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北京正负电子对撞机突破世界记录(腾讯网)
2009-09-10|文章来源: |【
 

  

  原文链接:http://news.qq.com/zt/2009/statepower/qianyan01.htm

  

  

  领域介绍

  对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞,以产生足够高的相互作用反应率,从而便于测量。

  

  

  

  人物简介

  王九庆,中国科学院高能物理研究所副所长

 

  核心提示

  经过改造后的北京正负电子对撞机的主要性能指标亮度,是工作在相同能量区的美国同类装置曾创下的世界纪录的5倍。

  国际上没有一台对撞机的储存环周长,像北京正负电子对撞机的那样短。周长越短,规模就越小,难度和技术要求就越高。

  从上世纪80年代建成投入使用到现在,它伴随着中国高能物理研究走向世界。

  

  

  

  北京正负电子对撞机轨道一角,黄色设备为国产大型特殊磁铁

  

  突破世界记录

  主持人:北京正负电子对撞机改造后,性能达到了什么样的水平?跟国际上的同类型对撞机相比,它有哪些优越的地方?

  王九庆:今年7月,北京正负电子对撞机重大改造工程通过国家验收,主要性能指标亮度已比改造前提高了30多倍,是工作在相同能量区域的美国康奈尔大学的对撞机CESR曾创下的世界纪录的5倍,在τ-粲能区国际领先。目前,国际上同类型的对撞机按工作能量互有分工,各有特色,相互补充。粲物理研究是当前高能物理研究竞争的热点之一,或者说这一能区是个“富矿”。BEPCII恰当地选在了这一能区,相比国际上同类机器,规模较小,相应造价低,但能研究的物理内容非常丰富,“性价比”很高。基于BEPCI的高亮度,就能够在粲物理能区进行精确测量,探索新的物理现象,有望在前沿课题取得多项具有世界领先水平、原创性的重大物理成果。

  

  存储环周长只有240米

  主持人:国际上有没有双环的对撞机?

  王九庆:美国斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)有一个:PEPII,周长是2000米。日本的高能加速器研究机构(KEK)也有一个:KEKB,周长是3000米。还有意大利的F工厂,它能量低一些。这些都是正负电子双环对撞机。

  主持人:BEPC周长只有200多米?

  王九庆:我们这个对撞机储存环的周长是240米。周长短,给工程建设带来了极大的困难。特别是对撞区,要实现正负电子交叉对撞和分离,国外一般要到100多米左右,我们在对撞点两侧各只有15米左右的直线节。因此,BEPCII上,我们采用了一系列独创的设计,将许多技术推到极致。曾有人形象地描述我们加速器设计建造面临的挑战,如果说更大型的加速器是大钟,则BEPCII好比是手表,各有特色,各有难度。

  

  边建设,边运行

  主持人:BEPC重大改造工程从2004年启动后,5年之间你们遇到的最大的困难是什么?你们是怎么样突破的?

  王九庆: 从2004年开工建设起,一个突出的问题就是工期非常紧,压力非常大。在改造的过程中还要穿插运行,给全国的同步辐射用户提供光源开展实验。

  工程建设期间也遇到了不少困难。比如,我们在国内第一次将 “超导磁铁”和“超导高频腔”的技术应用到加速器上,这要求建设一个庞大的低温系统。从无到有,就有许多意想不到的困难。2006年初,鉴于超导磁铁的低温系统很难按期投入使用,我们就准备了一个备用的方案,采用常温磁铁实现同步辐射模式运行和对撞调束,终于按期在2006年底前为同步辐射用户供光开展实验。在调束的同时对低温系统的设备进行改进。2007年8月,超导磁铁低温设备经过改造后投入使用,开始第二阶段调试。然后到2008年6月,将北京谱仪、加速器和探测器一起进行联合调试。这样,调束分三个阶段进行,每一个阶段都得“一机两用”,有正电子环,有负电子环,还要有外环的同步辐射。三个环都要调到性能符合要求。由于对撞点的尺寸非常之小,约只有头发丝的十分之一,所以要有很精细的调节手段才能实现准确的对撞。因此,对相关系统的控制精度要求非常之高,而且还要保证长时间、稳定的运行。环境温度的变化或者是地基有抖动,都会对精确对撞造成影响。

  加速器有成百上千的设备,如果哪个设备在研制过程中出现一点问题都可能会对整个工期造成影响。质量控制是一个挑战。

  主持人:有没有出现过影响工期的情况?

  王九庆:遇到过。比如已经讲过的超导磁铁的低温系统就是我们遇到的一个典型问题。

  把它从无到有建立起来,中间难免有一些波折。另一个例子是真空盒的加工和安装。为实现高真空,真空盒需要烘烤,但若温度过高,则容易产生变形。2005年10月上旬,我们发现前室真空盒有凹陷变形,当时已经完成的55根前室真空盒中,有34根在真空状态下的凹陷变形量超标,包括有的已经完成预准直安装。虽然可能影响到预安装准直的进度,但是我们仍然决定要保证质量,把所有有变形的真空盒都拉出来做矫形,然后再重新预安装。尽管有难度,有工作量,但是为了保证质量,只要有问题,就得推倒重来。

  工程建设整个过程牵涉到很多的系统,每个系统都会遇到各种各样的困难。这些困难都会影响到整个工程的建设,任何一个都不能放松。

  主持人:每个细节都会影响整体。

  王九庆:是的,所以我们许多实验厅里贴上了“细节决定成败”标语,用哦来提醒大家注意每一个细节。

  

  “中国牌”加速管供应全球

  主持人:设备全部都是咱们自己研制的吗?

  王九庆:BEPCII上的设备,大约超过85%都是国内厂家研制生产的,有不少还是我们自己的实验工厂研制生产的。比如,磁铁主要由所工厂承担,电源是与北京、西安和天水等地的厂家合作完成,真空盒由成都的飞机制造厂完成,等等,就不一一列举了。

  我们希望依托国内的厂家来生产这些设备,究其原因,一方面是带动国内相关技术的发展,这是最主要的;另一方面,从装置的长期可靠运行来考虑,由国内厂家来承担,将来维护和更新设备都比较方便。

  主持人:有报道说英国、美国使用的加速管都是从中国进口的,加速管都是高能所制造的吗?

  王九庆:是的。加速管这个技术是在建造BEPC发展起来的,当时美国的SLAC提供了全套的图纸。在此基础上,我们又作了改进,形成了生产能力和调配技术。由于我们的劳动力成本相对低一些,做的加速管的质量又和国外的完全一样,后来许多国外实验室就到我们这里来加工。不仅加速管,实际上加速器的建造带动了国内的加速器相关很多技术,我们工厂生产的磁铁用在很多国外的加速器上。

  

  测定SARS病毒蛋白质结构

  主持人:2003年SARS的时候,北京正负电子对撞机在世界上率先测定了SARS病毒主蛋白酶的蛋白晶体结构,其他国家能做到这一步吗?在国内还有其他测定途径吗?

  王九庆:如果光说测量的话,国外别的同步辐射光源也能做。但是SARS病毒很特殊。对于病毒的蛋白晶体结构解析,特别象SARS病毒这类高传染性的病毒,在海关、在国外的同步辐射实验室都要经过非常严格审批手续,时效性很差,我们当时希望争分夺秒地解出结构,加速药物的研制。在那样的情况下,SARS病毒样本不可能到国外去测。而且,测试的样品在长途旅行中也存在被损坏的风险。在国内当时也只有BEPC才能提供这么强的X光能做这个实验。

  SARS病毒的研究,是由当时的中科院生物物理所研究员、现任南开大学校长饶子和院士完成的,他们利用北京同步辐射装置上产生的同步辐射X光分析SARS病毒的蛋白质结构。这样将来可以根据这个结构针对性研制药物,克服这个病毒。

  

  助推中国高能物理发展

  主持人:据说中国高能物理研究有过一段“七下八上”的经历?未来发展趋势如何?

  王九庆:听高能所的前辈们说,国内搞高能加速器实际上经历了一个“七下八上”的过程。

  从建国之初到上世纪80年代初,国内高能物理和加速器专家们前后提了八次项目建议,但限于经济条件以及文革动乱等原因,前面七次都夭折了,第八次才上了北京正负电子对撞机这个项目。

  应该说BEPC是非常英明的选择:在这个能区能产生比较好的物理结果,而这样规模的对撞机,加速器周长有240米,当时造价可能是9000万美元,折合人民币2.4亿人民币,国家经济能力也能承受。差不多同一时期,日本建成了一台30GeV的对撞机,周长3公里,是当时世界上能量最高的电子加速器,但是它却一直没有做出有很高显示度的成果。

  而我们的正负电子对撞机则出了比较多的成果。建成不久,我们完成了τ轻子的质量测量,精度提高了近一个数量级。这个成果被誉为当时国际高能物理最重要的成果之一,获得了1995年“国家自然科学二等奖”。其后的y(2S)物理的系统研究和“R值测量”等也先后获得“国家自然科学二等奖”。近年来,我们又发现了X1835新粒子等新现象,在国际高能物理界引起重大反响。

  现在,我们这台经过重大改造的对撞机是这个能区性能最好的对撞机。对撞机上的大型探测器的名字叫“北京谱仪III”(BESIII),它吸引了国际上很多在这个能区进行研究的理论物理学家和实验物理学家。我昨天参加了BESIII的合作组会,在这个会上,又有来自6个不同国家的大学和研究所申请加入合作组,其中有一个是美国的印地安纳大学,过去它在我们的竞争对手美国康奈尔大学的一台加速器上做实验和数据分析,它希望完成那边的工作后能够加入到我们BESIII合作中来。

  应该说我们现在在国际高能物理领域有了很大的发言权,这块“阵地”比原来大了许多,地位也巩固了许多。

  去年欧洲核子研究中心调试世界上能量最高的大型强子对撞机(LHC),我们也参加了合作。国际上现在提出研制一台长度在20公里以上的直线对撞机,希望中国积极参加这个合作,扮演更重要的角色。可以说,现在国际上的这些项目,都离不开中国的参与。

  高能物理研究领域,是“这边风景独好”。国外前一段时间经济衰退,一些大科学装置因后续的投资少而只能停止运行,而我们国家这几年大项目一个一个相继推出,可以看出国家在这方面投入增加很大。我想,大科学装置对我们国家整个科研水平是能够发挥很大的推动作用的,只要国家能够持续地支持,我们的科技就一定能得到很好的长远发展。

  

  

  (转载自腾讯网-2009年9月9日)


 
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