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从电子对撞机到上海光源 新中国高能物理追梦前行(科技日报)
2009-10-20|文章来源: |【
 

北京熙熙攘攘的玉泉路北侧,在十几米深的地下,藏着一门高速运转的“超级粒子大炮”,它被看作揭开宇宙诞生奥秘的金钥匙,是世界八大高能物理加速器之一。它从无到有、从弱到强的历程凝聚着几代中国领导人、上千物理学家、上万工作人员的心血和科技强国的不熄梦想。 
  直到今天,国家博物馆里还放着一份周恩来总理1972年9月给18位物理学家报告的批示,这份批示,开启了中国现代高能物理的新时代。 
  1972年8月,文革还没有结束,张文裕、朱光亚等18位物理学家给周总理写了一份关于建设中国高能加速器实验基地的报告。周总理在批示中说:“这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来,同时又要把理论研究与科学实验结合起来。高能物理研究和高能加速器的预制研究,应该成为科学院要抓的主要项目之一。” 
  第二年,中科院高能物理研究所成立。36年后,北京熙熙攘攘的玉泉路北侧,在十几米深的地下,藏着一门高速运转的“超级粒子大炮”,它被看作揭开宇宙诞生奥秘的金钥匙,是世界八大高能物理加速器之一。它从无到有、从弱到强的历程凝聚着几代中国领导人、上千物理学家、上万工作人员的心血和科技强国的不熄梦想。 
  80年代 北京正负电子对撞机之梦终于实现 
  “那是一段充满激情的岁月。”窗外,高能所绿意盎然;窗内,记忆把77岁的方守贤带回从筹备到建成电子对撞机的峥嵘岁月里来。白发已多于黑发、毕生献给高能物理事业的方守贤院士,曾任正负电子对撞机工程经理、高能所所长。 
  “1956年,在钱三强的支持下,王淦昌带领着10多名科学家前往苏联联合原子核研究所学习高能加速器。”前一年从复旦大学毕业的方守贤说自己幸运地成为其中一员,“1965年时,中国和苏联关系破裂,我们从苏联回到祖国,聂荣臻和钱三强等经过多次讨论,最终决定建立自己的高能物理基地。”然而文革的开始使这一计划停滞下来。 
  “50年代,毛主席就明确提出物质无限可分的思想,因此,我们从来没有停止高能物理的研究。1975年,周恩来总理、邓小平同志批示了余秋里‘关于高能加速器预制研究和建造问题的报告’,报告中提出,准备在十年内,研造一座质子环形加速器。但因种种原因,预制工作还是搁浅了。”从苏联回来一刻都没有忘记建设加速器的方守贤感慨万千,“当时国家实力有限,冒进思想突出,有人说要么不建,要么就建最大最好的加速器,这显然不符合我国国情。” 
  上世纪八十年代,中央进行经济大调整,在李政道等国际友人的帮助下,建设符合国情的加速器被提上日程。“1981年12月22日,邓小平当日就批准了预制对撞机方案,成立了以谷羽同志为首的四人小组,并在建设过程中,直接向邓小平同志汇报工程进展和遇到的困难。”方守贤说,这台装置就是在邓小平的关心下建成的。 
  1984年9月,国务院批准了国家计委“关于审批北京正负电子对撞机建设任务和规模的报告”,明确了“一机二用”的方针,即对撞机有高能物理实验与同步辐射的兼用模式。批准总投资为2.4亿元,引进用汇2500万美元,总建筑面积为5.47万平方米。工程破土动工那天,邓小平兴致勃勃地为北京正负电子对撞机动工挥锹送出第一块奠基土,针对当时对撞机建设是否“超前”的争议,他对周围人说:“我相信,这件事不会错。”  
  之后四年,是方守贤最为珍贵的岁月。“大家都铆足一股劲,几代人的梦想终于要实现了。上百个部门、上千名科研人员和工人不分昼夜,干劲十足,那四年,我就住在办公室里。”方守贤说。 
  1984年,形似巨大的“羽毛球拍”,由电子注入器、储存环、探测器、同步辐射装置、计算中心等5个部分组成的正负电子对撞机终于按期建成投入运行,且在一年后,整机性能在国际同能区的机器中占领先地位。小平同志在10月24日又一次来到高能所,高兴地做了“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”的著名讲话。 
  “国家领导人两次亲临现场,关注这台大科学装置的建设,这是史无前例的。”方守贤感慨道。 
  这个继“两弹一星”后共和国最重大的科学工程,在日后为中国高能物理、工业建设等诸多领域做出了不可估量的贡献,它的超前作用和意义超出了当时人们的想象。 
  90年代 电子对撞机在高科技领域取得突出成果 
  从上世纪90年代开始,我国科学家通过对撞机观测到一些国内外尚未得到过的、有价值的重大现象。 
  在高能所工作了30多年、现任高能所所长的陈和生院士说:“北京正负电子对撞机建成,奠定了中国在国际高能物理界的地位。1989年7月,这台机器开始收集数据。‘τ轻子质量的精确测量’被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一,而‘2—5GeV能区的R值测量’结果,促使2002年国际粒子数据手册将多年不变的R值图做了重大改动,从2000年起至今,所有的高能物理会议都引用这一测量结果。2003年,李政道先生专门写信到高能所祝贺一个新短寿命粒子的发现:‘这是一个十分重要的成果,也是物理学上很有意义的工作。’” 
  “虽然和西欧的加速器比,我们的是一个小加速器,但之所以取得了璀璨的成绩,归功于制定方案时,充分考虑了我国当时的国家经济实力、工业及科技水平;在国际友人的帮助下,吸取已建成装置的经验及教训,确定正确的目标和能区,如同探矿时找准了富矿,找到了我们能有所作为的领域,这才没有走弯路。”方守贤说。 
  正负电子对撞机不但是高能物理研究的重要装备,它的同步辐射也为生命科学、材料科学、分子环境科学、凝聚态物理和生物医药等众多学科与技术的发展,提供了一系列先进的实验平台。这台装置完成的研究成果中,获得国家自然科学二等奖有8项,中国科学院自然科学一等奖3项、二等奖2项、杰出科技成就奖1项…… 
  在实验取得成功的同时,对撞机在国际合作、工业建设等领域的贡献开始显现。 
  文革后打开了大门首当其冲地便是科技合作,对撞机的建设和建成,大大促进了我国与其他国家高能物理的合作。“它被称为改革开放后在科技合作领域中的又一次乒乓球外交。”方守贤说,1979年邓小平访美时,由方毅副总理与美国能源部部长签订的第一个科技合作协议中,高能物理合作是重要部分。 
  “直到北京正负电子对撞机建成并投入运行之后,中国才终于有条件进行中方为主的国际合作。1989年,对撞机投入高能物理实验,建立了以中国科学家为主导的北京谱仪合作组,美国十多所大学和研究所的科学家参加合作研究。于是,我们才可能随时掌握国际高能物理的最新动态,精准地判断研究方向,及时启动国际高能物理学界最关心和最急需解决的研究课题。”陈和生说。 
  “此外,中国通往互联网的最早出口就在高能所,实现了国内第一个计算机国际联网,最早使用网页来交流信息,把www网页引入中国并进行推广。在建设过程中,我们还引入了许多先进工业技术,比如电视台发射机的速调管技术就是那时候引进的。”陈和生说。  
  作为同步辐射装置,对撞机在其他应用研究领域也取得了骄人成果。“利用同步辐射,我国在世界上率先完成SARS病毒蛋白结构测定。”陈和生举例说。 
  作为人才培养基地,北京正负电子对撞机工程培养了一大批加速器与探测器领域的高水平专业人才和技术骨干,这在日后上海光源、散裂中子源等重大建设中发挥了至关重要的作用。  
  数据显示,从1990年开始运行到2005年改造升级的15年间,北京正负电子对撞机累计稳定高效运行约8万小时,其中约40%用于为北京谱仪开展高能物理实验提供束流,25%用于为同步辐射应用提供束流,12%用于加速器研究,总运行效率高于90%。 
  21世纪初 对撞机重大改造工程挑战难度极限 
  “任何一个大科学装置的科学寿命都大约只有8到10年。如果对撞机建成并运行一段时期后,不再进一步大幅度提高其效能,我们将失去国际竞争力。”2003年起身兼北京正负电子对撞机重大改造工程经理的陈和生说起改造的初衷。 
  2004年初北京正负电子对撞机重大改造工程开工。这项工程投资6.4亿元,为期5年。研究人员在参考国际先进的双环方案的基础上,根据“一机两用”的设计原则大胆地进行了创新设计,使改造后的对撞机可成为世界上最先进的双环对撞机之一,性能提高100倍。 
  陈和生介绍,改造中许多技术和设备国内从未有过,而高能物理对撞机有些设备和部件的加工精度比航天、航空领域还要高。“比如将电子束的运动‘跑道’一分为二,国际上成功的双环电子对撞机的周长一般在2公里以上,而北京正负电子对撞机的储存环周长只有240米;国外成功的双环对撞机上,正负电子对撞机对撞区的距离一般在80米左右,而北京正负电子对撞机的对撞区非常短,必须在28米内实现。” 
  “我们边建设边提供同步辐射光,创造了国际先例。”陈和生说,尽管工程建设和调束的时间十分紧张,高能所仍坚持以国家需求为己任,考虑到上海同步辐射光源尚未建成,为了保证国内广大同步辐射用户研究工作的需要,主动将工程建设分为三个阶段。在五年的建设期间,先后向用户提供了近一年的同步辐射专用光运行。 
  2009年5月13日凌晨,北京正负电子对撞机重大改造工程胜利达到亮度的验收指标。85%设备由我国自主研制的北京正负电子对撞机重大改造工程圆满完成。  
  “世界上先后有近十台正负电子对撞机,其中三台工作于粲粒子能量区域,国外的两台因性能落后而先后关闭,BEPCII成为世界上仍在运行的五台先进对撞机之一。”陈和生说。 
  迄今半年多的试运行表明,改造后的北京正负电子对撞机已成为粲物理能量区域国际领先的对撞机和高性能兼用同步辐射装置,为国际同类型科学装置的建设提供了一个成功的范例。 
  今年四月 上海光源大科学装置迈上新征程 
  鉴于同步辐射的巨大作用,北京正负电子对撞机的兼用模式提供的同步辐射已不能满足国内急剧增长的需要。2003年底,我国决定在上海建造一台专用的更为先进的第三代同步辐射装置,称为“上海光源”。它与第一、第二代光源相比,在光源亮度和稳定性等方面都有非常大的提高,已在今年四月建成。对撞机的的技术人才储备为它的建造奠定了扎实基础。在设计及研制阶段,高能所派遣了一批有经验的专家直接参与及指导,个别的还留下来成为骨干。 
  2009年4月投入运行的上海光源,能量居世界第四,性能超过同能区现有的第三代同步辐射光源,是目前世界上正在建造或设计中的性能最好的中能光源之一,科学寿命超过30年。 
  目前世界上已建成的第一代同步辐射光源有17台,第二代有23台,第三代有13台,正在建造和设计的第三代同步辐射光源有12台。预计到2010年前后,每天将有上万名科学家和工程师同时使用这些同步辐射光源,从事前沿学科研究和高新技术开发。 
  在陈和生的办公室里有幅“核子重如牛,对撞生新态”的水墨画。这是多年前,李政道为国画大师李可染讲述重离子对撞探索宇宙奥秘后,李可染为科学奇观深深感染,欣然落笔绘就的一幅体现对撞内蕴的二牛抵角相峙图。 
  画中坚韧的精神,仿佛新中国百废待兴发展高能物理的那份梦想,曾经坠落、曾经半路停滞,却有许多执着的人紧握着,最终到达,走向明天。(马爱平) 
  大事记 
  上海光源诞生记 
  1993年12月丁大钊等三位院士建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。 
  1998年3月国家计委正式批准第三代同步辐射光源——上海同步辐射装置项目,总经费8000万。 
  2001年3月上海光源(SSRF)预制研究通过专家鉴定。 
  2003年7月中科院正式确定启动SSRF立项工作。 
  2004年1月7日国务院常务会议批准项目建议书。 
  2004年6月29日上海光源工程建设领导小组第一次会议,批准工程建设指挥部、经理部、科技委、顾问组成立及相关人选,选定主体建筑方案,同意项目可行性研究报告上报国家发改委。 
  2004年7月26日—27日受国家发展和改革委员会委托,中国国际工程咨询公司在北京组织专家对上海光源可行性研究报告进行了评估。 
  2004年11月15日国家发展改革委批复上海光源项目可行性研究报告。 
  2004年12月25日举行上海光源工程开工典礼。2005年6月,在充分吸收用户和专家的意见建议的基础上,调整了首批7条光束线站的设计方案、技术指标等,并已获工程指挥部和工程科技委的原则同意。 
  2005年9月7日35kV变电站结构封顶。 
  2005年10月28日动力设备房结构封顶。 
  2006年4月28日主体建筑钢结构吊装合龙。 
  2006年5月22日由上海光源工程指挥部主持召开了“上海光源工程科学技术委员会第二次会议”。会议就上海光源的工程进度、建设内容调整、投资控制和质量控制等提出了宝贵意见和建议。 
  2006年6月22日“上海光源应用研究研讨会”在上海应用物理所召开。 
  2006年6月22日上海光源工程加速器集成单元完成了试安装工作(包括储存环机械集成单元和增强器机械集成单元主体设备、隧道墙模型、储存环前端模型、水管和电缆等),并于23日召开“加速器集成单元工艺评估会”,来自高能物理所、近代物理所的近10位专家对设备样机(首件)的工艺和集成单元总体工艺进行了综合评估。 
  2006年10月15日35kV电站正式受电,开始试运行。 
  2006年10月31日上海光源在张江安装的首个加速器设备——低温氦气储存罐安装完毕。 
  2006年11月10日150MeV电子直线加速器的支架和磁铁系统的部分设备开始在直线隧道中进行安装,标志着上海光源工程正式进入加速器设备现场安装阶段。 
  2006年12月22日“上海光源工程科学技术委员会第三次会议”在上海召开。 
  2009年2月26日我国自主研发的真空波荡器吊装入“上海光源”的储存环,标志着我国迄今为止最大的大科学装置——“上海光源”进入收官阶段。 
  2009年4月上海光源首批建成的7条光束线向用户开放。 

(2009年09月18日,科技日报)


 
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