永不停步的创新旅程

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  邓小平同志曾说:“过去也好,今天也好,将来也好,中国必须发展自己的高科技,在世界高科技领域占有一席之地。”这其中,大科学装置的存在和应用水平,正是一个国家科学技术发展的具象。它如同一块巨大的磁铁,能够集聚智慧,构成一个多学科阵地。而作为典型的大科学装置,北京正负电子对撞机的研制及重大改造工程的成功无疑为这块磁铁更添磁力。
  1988年10月16日凌晨5点56分,我国第一座高能加速器——北京正负电子对撞机(BEPC)首次对撞成功。这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就。
  2003年,在稳定、高效地运行了15年后,北京正负电子对撞机圆满地完成了预定的科学使命。为了适应世界高能物理的发展,继续保持北京正负电子对撞机在科学上的竞争力,经国家有关部门批准,中国科学院高能物理研究所决定对对撞机加速器和探测器进行重大改造(BEPC II工程)。
  2004年5月1日北京正负电子对撞机进行重大改造工程启动。
  
  何谓正负电子对撞机
  
  随着科学技术的发展,人类对物质结构的认识逐步深入到细胞、分子、原子和原子核等深层次。要想研究物质的微观结构,首先要把它打碎。粒子加速器就是用高速粒子去“打碎”被测物质的科学设施,而正负电子对撞机是一种先进的粒子加速器。
  科学家们认为,构成物质世界的最基本单元是比质子还小的夸克和轻子。北京正负电子对撞机的主要研究对象就是夸克、轻子家族中的两个成员——c夸克和τ轻子,记录它们对撞时产生的物理量,搜索碰撞产生的新粒子。正负电子对撞机的任务是给这些粒子加速,为它们提供碰撞场所,记录碰撞数据。
  
  十年磨一剑
  
  1988年10月16日,北京正负电子对撞机建造成功并首次实现正负电子对撞。从此,中国进入了能进行高能物理实验研究的科技先进国家之林。然而,这一切来之不易。
  BEPC的第一任工程经理谢家麟说,从建国初期开始,建造自己的加速器基地、发展高能物理就成为中国高能物理学家的迫切愿望。
  1972年,物理学家张文裕率领谢家麟等17位科学家写信给周恩来总理,建议中国建造一台高能加速器,开展高能物理实验研究,得到周总理的批准,至此,高能加速器建设正式启动。1973年,高能物理研究所成立。
  1975年3月,周恩来总理、邓小平同志在《关于高能加速器预制研究和建造问题的报告》上作了批示,高能所开始了高能加速器的预制研究。1977年11月,在邓小平的推动下,中央批准了代号为“八七工程”的项目,即用10年的时间在北京建造一台500亿电子伏质子同步加速器。
  1979年,邓小平访美时,中美双方签署了中美两国在高能物理领域的合作协议。这是中美两国科技合作的第一个执行协议,从此打开了中美两国科技合作的大门。
  1980年底,国民经济调整,基建收缩,中央决定“八七工程”下马,但高能不能断线。1981年3月,物理学家朱洪元、谢家麟和当时在美的访问学者叶铭汉,在美国费米国家实验室与美国参加合作的几个实验室的专家举行了非正式、通报中国高能调整方案的讨论会。美国斯坦福直线加速器中心所长潘诺夫斯基提出了中国应陔建造一台22亿电子伏特正负电子对撞机的建议。
  1981年12月22日,中国科学院正式向党中央、国务院提出了在北京建造2×22亿电子伏特正负电子对撞机的方案。邓小平同志当日批示:“他们所提方针,比较切实可行,我赞成加以批准,不再犹豫。”
  1983年4月,国务院批准了对撞机工程计划任务书:同年12月中央决定将对撞机工程列入国家重点建设项目。
  1984年10月,北京正负电子对撞机终于动工兴建。邓小平同志在参加奠基典礼时说:“我相信,这件事小会错。”
  
  锋利不寻常
  
  1986年,谢家麟因健康状况不佳辞去了北京正负电子对撞机工程经理的职务,将接力棒传给了方守贤。
  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%用于加速器机器研究,总运行效率高于90%。
  “与此同时,北京正负电子对撞机一机两用,它的北京同步辐射装置(BSRF)是目前国内唯一的x射线同步辐射光源,提供从硬X-射线到真空紫外宽波段的强辐射光,是我国重要的同步辐射技术研究基地和开展凝聚态物理、材料科学、化学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的重要基地。”方守贤说。
  在重大改造工程进行期间,北京同步辐射装置完成了配合BEPCII工程的改造任务,已经拥有5个插入件、14条光束线和14个实验站,综合性能全面大幅提高。自1991年开放运行以来,北京同步辐射装置已形成了一支稳定、高水平的用户队伍,每年接待200多个研究课题进行实验,取得了许多重要成果。例如,在2003年正式投入使用的我国第一条生物大分子晶体学光束线与实验站上,首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构、菠菜捕光膜蛋白晶体的结构等。
  
  引得群芳争艳
  
  有人说,高能物理属于纯基础研究,是一枝独秀。对此,方守贤并不认同:“高能物理不是昆仑山上的雪莲,而是牡丹园里的牡丹,引起群芳争艳。”高能物理不仅打开了中美两国科技合作的大门,而且通过北京正负电子对撞机的建设带动了很多工业的尖端技术以及其他学科的繁荣和昌盛。
  通过北京正负电子对撞机,最早开通了我国第一条国际计算机高速通信线路,使我国与美国、日本及欧洲等国间的高能物理国际合作研究组之间通过国际计算机网络进行及时快捷的联络:在国内最先为上千位科学家提供电子邮件服务,还为我国信息高速公路工程起到了先驱作用。
  此外,北京正负电子对撞机在推动我国相关工业与研制技术的提高和发展方面也起到了积极的影响和推动作用。
  对撞机涉及高功率微波、高性能磁铁、高稳定电源、高精密机械、超高真空、束流测量、自动控制等高技术,其设计指标几乎都是当时技术的极限。对撞机的建设不仅发展了高能物理电子学技术,推动了我国微波和高频技术的发展,使我国真空技术提高到了新的水平,使我国高精度电磁铁和大功率稳定度电源制造技术达到了国际水平,为同步辐射光学工程技术发展奠定了基础,对低能加速器的发展产生了积极影响,同时也为一些企业参与大科学工程建设提供了发展契机。
  
  迎难而上
  
  2004年1月,北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)动工,计划工期5年。BEPCII改造的主要目标是提高对撞机的性能,使相同时间里获取的物理数据增加两个数量级。
  “在改造过程中我们也面临很多挑战。”北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)副经理张闯举例说,美国康奈尔大学的正负电子对撞机原先在2×56亿电子伏特高能量下工作,但看到BEPC取得了大量成果,在2001年他们也提出了将束流的能量降低到BEPC的能区工作的计划。而且他们的主要设计指标超过了BEPC的对撞机性能,与当时BEPCII改进的目标相同。
  “为了继续保持在国际高能物理研究上的优势,我们只能接受挑-钱,迎难而上。”张闯说。研究人员提出了新的改造方案,设计对撞亮度比BEPC高100倍,是康奈尔大学对撞机CESRc的3~7倍,从而大大提高了竞争力。
  北京正负电子对撞机重大改造工程在参考国际先进对撞机的双环方案基础上,根据“一机两用”的设计原则,采用了独特的三环结构,满足了科学目标的要求。张闯介绍,对撞机的改造与20年前的对撞机相比,指标更高、难度更大,同时我国的科技能力和工业水平也有了长足的进步。
  张闯说,高能物理研究没有止境,现在世界各国部在提各种方案,他们也在研究下一步提高能力的措施和方法,我们也有可能还会根据新的需要将BEPCII进一步升级提高。
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