路,使我國與美國、日本及歐洲等國間的高能物理國際合作研究組之間通過國際計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時(shí)快捷的聯(lián)絡(luò):在國內(nèi)最先為上千位科學(xué)家提供電子郵件服務(wù),還為我國信息高速公路工程起到了先驅(qū)作用。

      此外,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在推動(dòng)我國相關(guān)工業(yè)與研制技術(shù)的提高和發(fā)展方面也起到了積極的影響和推動(dòng)作用。

      對(duì)撞機(jī)涉及高功率微波、高性能磁鐵、高穩(wěn)定電源、高精密機(jī)械、超高真空、束流測(cè)量、自動(dòng)控制等高技術(shù),其設(shè)計(jì)指標(biāo)幾乎都是當(dāng)時(shí)技術(shù)的極限。對(duì)撞機(jī)的建設(shè)不僅發(fā)展了高能物理電子學(xué)技術(shù),推動(dòng)了我國微波和高頻技術(shù)的發(fā)展,使我國真空技術(shù)提高到了新的水平,使我國高精度電磁鐵和大功率穩(wěn)定度電源制造技術(shù)達(dá)到了國際水平,為同步輻射光學(xué)工程技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ),對(duì)低能加速器的發(fā)展產(chǎn)生了積極影響,同時(shí)也為一些企業(yè)參與大科學(xué)工程建設(shè)提供了發(fā)展契機(jī)。

      迎難而上

      2004年1月,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)動(dòng)工,計(jì)劃工期5年。BEPCII改造的主要目標(biāo)是提高對(duì)撞機(jī)的性能,使相同時(shí)間里獲取的物理數(shù)據(jù)增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

      “在改造過程中我們也面臨很多挑戰(zhàn)?!北本┱?fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程(BEPCII)副經(jīng)理張闖舉例說,美國康奈爾大學(xué)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)原先在2×56億電子伏特高能量下工作,但看到BEPC取得了大量成果,在2001年他們也提出了將束流的能量降低到BEPC的能區(qū)工作的計(jì)劃。而且他們的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)超過了BEPC的對(duì)撞機(jī)性能,與當(dāng)時(shí)BEPCII改進(jìn)的目標(biāo)相同。

      “為了繼續(xù)保持在國際高能物理研究上的優(yōu)勢(shì),我們只能接受挑-錢,迎難而上?!睆堦J說。研究人員提出了新的改造方案,設(shè)計(jì)對(duì)撞亮度比BEPC高100倍,是康奈爾大學(xué)對(duì)撞機(jī)CESRc的3~7倍,從而大大提高了競(jìng)爭(zhēng)力。

      北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程在參考國際先進(jìn)對(duì)撞機(jī)的雙環(huán)方案基礎(chǔ)上,根據(jù)“一機(jī)兩用”的設(shè)計(jì)原則,采用了獨(dú)特的三環(huán)結(jié)構(gòu),滿足了科學(xué)目標(biāo)的要求。張闖介紹,對(duì)撞機(jī)的改造與20年前的對(duì)撞機(jī)相比,指標(biāo)更高、難度更大,同時(shí)我國的科技能力和工業(yè)水平也有了長足的進(jìn)步。

      張闖說,高能物理研究沒有止境,現(xiàn)在世界各國部在提各種方案,他們也在研究下一步提高能力的措施和方法,我們也有可能還會(huì)根據(jù)新的需要將BEPCII進(jìn)一步升級(jí)提高。

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