正负电子对撞机 (高能加速器)

正负电子对撞机是一个使正负电子产生对撞的设备,它将各种粒子(如质子、电子等)加速到极高的能量,然后使粒子轰击一固定靶。通过研究高能粒子与靶中粒子碰撞时产生的各种反应研究其反应的性质,发现新粒子、新现象。正负电子对撞同样也是一种正负粒子碰撞的机制,正电子与负电子在自然界已有产出,人们研究微电子粒子的结构特性,是当今高能粒子物理量子力学的最前沿的科学。那自然界有正负电子对撞机的机制吗?这一机制自然界会天然存在吗?新发现,新探索,在陨落的陨石中就存在着自然界的正负电子对撞机制,这一现象也只能用高能物理的量子力学与四维空间维度解释。

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    中文名
    正负电子对撞机
    属    于
    使正负电子产生对撞的设备,
    作    用
    将各种粒子加速到极高的能量
    世界存有
    10多台

    1设备原理

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    用经加速器加速的高能粒子轰击静止的靶,就像在一起交通事故中的一辆汽车撞到一辆停在路边的汽车上,撞车的能量很大一部分要消耗到使停在路边的汽车向前冲上,碰撞的威力就不够大。如果使两辆相向开行的高速汽车对头相撞,碰撞的威力就大许多倍。基于这种想法,科学家们在70年代初研制成功了对撞机。世界上已建成或正在兴建的对撞机有10多台。科学发现自然,自然验证科学。发现自然界自我组装生成的电子正负电子对撞机制的存在。

    2在中国的技术发展

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    198810月竣工的北京正负电子对撞机,是国际科技合作的结晶。我国科学家以务实、创新的精神,积极与世界各大高能物理实验室合作,并引进了大功率速调管、快电子学等国际先进技术,使其成为该工作能区国际领先的对撞机。

    1989128日,北京正负电子对撞机同步辐射装置通过国家鉴定。由29位专家组成的鉴定委员会认为,北京正负电子对撞机同步辐射装置开始投入运行,为自然科学研究、技术科学发展和工业应用提供了良好的条件,必将对促进各学科的相互渗透和对诸多领域学科的发展带来巨大的推动。

    据介绍,北京正负电子对撞机的储存环有高能物理实验与同步辐射兼用模式和同步辐射专用模式。在储存环外围有两个同步辐射实验室。第一期计划建成了三个前端区和三条光束线,在光束线上,专家们利用聚焦X光和真空紫外光做了激光晶体材料的X光激发发光实验,观测到一些国内外尚未得到过的、有价值的新现象。还利用同步辐射光源提供的高亮度X光,几十秒钟即可完成对单根头发丝进行的X光激发荧光谱分析,达到了国外实验室所能达到的最高水平。

    这项装置的运行使用,将提供从真空紫外光到硬X光的很大光谱范围的同步辐射光,供生物物理、生物化学、光化学、固体物理、原子和分子物理、表面物理、材料科学、计量标准及医学研究等方面的应用。

    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,在τ-粲物理领域做出了国际一流的成果,例如中美科学家1991年在北京谱仪上合作完成的τ轻子质量的精确测定,被李政道教授誉为当年“高能物理界最重要的发现”。

    对撞机又作为同步辐射装置,在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果。利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究;对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米X射线光刻技术的研究均取得重要突破;在微机械技术方面,制成了直径仅4毫米超微电机,这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途。

    研究未有穷期。为探索物质奥秘并造福人类,我国科学家将在不断认识微观世界的跋涉中继续奋进。

    3北京正负电子对撞机

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    2007326日上午,陈和生院士站在欢腾的人群中,把手中纸杯高高举起:“为了重大改造工程新的里程碑,干杯!”陈和生所说的新里程碑,就是刚刚取得的正负电子对撞成功。

    身兼北京正负电子对撞机重大改造工程经理,中科院高能所所长陈和生如此激动的理由很充分,“这次正负电子束流对撞成功,是新双环对撞机的第一次电子对撞,意味着改造工程双环对撞方案的成功,同时也显示出重大改造工程更有信心地进入最后一个阶段。”

    奥运年将是北京正负电子对撞机重大改造工程的完工年。这项从2003年开始,耗资6.4亿元、为期5年的大科学装置改造工程分三个阶段完成。200711月,储存环单环改双环这一最关键和最困难的环节已经度过,顺利完成对撞机重大改造工程的第二阶段任务,剩下就是安装对撞机上的大型粒子探测器北京谱仪的任务。

    改造工程采用的是世界先进的双环交叉对撞方案,原先电子只有一条“光速跑道”,改造后正负电子各占一条“跑道”进行大角度水平对撞,对撞机性能将提高100倍。不过,改造难度也是超乎想象,十几吨的设备不能使用大吊车安放,数万根电缆一根都不能接错,这些仅仅是改造工程千头万绪的几缕。

    “比如隧道原来是给单环设计,空间狭小,现在安装双环就拥挤到了极点。国外成功的双环对撞机是在80米距离内实现电子对撞再分开,我们必须在28米内实现。”陈和生说,改造中许多技术和设备国内从未有过,而高能物理对撞机的加工精度比航天、航空领域还要高。

    北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名,为示范之作。19881016日凌晨实现第一次对撞时,曾被形容为“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”。北京正负对撞机重大改造工程的实施,将让这一大科学装置“升级换代”,继续立在国际高能物理的前端。

    北京正负电子对撞机为自己也为科学撞出了一番新天地。“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;“25GeV 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。”

    “任何一个大科学装置,都会自然而然成为一个小型科学研究中心。”陈和生说,高能所的定位就是以大科学装置为依托的多学科综合性研究机构。

    和高能物理研究打了一辈子交道的方守贤院士认为,高能加速器是最前沿的科学技术,必然向经济技术领域转移,并产生巨大效益。北京正负电子对撞机的建成运行,在国内发挥了示范作用,也使我国电子学、微波和高频、超高真空等方面有了较大突破和提高,有力地推动了我国机械、电子工业技术的发展。

    北京正负电子对撞机的同步辐射系统曾于2002年建成我国第一个专用于生物大分子结构分析的同步辐射光束线和实验站,这套装置已成为我国结构基因组研究的一个重要平台。在生物大分子光束线站上,首次获得了SARS病毒蛋白酶大分子结构。

    另外,目前材料界最时髦的纳米结构研究也多在对撞机的同步辐射站上进行。

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