北京正负电子对撞机 (世界八大高能加速器中心之一)

北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速器中心之一, 是我国第一台高能加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施;由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型像一只硕大的羽毛球拍。北京正负电子对撞机是当时世界上唯一在τ轻子和粲粒子产生阈附近研究τ-粲物理的大型正负电子对撞实验装置,也是该能区迄今为止亮度最高的对撞机。

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    中文名
    北京正负电子对撞机
    外文名
    BEPC
    地    区
    北京
    地    位
    世界八大高能加速器中心之一

    1概况

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    BEPC1990年建成运行以来,迅速成为在20亿到50亿电子伏特能量区域居世界领先地位的对撞机,优异性能为我国开展高能物理实验创造了条件,取得了一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果。如:τ轻子质量的精确测量、20-50亿电子伏特能区正负电子对撞强子反应截面(R值)的精确测量、发现“质子-反质子”质量阈值处新共振态、发现X1835)新粒子等;同时,BEPC“一机两用”,成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台,取得了包括大批重要蛋白质结构测定在内的重要结果。

    北京正负电子对撞机(BEPC)占地总面积达57500平方米,由电子注入器、储存环、探测器、核同步辐射区、计算中心等5个部分组成。正、负电子在其中的高真空管道内被加速到接近光速,并在指定的地点发生对撞,通过大型探测器--北京谱仪记录对撞产生的粒子特征。科学家通过对这些数据的处理和分析,进一步认识粒子的性质,从而揭示微观世界的奥秘。

    90年代以来,高能所已成为世界八大高能物理实验研究中心之一。

    2结构原理

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    BEPC由四大部分构成:注入器与束流输运线、储存环、北京谱仪和同步辐射装置。

    其鸟瞰图像一支硕大的羽毛球拍,由北向南而卧“球拍的“把”———注入器是一台长202m的行波正负电子直线加速器,电子枪产生的电子束在盘荷波导加速管中,就像冲浪一样骑在微波场上不断得到加速。

    在电子束被加速到150Mev 时,轰击一个约 1cm厚的钨靶,由于级联簇效应产生正负电子对,将正电子聚焦、收集起来加速,就得到高能量的正电子束,正负电子束流通过输运线注入到球拍的“框”———储存环中,积累、储存、加速、对撞。正负电子束流在储存环 240m长的真空盒里做回旋运动,安放在真空盒周围的各种高精密电磁铁将束流偏转、聚焦、控制在环形真空盒的中心附近;高频腔不断把微波功率传递给束流,使之补充能量并得到加速;上百个探头密切检测束流的强度、位等性能;计算机通过各种接口设备,控制对撞机的上千台设备的工作! 当正负电子束流被加速到所需要的能量时,对撞点两侧的一对静电分离器被关断,正负电子束流就开始对撞,安放在对撞点附近的北京谱仪开始工作,获取正负电子对撞产生的信息,北京同步辐射装置(BSRF)的光束线和实验站也可以开展各种实验,BEPC储存环每隔4-6小时重新注入正负电子束流,重复以上过程。

    3建设历程

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    北京正负电子对撞机(BEPC)是在邓小平同志和周恩来总理的亲切关怀下建设的国家大科学装置。总投资为2.4亿元,由中科院高能物理所负责建造。

    19728月,张文裕等18位科技工作者给周恩来总理写信,反映对发展中国高能物理研究的意见和希望。

    1972911日,周恩来总理对关于建设中国高能加速器实验基地报告的复信中指示:“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。”

    19732月,中国科学院高能物理研究所正式成立。

    19753月,国家计委向国务院提出了《关于高能加速器预制研究和建造问题的报告》(七五三工程)。刚刚复出主持中央工作的小平同志同意了这个报告,并转送周总理批示。

    1977年,邓小平同志在国家科委、国家计委《关于加快建设高能物理实验中心的请示报告》(八七工程)上批示:“拟同意”。

    19811月,国家计委决定停止十三陵“高能物理实验中心”的筹建工作(即八七工程),对玉泉路高能加速器预制工程提出调整方案。

    1981110日,小平同志对聂华桐等14位科学家的信做了批示:“请方毅同志召集一个专家会议进行论证”,讨论高能加速器的建造方案。

    1981922-25日,中科院数理学部在北京召开“2.2GeV正负电子对撞机预制研究方案论证会”。会议对高能所提出的注入器、储存环和探测器的预制研究项目进行了讨论,决定开展对撞机工程预制研究。

    19815月,高能所在征求国内外专家意见的基础上提出了建造2×22亿电子伏正负电子对撞机的方案,在由国家科委和中国科学院召开的专家论证会上得到原则通过。

    19811222日,邓小平同志在中国科学院关于建造2.2GeV正负电子对撞机建议报告上批示:“这项工程进行到这个程度不宜中断,他们所提方案比较切实可行,我赞成加以批准,不再犹虑。”

    1982121日,高能所向中科院报送《玉泉路工程调整计划任务书》,计划建造一台2×22亿电子伏正负电子对撞机。

    1982年,高能所完成预制研究方案的初步设计,试制关键部件样机。

    1982619日,高能所派出21名科技人员组成的考察组到美国斯坦福直线加速器中心进行设计考察,完成了对撞机工程初步设计第三稿,基本确定加速器的主要参数。

    1983425日,国务院批准国家计委《关于审批2×22亿电子伏正负电子对撞机建设计划的请示报告》。同意新建一台能量为2×22亿电子伏正负电子对撞机,工程正式立项。

    1983年,开始进行重点非标部件的预制研究。

    19831215日,中央书记处第103次会议决定将北京正负电子对撞机(BEPC)工程列入国家重点工程建设项目,并成立由中国科学院、国家计委、国家经委、北京市的谷羽、林宗棠、张寿、张百发组成工程领导小组,谷羽任组长(1986年,周光召院长接任工程领导小组组长)。工程领导小组办公室设在中国科学院。14个部委组成了工程非标准设备协调小组,组织全国上百个科研单位、工厂、高等院校大力协同攻关,土建工程由北京市负责全力保证。

    1984625-74日,BEPC扩初设计审查会在京召开。会议通过了技术审查小组对工程的审查报告,并建议国家有关部门批准这项工程的扩初设计。

    1984815日,小平同志在对撞机工程领导小组报送中央的简报上批示“我们的加速器必须保证如期甚至提前完成”。

    19849月,国务院批准了国家计委”关于审批北京正负电子对撞机(即8312工程)建设任务和规模的报告”(国家计委科[1984]1899号),明确了一机二用”的方针,增加了同步辐射实验区的建设。批准总投资为2亿4千万元(含引进用汇2500万美元),总建筑面积为54700平方米。工程建设实行经理负责制的投资包干责任制。

    1984107日,BEPC破土动工。邓小平同志与党和国家领导来到高能所参加奠基典礼,为奠基石铲了第一锨土,并亲切接见了参加工程建设的科技人员和职工代表。邓小平同志为基石题写了“中国科学院高能物理研究所北京正负电子对撞机国家实验室”的题词。他说:“我相信这件事不会错”。

    1985年至19876月,BEPC主要部件批量生产,八大非标设备陆续验收。

    198656日,BEPC工程总体安装正式开始。谷羽、林宗棠、岳致中等领导及300多位代表出席安装开工典礼。

    19866月,BEPC注入器第一批部件进入隧道完成安装。

    19876月,BEPC储存环和北京谱仪开始全面安装、调试。

    198712月,BEPC注入器总调成功,电子束流注入到储存环,并观测到了同步辐射。电子束能量为1.17GeV,脉冲流强140mA

    19887月,正电子注入储存环并积累。

    19881016日,BEPC首次实现正负电子对撞,亮度达到8×1027/2.s。完成了小平同志提出的“我们的加速器必须保证如期甚至提前完成”的目标。

    19881020日,《人民日报》报道这一成就,称“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”,“它的建成和对撞成功,为我国粒子物理和同步辐射应用开辟了广阔的前景,揭开了我国高能物理研究的新篇章”。

    19881024日,邓小平等党和国家领导人视察北京正负电子对撞机工程,表示祝贺,并慰问参加工程建设的代表。邓小平同志发表了“中国必须在高科技领域占有一席之地”的重要讲话。

    198812月,BEPC对撞峰值亮度达到设计指标。

    19894月,北京谱仪推至对撞点上安装就位,开始总体检验,用已获得的巴巴事例进行刻度。

    19895月,北京谱仪投入试运行。

    198975日,北京正负电子对撞机和北京谱仪通过技术鉴定。

    19899月,北京谱仪(BES)开始物理工作。

    1989815日,BEPC辐射防护和剂量监测系统通过技术鉴定。

    1989128日,北京同步辐射装置(BSRF)三个前端区、一块扭摆磁铁、三条光束线、两个实验站通过国家技术鉴定开始投入运行。鉴定委员会由29位专家组成。

    1990710日,对BEPC工程总体、土建工程、建安工程、器材设备、财务、档案等进行国家预验收。

    1990721日,北京正负电子对撞机通过国家验收。

    1991年,同步辐射装置从调试转入试运行,并首次向国内用户开放。

    1991年,高能所计算中心网络与美国SLAC实验室及国家能源超级计算中心(NERSC)连接。

    1991813日,北京正负电子对撞机国家实验室成立,方守贤任主任,丁大钊、郑志鹏任副主任,何祚庥院士为学术委员会主任。

    1992422日,北京谱仪合作组在美国物理学会上报告了τ粒子质量测量结果,获得国际知名科学家的好评。τ轻子质量mτ精确测量是验证标准模型理论中轻子普适性的一个重要实验。1991117--1992120日,北京谱仪合作组进行了τ轻子质量测量的数据获取工作,所获结果:Mt=1776.9±0.4±0.2MeV,与国际1990年版数据表PDG给出的世均值相比,比原实验数据降低了7.2MeV,纠正了过去约 7MeV偏离,精度提高了8倍,被誉为1992年最重要的物理成果之一。

    199317日,“τ轻子质量的精确测定结果”被评为1992年度全国十大科技成就之一。

    19933月,高能所计算中心建成64K BPS高速网络,并与世界各高能物理实验中心相连,用于通讯和数据传输。同时,还为国内60余个研究单位和大学提供电子邮件和信息检索服务。

    19935月,中科院批准《北京正负电子对撞机改进项目可行性研究报告》、《北京谱仪改进项目可行性研究报告》。

    19945月,高能所计算机网络正式加入InternetWWW

    19954月,国家拨专款开展τ-C工厂可行性研究。

    1995年,“τ轻子质量的精确测定结果”获国家自然科学二等奖。

    1995-1998年,北京谱仪进行了升级改造(BESII)。

    1998年,“J/ψ粒子共振参数的精确测量”获中国科学院自然科学二等奖。

    199927日,BEPC/BES/BSRF改进项目通过鉴定。BEPC综合性能大幅度提高,实现了稳定高效运行,年运行时间达到九个半月以上,故障率仅为6%左右,在束流能量1.89GeV时亮度达到1031cm-2s-1,日平均事例数提高了3-4倍,达到了国际同类加速器的先进水平。

    1999628日,国务院科教领导小组决定增加对BEPC运行改进与未来发展R&D的经费。

    199983日,BEPC/BES/BSRF通过改进验收。

    19936月,开始实施BSRF的技术改造和新建多周期永磁插入件3W1与相应的光束线。

    19963月,BSRF3W1永磁插入件通过技术鉴定。

    19977月,高能所向中科院上报“北京正负电子对撞机下一步发展预制研究项目建议书”,提出对BEPC进行重大改造的单环麻花轨道的改造方案。

    1997年,“北京谱仪Ds物理的研究”获中科院自然科学奖一等奖。

    19996月,中科院向国家科教领导小组第五次会议提交了“中国高能物理发展战略”,汇报了中国高能物理发展目标和中长期发展规划和BEPCII方案。国家科教领导小组安排了设备的改进和,并决定增加BEPC年度运行经费。

    1999年,北京谱仪在2-5GeV能区的R值精确测量取得重要成果,得到国际高能物理界的高度评价。5GeV以下的R值是标准模型计算不确定性的重要部分,北京谱仪国际合作组充分把握了国际高能物理发展的最新动态,选定了这一在理论上有全局性重大意义、在实验上极富挑战性的课题,精心设计了全能区的实验方案。此项实验对加速器和探测器的性能及运行水平,对实验技术和数据分析方法以及理论模型等都是严峻的挑战。经过可行性研究,国际合作组把测量能区定为2-5GeV,精度目标定在7%左右,该指标对北京正负电子对撞机运行能量和北京谱仪测量精度的要求已经接近极限。为了完成R值精确测量实验,北京正负电子对撞机发挥了运行以来的最高水平,在如此宽的能量范围内长时间保持了长束流寿命和高亮度的稳定运行,这在国际高能物理实验研究中也属领先水平。北京谱仪在2-5GeV能区的近百个能量点上进行能量扫描测量,并在数据分析中,发展和应用了多项创新方法和理论模型,使测量的系统误差大大降低,平均测量精度达到6.6%,比国际上原有的实验结果提高了2-3倍。

    4未来发展

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    2000522-24日,“中国高能物理发展战略研讨会”在高能所召开。80余名中外高能物理、加速器技术、高能天体物理等领域的研究人员参加了大会。会议就BEPCⅡ的物理目标、加速器技术及非加速器物理实验等方面的内容进行了研讨。会后,高能所继续组织精干力量对BEPCⅡ方案进行深入研究,包括对其物理目标,加速器和探测器改进方案进行具体论证,争取尽早确定加速器改进的基本方案,在适当的时机召开国际评审会对方案进行评审,早日立项。

    2000727日,国务院科教领导小组第七次会议审议并原则通过《关于中国高能物理和先进加速器发展目标的汇报》,同意在北京正负电子对撞机取得成功的基础上,投入4亿元对该装置进行重大改造。

    2000年,“φ(2s)粒子及粲夸克偶素物理的实验研究”获中科院自然科学一等奖。此项研究应用北京谱仪采集的380万ψ(2S)数据样本,完成了包括hc(1S)、J/ψ (1S)、ψ (2S)、χc0(1P)、χc1(1P)和χc2(1P)6个粲偶素粒子在内的质量、总宽度、部分宽度以及衰变分支比等50余项重要参数的测量,还进行了hc(2S)及hc(1P)等粒子的寻找。其中21项分支比数据属国际上首次测量,相当一部分数据具有当前国际最高精度。同时还指出了粒子数据表中涉及数据处理及数据引用的多处重要错误,建议和订正了15项ψ(2S)衰变数据。以上结果使国际粲夸克偶素物理领域的数据面貌得到了明显改观。

    2001331日午夜,从北京谱仪(BES)控制室传来振奋人心的捷报:从200011月初开始的本轮对撞机运行所获取的在线J/ψ强子事例达到了2500万,相当于离线分析强子事例2700万以上。加上2000年获取的2400万,已提前实现了我们向国家科教领导小组承诺的两年获取5000J/ψ事例的计划。这样,BES拥有的J/ψ事例比世界上同能区对撞机上得到J/ψ总数的4倍还要多。

    200193-7日,高能所承办的代表世界高能物理和核物理计算最高学术水平的国际高能物理计算会议(CHEP2001)在京召开。

    2001年,“J/ψ衰变物理的实验研究”获中科院自然科学二等奖。

    2002115日,“中国粲夸克偶素物理实验研究获重大进展”被评为2001年中国基础研究十大新闻之一。

    20022月,“φ(2s)粒子及粲夸克偶素物理的实验研究”获2001年度国家自然科学奖二等奖。

    2002年,国际粒子数据手册(PDG)将多年不变的R值图作了重大改动,增加了BES的全部结果,国际粒子物理数据库收录了全部R值数据。

    20037月,北京谱仪国际合作组宣布在质子反质子阈能处发现一个可能的新共振态,再次引起国际、国内高能物理界的广泛关注。该项研究成果的论文于20037月在世界最具权威和最有影响的物理学期刊《物理学评论快报》(Phys. Rev. Lett.)上发表。所谓共振态,是一种寿命极短的、不稳定的粒子,它具有和稳定的强子类似的量子数,但是它可以通过强相互作用衰变,其寿命一般短到10-20s10-24s。很难在探测器中留下径迹而直接被探测到,只能通过其衰变产物来观测。

    2003118日,经过4年的努力,总投资5000多万元的BSRF改造圆满完成。新建的两个插入件,以及新建和改建的光束线和实验站都已投入运行,除一个子项目外,均已通过专家验收,BSRF的综合性能全面大幅度提高。

    2003年,"2-5GeV能区正负电子对撞强子反应截面的精确测量"研究集体获中国科学院2003年度杰出科技成就奖,北京市科学技术一等奖。

    北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)

    顾名思义,北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)是对北京正负电子对撞机(BEPC)进行重大改造的科学工程,改造的目的是提高性能,增强竞争力,更好地实现其科学目标。

    BEPCII 的主要设计指标对撞亮度是 BEPC 30100 倍,新建与之相匹配的北京谱仪 BESIII,同时大幅度提高同步辐射的性能。BEPCII 2004 年初开始建设,投资人民币 6.4 亿元,计划五年完成。

    2004 1 17 日,人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥在 BEPCII 工程动员大会上,要求我们“认真组织实施北京正负电子对撞机改造工程,保证按BEPCII 能够“成为大科学工程的范例”

    2004430日早800,北京正负电子对撞机正式结束运行,标志着BEPC/BES胜利结束实验任务。高能所举行了庆祝BEPC圆满完成任务暨BEPCII设备安装仪式大会。

    2004816-24日,高能所成功举办了第32届国际高能物理会(ICHEP2004),来自世界42个国家和地区的近千名代表参加了会议。BES所获的最新物理成果在大会上报告后,引起了强烈反响,多个大会报告和大会总结报告都给予了高度评价。

    2004年,“2-5GeV能区正负电子湮没产生强子反应截面的精确测量”获国家自然科学二等奖。“北京同步辐射生物大分子晶体学光束线与实验站建设及应用”获北京市科学技术二等奖。

    2005228日,北京正负电子对撞机国家实验室用户中心正式成立。诺贝尔物理学奖获得者杨振宁和中科院基础局局长张杰院士出席仪式并为用户中心揭牌。

    200574日,北京正负电子对撞机圆满完成了历史使命,BEPC储存环开始拆除。

    2006919日,北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)中的大型粒子探测器北京谱仪III(BESIII)超导磁铁成功励磁到1万高斯,是地球磁场的2万倍,电流强度达到3368安培,最大储能达到1000万焦耳。测试结果显示,其主要性能达到设计指标。它的研制成功标志着中国超导技术的巨大进步,是BEPCII建设的重要里程碑。

    BESIII超导磁铁是北京谱仪的关键部件之一,为北京谱仪提供大口径、高强度的均匀磁场。主要包括超导线圈、低温恒温器、冷物质及电磁力悬挂支撑结构和阀箱等,采用国际主流的单层线圈内绕工艺,强迫氦两相流冷却技术,通过专门设计的阀箱与氦制冷机相连接,实现远距离控制。

    BESIII超导磁铁是高能物理研究所研制的中国单体最大的超导磁铁。研制工作自2003年开始,历时三年,工程技术人员在解决了大口径超导磁铁绕制技术、绝缘固化工艺、间接冷却技术、专用电流引线等关键技术问题后,磁铁达到稳定运行状态。中国是继欧美、日本之后可以进行此种大型探测器超导磁铁研制的国家。

    2008 7 19 日, BEPCII 的加速器与北京谱仪联合调试对撞成功,观察到了正负电子对撞产生的物理事例,标志着 BEPCII 圆满完成了建设任务。

    2009 7 17 日,以国家发展改革委员会副主任张晓强和中国科学院常务副院长白春礼为主任的国家验收委员会对 BEPCII 工程进行了验收,“国家验收委员会认为,BEPCII 工程按指标、按计划、按预算、高质量地完成了各项建设任务,是我国大科学工程建设的一个成功范例”

    5研究目标

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    基于BEPC的科学研究

    开展国际前沿的t-粲物理研究,全面更新权威的《粒子物理手册》中的有关数据,期望在胶球和混杂态寻找以及轻强子谱的研究方面有更深入的了解或有所突破,为检验和发展强作用的QCD理论作出重要贡献

    核探测技术和快电子学

    完成BESIII的研制和调试,研究其未来改进方案;研制大亚湾实验的探测器与读出电子学,研究未来发展的关键技术。研发满足高能物理数据处理需要的跨平台SAN高速网络计算环境,对关键技术进行可行性测试。

    粒子物理和核物理理论

    密切结合BEPC/BES和国际上各大实验室的最新实验结果,进一步检验和发展标准模型理论,深刻理解标准模型存在的问题并进一步揭示可能存在的超出标准模型的新物理

    高亮度正负电子对撞机和相关加速器技术

    完成BEPCII直线机加速器和储存环各系统设备的研制和调试,解决BEPCII实现高亮度的加速器物理问题和关键技术难点。为国内大型加速器装置建设和参与相关国际合作研发关键技术。

    加速器技术的应用开发及产业化

    将医用加速器、工业辐照加速器、正电子断层扫描和工业CT等高技术产品规模产业化,部分产品形成品牌。积极开拓国际加速器工程中的技术市场和产品市场

    同步辐射及其应用

    大幅提升装置的总体性能,为国家纳米科技研究计划、结构基因组研究计划、国防建设急需的研究项目,及其它多学科的创新性研究提供高性能的实验平台

    6科学价值

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    简述

    北京正负电子对撞机的建成和投入运行,为中国粒子物理和同步辐射应用提供了基本研究实验手段和条件,成为跨部门、跨学科共同享用的实验研究基地,使中国高能物理研究进入了世界前沿,取得了具有国际水平的诸如实现τ轻子质量精确测量等成果。而且,正负电子对撞机所产生的同步辐射光作为特殊光源,可在生物、医学、化学、材料等领域开展广泛的应用研究工作。

    重大科技成果

    北京正负电子对撞机建成和高效运行,为中国高能物理研究取得举世瞩目的成就,跻身于世界八大高能物理研究中心之一做出了重要贡献。

    在高能物理实验研究领域,取得了一系列国际领先的研究成果。1992 年,τ轻子质量测量的精确结果纠正了过去τ轻子质量的实验偏差,并把精度提高了10倍,证实了轻子普适性原理,被国际上评价为当年最重要的高能物理实验成果之一;1999年,对2-5GeV能区的强子截面进行了测量,将过去世界平均值的精度从15-20% 提高到6.6%,将Higgs质量从61GeV改变到90GeV,解决了标准模型与实验结果的一个矛盾,得到了国际高能物理界的高度赞扬;2005年,发现的新型粒子X1835开辟了一个国际前沿研究热点领域,将在多夸克态寻找和研究等方面做出重要贡献。

    作为同步辐射装置,是目前国内唯一可以提供从硬X射线到真空紫外光的宽波段同步辐射光源,为凝聚态物理、材料科学、生物医学、软X光学、微电子及微机械技术等多学科应用研究提供了先进的实验平台。中国第一条生物大分子晶体学实验站于2003年建成并正式投入使用,首次获得了具有重要生物学意义的SARS冠状病毒蛋白酶大分子结构、菠菜捕光膜蛋白晶体的结构等重要成果。

    推动发展与多方面的积极影响

    北京正负电子对撞机的建设,不但推动了中国高能物理及相关领域的基础研究,还有力带动了中国相关高技术产业的发展,促进了中国计算机、探测技术、医用加速器、辐照加速器和工业CT等产业的技术进步,产生了巨大的经济和社会效益。

    (一)相关产业发展

    对撞机许多关键部件采取了世界上独一无二的方法进行研制生产,使国内相关企业在相关技术领域有了较大提高和突破,带动了中国机械、电子工业技术的发展。

    在磁铁和微波部件方面,其设计和研发水平已达到国际水平,先后向美国、日本、意大利、韩国出口加速管、能量倍增器、微波系统波导元件等高科技产品,为国家赢得了荣誉;微波和高频技术的突破为中国电视和广播事业的发展发挥了积极作用,多项技术用于彩色电视发射机速调管的批量生产;对撞机相关的超高真空技术研究,使中国高技术发展所需的超高真空基础技术有了较大突破,上海真空泵厂、沈阳科学仪器研制中心等一批企业,由此具有了生产超高真空系统的能力,向科研单位、航天工业、电子工业等部门提供了优质产品,并有多项产品出口。

    (二)其它方面的积极影响

    在开展高能物理实验的国际合作中,实现了国内第一个计算机国际联网,引进了WWW技术并向全国推广,对中国网络技术的发展起到了巨大的推动作用。

    作为人才培养基地,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,在上海光源、散裂中子源和硬X射线自由电子激光前期研究等国家未来发展方向的重大科技基础设施的建设中已开始发挥重要作用。

    主要发展经历和典型经验

    (一)主要发展经历

    北京正负电子对撞机于198410月在中国科学院高能物理所开工建设,198810月建成,邓小平同志亲自奠基并参加了落成典礼。作为中国第一台高能加速器,199010月投入运行。经过多年的运行和不断升级改造,北京正负电子对撞机的加速器故障率和运行水平已跻身于国际先进行列,对撞亮度等主要指标在其工作能区居国际领先地位,已成为以高能物理为主、同步辐射兼用,开展高水平多学科研究的科学研究平台。

    为进一步提升设施的综合性能,在世界同类型装置中继续保持领先地位,200310,国家投资6.4亿元启动了北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII),工程进展顺利,预计2007年完成。改造后对撞亮度和数据获取率将提高100倍,可进行τ-粲能区的精确测量,探索新的物理现象,预期在相关物理前沿课题将取得多项具有世界领先水平的重大物理成果。

    (二)典型经验

    对撞机是一个极为复杂的系统,为满足高能物理和同步辐射实验的需求,运行和管理任务繁重。为切实发挥设施的效用,中科院高能物理研究所围绕北京正负电子对撞机的运行和管理,在优化学科布局、体制机制改革、人才队伍建设、科研环境建设等方面进行了一系列创新实践。

    首先结合国家重大需求和学科发展前沿,积极部署前瞻性、战略性、突破性的研究工作,培育新的学科生长点;其次加强学科布局和组织结构的调整,整合资源,开展了深层次的人事管理制度、考核和激励机制、科研和工程管理机制等一系列体制机制的改革和探索,最大限度地调动和发挥了工作人员的积极性和主观能动性;同时坚持培养与引进相结合,建立起优秀的、富有活力的科技和管理队伍;加强国际、国内合作与交流,提高科学研究的整体创新能力;通过设立开放课题、聘请客座研究人员、建立合作研究组和联合实验室、合作培养研究生等方式来提高开放度等。

    上述工作卓有成效,使北京正负电子对撞机在与国际接轨的科研和管理进程中前进了一大步,为建成世界先进水平的高能物理实验基地和先进加速器技术发展基地、多学科创新性研究的实验基地、培养优秀科技人才的基地和促进相关高技术产业发展的基地,为将高能所建成世界一流的研究所打下坚实的基础。

    权威部门认证和评价

    基于该装置完成的研究成果获得国家自然科学二等奖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,以及中国物理学会吴有训奖和胡刚复奖。

    BEPC是在邓小平同志亲切关怀下建设的国家大科学工程,建成后迅速成为在30亿到50亿电子伏特能量区域居世界领先地位的对撞机,获得了大批重要的物理成果,成为国际高能物理界的热点之一。国际高能物理的发展要求BEPC进一步大幅提高加速器和探测器的性能,实现更加精确的测量,去回答高能物理实验领域许多重大的问题,探索新的物理现象。

    工程成就

    1999年开始,北京正负电子对撞机未来发展的预先研究已经开始。改造工程最初计划采用单环方案,使用麻花轨道实现多束团对撞,亮度提高一个数量级左右。但由于受到BEPC丰硕科研成果的吸引,2001年美国康奈尔大学把一台原先在高能量下运行的对撞机转到BEPC的能区工作(称为CESRc),主要设计指标对撞亮度与BEPC改进升级的目标相同。但是他们采用短平快的方法,声称能在23年内达到设计目标。实际上,他们的短平快方法并不成功,CESRc只达到了设计性能的1/51/8

    “然而在当时,如果BEPCII不改变方案,大幅度提高效能,我们将失去国际竞争力。”陈和生介绍,面对严峻的竞争,为了继续保持在国际高能物理研究上的优势,中国科学家接受挑战,迎难而上,提出了新的改造方案。

    采用最先进的双环交叉对撞技术改造对撞机,设计对撞亮度比原来的对撞机高30100倍,远高于康奈尔大学对撞机,使BEPCII将在世界同类型装置中继续保持领先地位,成为国际上最先进的双环对撞机之一。这个方案的验收指标是将性能提高30倍,难度极大。

    这个方案得到了科学界的支持和国家的批准,并在2004年初开工建设,称为北京正负电子对撞机重大改造工程。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,巧妙地利用外环提供同步辐射光,并将硬X光的强度提高了一个数量级,满足广大同步辐射用户的需求。

    BEPCII工程于20041月动工,计划工期5年,改造的主要目标是提高对撞机的性能,使粲物理数据增加两个数量级。

    “我们边建设边提供同步辐射光,创国际先例。”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:直线加速器改造、储存环改造和探测器改造,并克服重重困难,在每个阶段都插入同步辐射运行,最大限度地减少工程对同步辐射用户造成的影响,创造了在大型加速器的建设过程中提供同步辐射专用光服务的国际先例。

    20094月下旬,开始本轮调束前,BEPCII/北京谱仪III进行物理数据采集,仅用不到一个月的时间,就获得了1亿ψ(2S)衰变事例,是目前世界上最大的在ψ (2S)共振峰上采集的数据样本,数据质量非常好。而改造前获取1400万事例要用三个多月的时间。

    BEPCII挑战加速器建设和调试的难度极限。”陈和生透露,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(BEPC)储存环的周长短,只有240米。隧道原来是给单环设计的,空间狭小。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,BEPCII的对撞区非常短,必须在28米内实现。

    其次,多项先进技术为首次应用。为了继续保持在τ—粲物理能区的先进性,工程采用大量国际上的顶尖技术,而许多技术、设备是国内从未有过的,而高能物理对撞机的加工精度往往比航天、航空领域的要求还要高。比如,对撞机必须使用多种先进的超导设备,大多为国内从未有过的,并为此建立大型氦低温系统。其他首次应用的技术还有加速器建造中的横向反馈系统、超导高频系统、超导磁铁、全环轨道慢反馈、束团流强检测控制,探测器建造中的高分辨率晶体量能器、小单元氦基气体漂移室、大型螺线管超导磁体、阻性板室(RPC)等。

    据悉,BEPCII对撞亮度达到验收指标的消息传出,世界各大实验室的加速器专家,如欧洲核子研究中心(CERN)的副所长Steve Myers、大型正负电子对撞机LEP和大型强子对撞机LHC的调束运行负责人CERNPaul Collier博士、美国布鲁克海文实验室(BNL)的著名加速器专家翁武忠博士、美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的赵午教授等纷纷在第一时间发来邮件表示祝贺。

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    标签: 高能加速器

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