北京正负电子对撞机建造始末:曾遭多方质疑,方案险些被灭顶

谢家麟/中国科学院院士、国际著名加速器物理学家

2016-10-09 20:14 来源:澎湃新闻

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谢家麟(1920-2016),中国科学院院士、国际著名加速器物理学家、2011年度国家最高科学技术奖获得者,我国粒子加速器事业的开拓者和奠基人之一。他为我国高能粒子加速器从无到有并跻身世界前沿起到了至关重要的作用,对我国高能物理实验基地的建造做出了卓越贡献。
谢家麟先生于1993年为纪念高能所建所20周年撰写本文,2005年在本文编入《中国高能物理发展中的叶铭汉学术报告会论文集》时曾做出修订。

1988年10月,北京正负电子对撞机(以下简称BEPC)实现了对撞。从此,中国进入了具有研制高能加速器能力的科技先进国家之林。BEPC的优异性能为高能物理实验创造了条件,由而获得了τ质量值修正、R值的测量等重要成果。一机两用,也同时使应用广泛的同步辐射的研究成为现实。更重要的是通过这些工作,培养了大批的人才,充实了我国尖端领域的科研队伍,提高了我国的工业水平。近年我们已经在世界范围出口加速器部件。因此也取得了经济上的效益,以事前没有建造高能加速器经验的国家,一举而获得全面的成功。这是我国科技发展的一个重要的里程碑,也是高能物理研究所建所以来最大的贡献,它的意义无疑是十分巨大的,值得我们认真地总结和思考。
我有幸从1981年,从开始设计到进行安装,担任它的技术负责人,又作为成员,参加过十次与此工程有密切关系的“中美高能物理联合委员会”会议,因此对其中经过,颇多身历。这里我不能像一个历史学家那样,阐述这个工程发展的全面过程,只想把亲自参与的一些环节写出,有如雪泥鸿爪,聊供参考,虽非全面,但求翔实,也许可为以后研修中国科技发展史者,提供一些史料。更重要的目的,则是希望后来人知创业维艰,得来不易,而有所激励,能继续为我国高能事业奋斗,并使之发扬光大。
一、历史背景——八七工程
回顾历史,在中国建造高能加速器,开展高能物理研究,乃是我国物理学家梦寐以求的理想,它历来得到周恩来总理和其他中央领导的关注。从50年代后期,就曾几度筹划、酝酿。1972年张文裕同志带领我们寄信给周恩来总理,建议建造一台高能加速器,开展高能物理实验研究,并得到周总理的批示。至此,事情才开始正式行动起来。1973年成立了高能物理研究所,并由张文裕同志担任所长。他是我国在国际上著名的物理学家,证实了μ原子的存在,发明了多丝火花计数器,提出了一个重子能级跃迁图,与肖健先生共同领导建成当时世界上最大的云室,种种业绩,难以尽述。他一贯重视理论与实验相结合,并且一再对此观点进行宣传。建造高能加速器,可以说是他这个思想的具体体现。他为此呕心沥血,任劳任怨,献出了晚年的全部精力。他对我国高能事业的奉献,是我们永远不能忘记的。
1977年11月,中央批准代号为八七工程的高能加速器的建造任务,成立了指挥部,由赵东宛同志任总指挥,任命林宗棠为工程总工程师,郭树言为高能物理研究所总工程师,我为加速器总设计师。这个工程选定北京市昌平县为实验中心的基地,拟第一步建造一台能量为50GeV的质子同步加速器(此后简称BPS),以后再用它作为注入器,注入到更高能量的加速器,以求最后在能量上,达到国际的前列。
但是应当说明,八七工程是在相信中国有“十个大庆”油田,经费不成问题的背景下提出的,在科学并未经过慎重的论证。由于我国对如此高能量的加速器,缺乏具体经验,故在1978年,决定派人带着在国内完成的初步设计,出国考察,深化设计。当时的形势是文化大革命刚刚结束,门户初开,中美尚未建交,美国政府持反华态度,倡导“两个中国”,因此从政治上,我们对美国是疏远的,但认识到美国在科技领域中的领先地位;西欧在政治上比较友好,但在加速器领域,多少是后起之秀。故决定国内继续进行设计的同时,派出两个设计考察组。一组由何龙、方守贤二人到西欧中心(编注:即欧洲核子研究中心);一组由谢家麟、钟辉、隋经义、徐建铭、毛振珑、潘惠宝、沈宝华、王书鸿、肖意轩、陈森玉等十人去美国费米实验(此后简称FNAL)。
去美国的考察组是由在FNAL工作的邓昌黎教授安排的。我们在费米期间,他给了我们无微不至的生活上的关怀和业务上的帮助。Wilson所长对中国十分友好,尽管当时中美尚未建立正式外交关系,他还是热情接待,举行了盛大的欢迎会。会上他和我都作了热情洋溢的讲话,饭后他邀我与他一同把五星红旗升到该所的办公大楼之前。我们于1978年5月到达以后的两个半月的时间里,他始终极力支持,密切配合我们工作,并主动提出把一批设备借给我们带回(经过请示后我们未接受)。
在此期间,李政道教授与袁家骝教授提出布鲁克海文国家实验室(此后简称BNL)的AGS加速器与BPS能区相近,有很多可以借鉴之处。因此我和考察组的部分成员,在FNAL完成深化设计任务后,于8月初到BNL,进一步工作到月底。在此期间李政道教授正在BNL讲学,我们朝夕相处,他对我国高能事业殚精竭虑的热情,给了我极为深刻的印象。为了解决建造高能加速器所需美国供应的特殊器材问题,李教授与BNL的副所长R.Ran还特意安排我就能源部高级官员J.Dentseh来BNL视察之便,向他当面介绍了设计方案和所需器材。此外,李教授还邀请BNL的有关专家,开会讨论了适合我们的能区的探测器和计算机的问题。从我们的接触中,可以感觉到他对中国的BPS加速器的方案和发展高能事业的途径是有看法的,不过可能由于中国既已对八七工程的50GeV方案作了决定,他就采取了尊重中国的决定,尽力促成它的实现的态度。
这年年底(编注:邓小平同志1979年1月访美),邓小平同志访美,与美国总统卡特签订了中美科技合作协议,高能物理合作就是其中的第一个子项,并成立了中美高能物理联合委员会,国家如此重视高能,为我国发展高能事业创造了非常有利的条件,也给我们这些科技人员以极大的鼓舞。
二、方案调整, BPS下马
1980年底,我国国民经济调整,基建收缩。中央决定八七工程下马,但高能不断线,可在玉泉路高能所,利用八七工程预制经费1.2亿元的剩余部分,进行较小规模的高能建设。就这样,一个庞大的、脱离我国实际的高能规划刹车了。过度膨胀的高能所人员的情绪,犹如一场烈焰被倾盆大雨浇淋,波动极大。不过现在反思国家建设和高能事业的得失,这个调整、收缩,对高能所来说,真是“塞翁失马,焉知非福”。假如沿着原来的“大高能”走下去,物理上步人后尘,难出成果,摊子又铺得过大,经费势难维持,结果显然是不上不下,替国家造成极大浪费,后果不堪设想。从这些方面看来,当时中央的决策,是十分英明的。
此时高能所面临的局面是如何调整。在1.2亿元预制经费中,玉泉路基地已用去几千万元,剩下的约9千万(后增约1亿元多)就是调整方案、量体裁衣投资的限度了。在所内发动群众进行讨论,见仁见智,分歧很大。对加速器方案有:电子还是质子?慢加速还是快加速?强流还是弱流?能量高些还是低些?等等方案。在这四项考虑中,后三者都是质子方案。这反映了当时群众的思想状况。
就在这个动荡时期,李政道教授作为中美高能物理联合委员会的联系人在1981年1月打来了电话,提出:高能是中美科技合作的一个项目,而且原定1981年6月要在北京开中美高能物理联合委员会第三次会议的,如今调整了方案,是否需要向美方各有关实验室通报,商量以后合作的内容?领导研究后决定派朱洪元教授和我前往商讨。这时,所内讨论已有了一些进展,确定了建器应尊重实验物理学家的意见的原则,决定首选是弱流慢引出,能量为5GeV的质子同步加速器,第二选择则是能量为2GeV的快循环的增强器。这是朱、谢出国前的情况。
1981年3月17日,朱、谢和当时在美的访问学者叶铭汉同志在FNAL与美国参加合作的几个实验室的所长和专家们,举行了非正式的、通报中国高能调整方案的讨论会。美方主席J.Leiss未曾与会,这也许是美官方态度有些冷淡的缘故吧。就是在这个会上,我介绍了所内商定的调整方案之后,大家展开了讨论,在各种建议之中,美国斯坦福直线加速器中心(以后简称SLAC)所长,潘诺夫斯基教授(以后简称潘教授)提出了建造2.2GeV正负电子对撞机的建议,与会者大多同意这个建议,认为它有明确的物理目标,造价也适合中国政府的规定。事实上,潘在1973年中国高能物理代表团访美和他在1976年访华时,都曾以不同方式提出过类似的建议。
朱洪元教授和我对潘的建议进行了非常详细审慎的研究,觉得它虽然能量不大,规模适中,但可做国际上前沿的物理工作,而且有兼顾同步辐射应用的特点,这是我国在目前经济收缩的条件下,仍能在高能物理方面迎头赶上世界先进科研行列的极好方案,在会上所有的建议中,这无疑是最适合我国情况的,因此值得认真对待。朱通过电话与当时在美访问的中国物理学家,现任中国科学院院长周光召同志(编注:本文写于1993年),交换了意见,得到了他的支持。此后,我们在BNL又组织了在当地的访问学者们,包括叶铭汉、冼鼎昌、徐英庭、周月华等,进行了座谈,也获得了绝对多数对建造对撞机的赞同。
谈到这里,使我想到朱洪元教授,他以理论物理学特有的严格严谨的作风,和对高能物理事业无比的热忱,对BEPC的物理目标、能区选择、方案论证等等方面,起了非常重要的作用。现在,BEPC以优异的性能建造成功,而他却在1992年溘然长逝,离开了我们,思之令人神伤!
会后美国科学家及美籍中国学者,在与我们私下的接触中,也还是表示了不同的意见。例如有人提出在这个能区没有有意义的物理实验可做;也有人说,对撞机技术要求特高,束流不稳定性和超高真空,都是难题,中国能否做出来?中国第一个高能加速器就做技术很难的对撞机,冒的风险是否太大了,等等。
为了进一步落实对撞机方案,朱、谢在3月底回到SLAC,我们分别与该所大约20名物理学家和加速器专家深入地探讨了对撞机的物理目标和技术问题。这时,以严武光为首的在美国西海岸的15位中国访问学者,提出了“关于建造一台3-5GeV正负电子对撞机的建议”。诺贝尔奖金获得者B.Richter教授也提出了一个在5.7GeV能区工作的对撞机的方案,同时我们也深入调查了在美建造这么一台机器的造价。这样, 2.2GeV对撞机的轮廓逐渐勾画出来,为进一步讨论提供了基础。
三、上下求索,艰难起步
朱、谢由美回国后的主要工作是把对撞机方案向领导和有关方面汇报,解释疑问,争取支持。但此时赞成质子加速器的仍然大有人在。1981年5月初,由学部与八七工程联合召开了有很多国内知名物理学家参加的香山会议。其后,我们又两次向学部常委会做了方案汇报,在丰台进行了预制方案讨论会,在承德,高能物理学会也对此做了重点讨论。
经过多次的汇报、论证与讨论,由于对撞机方案的明显优越性,国内舆论逐渐向有利于对撞机的方向发展。1981年7月所内成立了“对撞机筹备组”,希望把全所工作的重心转到对撞机的方向上来。这样,在表面上又向前跨进了一步,但实际上困难和阻力还是很大。从各方面提出了很多的质问,例如国外的估计,不到2千万元美金,但中国的国情不同,造价将是多少?国外专家也说对撞机技术困难,你们有把握在中国自己力量的基础上做出来吗?中国对大科研工程的管理组织缺少经验,在1981年的当时,更是很落后混乱,能适应这个尖端工程的需要吗?现在你们说有物理窗口,但几年之后还有吗?美国SPEAR对撞机会自己不做,而把机会保留给你们吗?当时科学院实行学部领导,不少学部委员,鉴于过去我国上大项目,犯过一些错误,以科学家应有的认真精神,好心地主张这次应当特别慎重,甚至有人提出要负责人签字,不能接受按领导批示办事等等,使我这个技术抓总的人感到很大的压力。
这时形势是严峻的,要想推动工作,必须在难度可以克服、投资9千万人民币可以包下来两点上表态,已是大势之所趋了。但是,在这样重要的问题上表态,不只关系个人,更关系到国家和人民的损失,因此我当时是作很大的努力和很多的工作来回答这两个问题的。
在经费问题上,国外的经验是清楚的。SPEAR用了2千万美元,我与西德电子同步加速器中心(DESY)的副所长G.voss教授讨论时,他也认为9千万人民币是足够了,但这终究是人家的判断,在国内必须取得具体的依据。因此,在所内开始组织各分系统做经费预算。总体投资当然是在各分系统预算的基础上,才能提出来的。而过去作预算,习惯于 “头戴三尺帽”,多报些以备削减;另外还有借此难逢的机会,武装自己小摊子的想法。因此报告的预算远远超过限额。当时我的办公桌上,堆着约一尺高的预算表。在审查过程中,我只好用解剖麻雀的办法。选择了一个项目,用了几天的时间,从技术方案到工艺路线和使用器材,逐项调查落实。最后发现,不同做法,在同样可以保证质量的前提下,在投资上可能形成巨大的差异,心中对科研工程投资的伸缩性,就有了一个具体的概念,后来有一位“西欧中心”的专家来所参观后,曾对我说:“你们的设备实在太好了,我们用几十兆的示波器的地方,你们却用几百兆的”。这可从一个角度说明为什么造价估计可有成倍的差异。根据这些经验,我认识到不树立原则上的共识,设计与估价都是无法进行的,因此后来(见后)提出了六项设计指导思想,以求思想上的统一。就这样,经过许多调查、分析、说服、辩论的工作,最后9千万元预算终于成为大家可接受的数字了。(现在看来,截至1988年11月建成后一个月为止,谱仪及电子学共用2940万元,直线用2650万元,储存环及输运线共用3010万元,合计8680万元,可见当时的估价还是相当准确的了。后来领导把经费限额放宽,我们放弃了根据经费分期扩充的概念,把同步辐射的建造提前实施。另外,在建成BEPC对撞机的同时,进口了大批先进设备,也建成了各方面具有国际上一流设备的实验室,这些费用,当然不属于原来估价的范围了)。
在技术难度问题上,确是有很多人持怀疑态度的。我在不同的场合强调指出的自50年代以来,我国已培养了一批加速器理论和实验人才,我们制造过一些低能加速器,有关的工厂也获得了一定的经验。特别是与对撞机有直接关系的电子直线加速器,在1956年——1964年期间,资本主义国家对我禁运,苏联对我保密,我国工业水平又很低的情况下,我与一批刚刚大学毕业的青年,自力更生,奋斗八年,建成了一台技术要求十分精尖的30MeV电子直线加速器,同时制成了国际上功率最高一级的大功率速调管。这个加速器使用放大器而非振荡器,加速场相速等于光速,因此,可以照样延长,提高能量。但实质上是一种高能加速器的预研,通过它我们培养了一批有实践经验的队伍。现在,在开放政策所创造的有利条件下,我们可以通过中美高能物理联合委员会的途径,吸取美方的经验。技术上可以请进派出,关键器材可以进口,同时我们的工业水平也今非昔比,以前那么困难的情况下,一切依靠自己,吃馒头先要种麦子,我们不是也做出来直线加速器和大功率速调管吗?现在条件如此优越,怎能说技术上不可行呢!我相信,这个事实对树立大家的信心是有帮助的。
这个时期存在的另一个巨大的矛盾是,要想说服别人,推动论证,就需要拿出实际的材料,这就意味着要有大批熟悉业务的人员,做很多技术性的工作。但这时人心涣散,有人别寻出路,有人出国工作,不少人持观望态度,能够死心塌地工作的人数与需要的工作量相比,极不相称。正如滚一个雪球刚刚起动,要经过一段艰苦历程,散落的雪才能附着上去,达到迅速扩大的阶段。
这时,学部领导对BEPC方案,进行了认真的审查。审查的结果是批准350万元经费进行预制。形势比调整初期已有很大的进步了。为了利用SLAC的条件深化总体设计,取得预制项目的参考资料,落实器材的采购渠道,领导决定派邓照明局长、朱洪元和我三人于1981年9月,再次去美。
四、曲折前进,方案落实
没有想到,在BEPC即将步上坦途之际,竟又出现了几乎灭顶的险情。原来出访的目的是进一步推动落实BEPC工作,但是,在三人临行前夕,在科学院聆听领导指示时,听到的却是(大意):根据摸底的情况,经费不能超过7千万元,方案还是质子,因为已经有了质子加速器的基础,可用八七工程的35MeV质子直线加速器注入到2-5GeV的质子同步加速器,用来做老领域的研究。至于对撞机,则等预制完成后再说,因为它有技术困难问题、物理窗口问题,也有需要重新审批的问题。这个指示与我们原来理解的意图,全然不同,使我们感到茫然,但这是领导的指示,我们只得怀着沉重的心情,在1988年10月10日踏上赴美的班机。
次日在斯坦福大学与李政道教授会面,转达了领导的意见。这显然改变了原来的设想,李教授感到十分诧异,觉得这样举棋不定,反复变化,对电子、质子这个大方向仍不确定,那么第三次中美高能物理联合委员会会议如何开法?什么是合作项目?下一步向何处推进?李教授以海外学人对我国高能事业的一片赤诚,极力说服推动,结果邓照明同志与国内通了电话,经过有关领导的再次慎重研究,终于肯定了正负电子对撞机这个大方向,这就使原来打算到美进行的下一步亟待进行的工作,成为可能,也为第三次中美高能物理联合委员会确定了目标。
这样,在10月25日,中美高能物理联合委员会在FNAL再次举行了非正式的会议。在这会上,我们向美方说明了中国建造对撞机的决心,确定了的一些预制项目,提出了与各实验室下一步合作的设想。为第三次联合委员会会议作好了准备。
BEPC建造中,另一个关键的问题是,进行高能物理实验和数据处理的快电子学元件、先进的计算机系统和其他方面也需要的尖端测试仪器,这些国内尚不能生产,必须进口,这就首先要解决美方对我禁运的问题。为了简化美国能源部、商务部、国防部逐项审批的复杂手续,美方希望有一个一揽子的器材清单,所以会后,我又回到SLAC,突击拟定了一个“2.2 GeV正负电子对撞机技术内容的总体说明”,提交美方,作为在基础研究项下批准禁运器材的依据。后来,1982年夏总体设计考察组在SLAC工作期间,潘教授又介绍我与美国总统科学顾问Keyworth博士会面,我向他介绍了BEPC方案和所需器材,他也答应帮助解决关键器材的禁运问题。
五、设计预制,制造安装
在高能加速中,正负电子对撞机较静止靶加速器有更高的有效能量,而且反应通过电磁作用,本底很低,结果易于分析,优点很多。但它也有局限性,就是只能在设计的很窄的能区工作,离开设计能区,亮度就会以大约能量的四次方下降。因此能区的选择就成为至为关键的问题了。国际上由于能区选择的失当,而建成后未得预期效果的对撞机,颇有先例。
BEPC的能区最初选在最适于研究粲粒子的2.2GeV,但后来为什么又很不一般的以2.2/2.8GeV表示呢?这里有一个过程,就是1982年初,SLAC的潘教授和BNL的Samios 教授,都先后向我提出过2.8GeV能区粲重子研究的重要性。经过我们认真考虑,认为如能将BEPC的能量保留由2.2GeV延伸到2.8GeV的可能性,就会有助于扩展它的研究领域,延长它的使用寿命。因此,我向当时中国科学院主管业务、直接领导BEPC工程的钱三强副院长做了汇报, 提出要求改变设计指标。他认识到这个变动的重要意义,做出了正确的判断,同意了我的要求,但强调以后千万不能再变了。可是这样就产生了一个技术问题,就是以前申报的都是2.2GeV,如果改提2.8GeV,势必引起许多程序上的困难,重新审批,必然旷日费时。因此,我们最后将2.8GeV解释为裕量,这就出现了有人不能理解的2.2/2.8GeV能量指标这个提法了。钱三强同志在领导BEPC期间,为我们做了大量的工作。委托张厚英同志来所担任常务副所长,就是一个重大的措施;在职称政策上也对高能所实行优惠,使技术干部积极性得以更好的调动,他对我国高能物理的发展,正像对核科学、技术一样,作出了重要的贡献。不幸,他现在也离开我们了。
谈到设计问题,使我想到虽然国内以前没有建造高能加速器的经验,但培养人才的工作却从50年代一直在进行着,国内通过前述30MeV电子直线加速器的研制,锻炼出一批对直线加速有经验的干部,如李广林、朱孚泉、顾孟平、潘惠宝、刘世耀、周述、任文彬等人。另外,我们曾派出大批优秀人才参加苏联杜布纳联合核子研究所的工作,后来又先由苏引进,后自行仿制了一些低能加速器,如回旋加速器、感应加速器等,通过这些工作培养了大批对圆型加速器有经验的干部,如徐建铭、方守贤、严太玄、徐绍旺、肖意轩、黄维舜等人。设想,如果没有这批人才的储备,开展设计工作就会遇到巨大的困难了。因此,饮水思源,不能不感谢我国科技领导的高瞻远瞩,为高能发展创造了基本的条件。
BEPC是一个规模较大的科研工程。既有工程的规模,又有科研的性质。工程一般是有规范可循的,设计根据手册,要求一劳永逸,长期使用。科研则要强调性能灵活,而性能又与进度、投资三者相互制约。由于科技水平不断发展,所以建成之日,也就是改进之时。在世界上高能加速器虽然不算多,但各国的具体设计,却迥然不同。有的使用很大的安全系数,不计工本,以保证一次成功;有的采用临界设计,但留有发展的余地,以图省时省钱。我们历年曾向世界各大实验室,派出人员学习访问。回来之后,多少都带有各实验室的传统作风的烙印。因此在设计思想上,见仁见智,难以找到一个在性能指标上相互匹配、连贯一致的认识。就此,我曾与许多高能加速器实验室所长交换过意见,都感到它确实是令人困扰的问题。因此在初步的设计中,我根据30年来从事加速器研制的体会,提出了六条设计指导思想。即:
(1)以保证高亮度为首要考虑,
(2)采用经过考验的先进技术,
(3)设计中强调简单、可靠,
(4)采用能达到性能指标的最经济的技术路线,
(5)设计中保留以后改进的余地,
(6)设计中保留一机多用的可能。
以上每项都有一些具体内容,但为篇幅所限这里就不能展开了。这些原则的提出,对各系统统一口径,协调匹配,起到了一定的作用。
为了说明设计工作中多种因素的制约关系,可以用BEPC注入能量的选择作为举例。如所周知,全能量(2.8GeV)注入,可以维持最高的回旋束流,当然是最为理想的。但经费分配和玉泉路的地理条件,都是不允许的,所以只能使用较低能量的注入器。另外还有一个在注入正电子时,正负电子能量的分配问题:直线加速器前一段,加速电子提供产生正电子的能量,后一段提供加速正电子的能量,两者之和不变,此高则彼低。产生正电子的能量高,则正电子电流大,对缩短储存环注入时间有利。加速正电子的能量高,则束流寿命长,发射度小,阻尼时间短,电子靶辐射损伤小,快头尾不稳定性阈值高,对储存环束流在加速前的积累有利。注入时间与对撞时间相比很小。缩短注入时间的好处是缓慢变化的,而且可以在前一段,使用功率较高的速调管加以补偿。但如不能很好地积累正电子束流,则损失将是决定性的。对此,我曾再三分析。最后经过与有关同志商量,终于在产生和加速正电子的能量之间,采用了与美国SLAC不同的比例。高能加速器中,参数的决策,常常是只能两害相权取其轻,两利相权取其重。其他重要的设计决策,如储存环磁铁的孔径、直线加速器应否采用能量倍增器等等,也都是如此的。
高能加速器的另一特点是前面提到的,在总体设计固定后,保留改进的余地。这表现为:1983年底,就粒子加速器学会在杭州开会之便,我召开了一个储存环方案补充讨论会。在这次会上,考虑同步辐射光束引出的问题和其他新的认识,对偏转磁铁的长度,作了微小的修正,对冲击磁铁的安排出也作了一些改变。后来为了补偿探测器轴向磁场对轨道的扰动,方守贤同志主持在注入处增加了两块磁铁,取得了很好的效果。此后,还会有一些局部的修正工作要做,如采取措施进一步提高亮度;使用扭摆磁铁以摆脱兼用模式对同步辐射的限制等等。
总体设计工作完成,系统与部件性能参数落实之后,底下一步就是要在投产以前,对技术上关键的系统与部件进行预制研究,以便掌握技术与工艺,保证批量生产能达到设计指标。为此,我们在注入器、储存环、探测器等方面,分别选定了一批预制项目,在1981年学部批准后开始进行。这样,BEPC的研制就从软件推进到硬件了。
前面已经谈到,在我们完成BEPC的初步设计之后,为了深化设计,我所组织了一个由21名人员参加的对撞机总体设计考察组,包括谢家麟、张厚英、全金关、周述、任文彬、钟世材、滕克俭、朱孚泉、严太玄、陈森玉、程渭纶、章炎、刘世耀、徐建铭、章乃森、王泰杰、邓树森、席德明、戴贵亮、侯儒成(翻译)(另有叶铭汉同志正在国外作访问学者,由国外加入考察组),在SLAC进行了三个月的考察工作。张厚英同志是在BEPC上马之初,院里就派来担任常务副所长的,他以丰富的科研管理经验、充沛的精力与干劲,在组织管理、条件保证、基本建设等方面,对BEPC工程的顺利完成,做出了十分重要的贡献。
考察组的工作方法是由我方谱仪、注入器、储存环等方面的人员与SLAC有关专家分别搭配,逐项讨论。在设计中吸收他们成功的经验与失败的教训,收获是很大的。后来这些考察组成员都成为BEPC建造的技术骨干。举一个例子:我们了解到SPEAR对撞机真空盒的横向尺寸变化较大,因此阻抗大而束流不稳定性阈值较低。所以,在BEPC的设计中,特别注意减少横向尺寸的急剧变化,这对推迟不稳定性的出现是十分重要的。BEPC今天能在亮度上超过SPEAR四倍,这点是起了关键作用的。
为了保证真空盒横向尺寸的缓变,限制它的阻抗,我招收了一名博士研究生王光伟作这方面的论文,我的另外一名研究生裴国玺则以正电子产生与俘获为论文题目,通过与他们的经常讨论,使我对BEPC这两个关键环节的研制问题,有了较多的掌握与了解,也体会到新生力量对科研事业的重要性。我个人虽然酷爱具体的研究工作,但从技术上领导像BEPC这样的规模庞大、技术综合、性质尖端的科研工程,实在难以从文山会海中摆脱,心余力拙。因此,我主要抓住各系统,如直线加速器、储存环、谱仪、同步辐射等之间的匹配。这包括性能的匹配和进度的匹配。具体业务就只能依靠各系统的既有水平又有才干的领导和群众了。虽然事例很多,但谈起来难免挂一漏万,这里我就不一一叙述,详细阐明他们每个人对工程的重要责献了。
为了集思广议,活跃学术思想,我在BEPC开始研制之初,特别邀请了中国科技大学曾在SLAC工作的访问学者姚志远,到所做了系统的有关储存环的理论报告,也借调了南京大学的姚充国,到所参加直线加速器工作。他们两位在各自的领域都是成绩卓著的,对我们的工作是有所促进的。对待国家如此重视的工程,我们不应该调动多方面的力量吗?对于此事,个别同志总有不同的意见,我至今仍感到,“门户之见”是我国科技发展的一个很大的障碍。
在谈到BEPC的研制过程时,我们不要忘记当时是门户开放之初的时代背景。在选择技术路线时,必须考虑器件能够得到供应的前提,这就要求除了纯技术考虑之外,还要考虑国内工业的水平与产品之质量,或进口的可能性。在储存环高频系统的选择上,可能使用的频率有50、200或350兆赫。我们选定200兆赫,就是在全面考虑了许多相互矛盾的要求之后决定的,如束团长度、不稳定性阈值、禁运限制等等。
在基建工作中也曾遇到过一些常规工程中不出现的问题,例如BEPC地基下沉率对对撞机运行的影响,马路车辆和地铁引起的震动对粒子轨道的扰动,昂贵的空调设施的要求和使用范围等等。这些非常规的特殊问题常常构成不同部门之间的意见分歧,为了取得共识,落实指标,我受命带领设计院参加设计工作的同志和高能所参加同步辐射工作的同志,到西德BESSY和DESY作了短期考察,圆满地解决了一系列的基建要求和措施。在同步辐射方面,DESY同步辐射实验室负责人曾告诉我,未来同步光的主要用途在微加工方面。鉴以目前的发展,我觉得他在十年前能说这话是非常有预见的。
谈到同步辐射应用,虽然最初为经费所限,启动较晚,但设计考虑和技术储备却自1982年一直在进行着,所内成立了调研小组,1983年为同步光引出在总体设计中对偏转磁铁进行了修正,1984年派出了到西德DESY和BESSY的考察,还举行了有全国主要用户参加的“同步辐射光及其应用”的规模很大的讨论会。同时,也陆续派出了一些人员到国外实习。但是,光束线具体硬件的订货和研制,则是领导提出BEPC建设方针应该强调应用,并为我们争取了额外的经费以后才开始进行的。
为了保证BEPC这样复杂的科研工程的实施,我们需要较一般工程上使用的横道图更为科学的计划方法。国外对大型科研工程,一般采用CPM(临界路程方法)或类似的统筹计划方法来指导工程进展。它根据技术内容的因果关系,可以给出影响工程进度的关键环节(临界路程),是推动大型科研工程的一种有效计划方法。我在八七工程任总设计师时期,就编写了讲义,向全所介绍。在BEPC建造的过程中,从1981年起更大力推广,同时根据我国的具体情况,对此方法作了补充,若要CPM起到指导作用,就必须输入对技术问题本身的全面分析和对完成时间的正确估计。如果输入的数据不准确不可靠,就很难希望它起到应有的作用。由于缺少经验和希望保险的心理,在时间的估计上有时会有成几倍的误差。为了把握可靠的输入数据,我们组织了专人,到各有关研究室,了解情况,估计进度,参与CPM的编制。这样才有了比较可靠的输入。大家反映,它对推动工程起对很大的作用。这也可以说是,根据国情,我们对CPM的发展吧。
为了推动BEPC的建造,中央在1984年批准成立了以谷羽同志为首的包括张寿、林宗棠、张百发同志的四人工程领导小组,这是BEPC得以顺利建成的决定性的一步。由此, BEPC的一些关键部件(八大件)的制造可以通过国务院重大装备办公室直接安排工业生产,这在加工定点、质量保证、合理定价、如期交货等方面起了不可估量的作用;在经费调拨上,从预制开始,一直是重点保证,从未间断,进口器材所需的外汇,也得到充分的支持。在基建方面,解决了征地、配备了北京市高水平的施工队伍,进度才能得以保证。在暴雨浸没隧道的险情下,马上有消防人员前来排水,在把探测器线圈这个庞然大物从坨里原子能研究院运到高能所的过程中,北京动员了公安、交通、电信等许多部门,保驾护航,才能平安到达。试想在中国特有条件下,低效率、善扯皮的官僚主义还相当严重的情况下,没有四人领导小组,以上这些问题能够解决吗?工程能够快速推动吗?
最后,我想指出BEPC的建成,尽管是由于中央的决策,四人小组的领导,国际交流的获益,但是,归根到底内因为主。正负电子直线加速器、储存环、谱仪、同步辐射、束测束控、电子学、数据采集与处理的计算机系统、技安等种种方面,哪一个系统都是国际水平的性能指标,达到它需要解决许许多多我们过去没有接触过的技术难题。有的要求很高的理论水平,有的要求丰富的实际经验,有的要求锲而不舍的精神,有的要求废寝忘食的投入。事例很多,但为篇幅所限,这里我只想谈一件事。在BEPC建造期间,一位中年技术骨干的实验室因夏天西晒的关系,室温很高,他在那里长时间调试设备因受热而突然昏倒。有人告诉我后,我让他去休息,但过一会儿去看,我发现在他在那里埋头工作了。每忆及此事我总是深受感动。可以断言,没有高能所高水平的科技队伍的努力,行政管理人员的配合和技术娴熟的工人的支援,尽管有了其他有利的外因,BEPC的成功是不可能的。谈叙至此,我为高能所全体职工感到无比的自豪。
六、众志成城,个人感受
BEPC自1981年落实方案开始筹建以来,1982年完成了包括注入器、储存环、谱议、束流监测控制和基建要求,造价估计的初步设计,开展了预制研究;1983年改进了设计,个别预制样机研制成功; 1984年10月7日邓小平和其他中央领导同志为BEPC工程奠基,标志了工程的一个重要的发展阶段。1984年底能量倍增器试验成功,90MeV电子直线加速器出束,1985年主要设备分别交货,1986年进行安装,1987年开始总调,正电子注入储存环,1988年7月同时储存了正负电子束,10月实现了对撞,真可说一个胜利接着一个胜利。
如此精尖庞大的科研工程,没有经过大的反复和挫折,说明参加总体设计的人员的努力,收到了效果,高能所没有辜负国内外的广泛支持和期望。最终它达到国际先进性能指标,产生了巨大的作用与影响,树立了我国科技领域一个显赫的里程碑。 BEPC的成功,大大地增强了我们向高技术领域发展的信心。国际上认为艰巨的科研工程,我们竟以优异的性能指标完成了。这不但说明了我们队伍的技术水平,也同时说明了我们对于性能、进度、投资可以相互转化的科研工程的管理,达到了新的水平。
在大局已定,工程即将完成的1986年。我因某些原因,辞去了工程经理的职务,接力棒交到方守贤同志的手里。在他的领导下,BEPC1988年顺利对撞,性能不断提高。如今,重担又交到第三代技术领导的手中了。BEPC的性能,显然还会继续提高,它对国际高能物理的发展,已经做出重要的贡献,以后必然还会产生更多的成果。我有幸参与它的工作,看到今日的成就,感到由衷的快慰。事后回顾,也颇有一些感受,兹简叙如下:
首先, BEPC的顺利建成,是党和政府,特别是邓小平同志高瞻远瞩的决策和前后一贯的支持的结果。在耗资巨大、议论纷纭、成果未定、效益不明的情况下,领导的决心是关键的,也是困难的。中央将BEPC列为国家重点工程,并且委派以谷羽同志为首的领导小组,主持组织加工、调拨经费、推动基建、工程管理等方面的工作,这就为BEPC的成功创造了最根本的条件。
BEPC成功的一个重要作用是它使我们加强了进行大科学科研工程建设的能力的信心。它证明:我们的物理和技术队伍,尽管以前缺少直接经验,但能很快地成长,创造出世界水平的成果。同样,我们的工厂也能做出世界水平的部件。BEPC储存环的四极磁铁用的冲模,最初为了赶进度,我们在国外订制,同时也在所内试制,后来发现我们自己的产品在对称性和精度上都优于国外的。BEPC直线加速器的加速管,加工精度和制造工艺要求极高,而我们的产品性能如此优越,它已出口到好几个国家,美国的几个大实验室都使用了我们制造的加速管,为国家创造了可观的外汇。为基础研究而建造的BEPC能获得经济效益,这还是最初所没有想到的事。
总结BEPC成功的经验,我觉得“两个结合”应是重要的一条,即管理组织与科学技术相结合,如四人领导小组与高能所科技人员;另一个是内外相结合。在依靠自己力量的基础上尽量吸收国外一切可为我用的东西,BEPC的优越性能不能不说是吸取SLAC的SPEAR对撞机成功的经验和失败的教训的结果,做到了“青出于蓝而胜于蓝”。谈到这里,我觉得SALC潘教授对我们的热情的、无私的帮助是十分令人感动的。
最后,从我前面的片段叙述中,不难看出,在BEPC曲折发展的全部历程中,李政道教授以炎黄子孙的赤忱,一心以我国科研事业的发展为己任,投入了无限的精力,经常回国或通过电话长时间地用他宝贵的时间与我们联系。每当我们遇到困难时,他总是不遗余力地在中、美两方为我们疏通渠道,排除困难,使BEPC的研制工作得以摧破坚冰,顺利前进,以抵于成。他的无私的奉献和所起的作用,这里就不一一叙述了。
(本文原载于中国科学院高能物理研究所官方微信(微信公号:casihep),原标题为《关于北京正负电子对撞机方案、设计、预研和建造的回忆片段》。澎湃新闻经授权后转载。)
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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