“羽毛球拍”里藏乾坤，為何它的尺寸偏偏是202米和240米？

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）作為中國第一臺(tái)高能加速器，自1988年建成以來，一直是國際高能物理領(lǐng)域的重要研究設(shè)施。BEPC從空中俯瞰宛如一支巨大的羽毛球拍，“拍柄”是直線加速器，“拍框”是儲(chǔ)存環(huán)。這一獨(dú)特造型并不是為了炫酷，而是隱藏著大量精妙的物理與工程權(quán)衡。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)鳥瞰圖

（圖片來源：中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施共享服務(wù)平臺(tái)）

在其宏偉的結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)核心尺寸尤為引人注目：一臺(tái)全長202米的直線加速器（Linac）、一條周長為240米（精確值為240.4米）的環(huán)形儲(chǔ)存環(huán)（Storage Ring）。對(duì)于非專業(yè)人士而言，這些精確到米的數(shù)值似乎有些神秘。它們是如何被確定的？為何不是整數(shù)或者其它數(shù)值？

BEPC精確參數(shù)設(shè)計(jì)里其實(shí)藏著中國科學(xué)家在高能物理領(lǐng)域的大智慧，是基于粒子物理研究目標(biāo)、加速器物理原理、工程約束條件以及國際合作背景的綜合考量。

建設(shè)BEPC的科學(xué)目標(biāo)是什么？

BEPC的設(shè)計(jì)初衷是填補(bǔ)國際高能物理研究在τ-粲能區(qū)的空白。這一能區(qū)選擇具有明確的物理意義：τ輕子對(duì)撞的閾值能量約為4.4 GeV（正負(fù)電子總能量)，而J/ψ等粲粒子的產(chǎn)生和研究需要約3.1 GeV的單束能量。在1980年代，國際高能物理研究主要集中在更高能區(qū)，如美國康奈爾大學(xué)的CESR（16 GeV）、歐洲的LEP（209 GeV）等，而專門針對(duì)τ-粲物理的裝置相對(duì)稀缺。中國科學(xué)家抓住這一機(jī)遇，將BEPC定位為在2.2-2.8 GeV單束能量范圍內(nèi)運(yùn)行的對(duì)撞機(jī)，使其成為國際上τ-粲物理研究的“富礦區(qū)”。事實(shí)證明，這一能區(qū)選擇極具戰(zhàn)略眼光。

在鄧小平同志的支持下，中國科學(xué)家確定了“一機(jī)兩用”的發(fā)展方針，即BEPC既用于高能物理實(shí)驗(yàn)，又可為同步輻射光源實(shí)驗(yàn)提供支持。由于BEPC的能區(qū)恰好位于同步輻射應(yīng)用的黃金區(qū)域，其產(chǎn)生的硬X射線強(qiáng)度遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)國內(nèi)其它光源，為生物、化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)大支撐。這種“一機(jī)兩用”的創(chuàng)新理念不僅節(jié)約了建設(shè)成本，還擴(kuò)大了裝置的應(yīng)用范圍，體現(xiàn)了中國科學(xué)家的前瞻性思維。

為什么直線加速器的長度是202米？

BEPC的直線加速器設(shè)計(jì)為202米，這是一個(gè)經(jīng)過精密計(jì)算和工程布局后得到的具備完備功能的系統(tǒng)總長。

BEPC的直線加速器需將電子和正電子的能量加速到1.1 GeV至1.4 GeV之間，作為儲(chǔ)存環(huán)的注入能量。為將粒子加速至該能量區(qū)間，BEPC的直線加速器配置了56節(jié)盤荷波導(dǎo)加速管，每節(jié)長度為3.05米。因此，總的有效加速長度約需170.8米。除加速管外，直線加速器還需配置其它組件，如電子槍、預(yù)聚束和聚束器以產(chǎn)生最初的電子束；正電子產(chǎn)生靶（位于加速器中段）通過高能電子束轟擊金屬靶來產(chǎn)生正電子；束流診斷設(shè)備，以監(jiān)測(cè)束流的位置、流強(qiáng)和尺寸；真空系統(tǒng)以維持系統(tǒng)的高真空，這些關(guān)鍵功能組件的放置另需約31.2米的長度空間。即直線加速器的所有組件共同構(gòu)成了202米的總長度。換句話說，202米長度，是為滿足該儲(chǔ)存環(huán)注入能量需求，在當(dāng)時(shí)加速梯度技術(shù)水平下，經(jīng)過精密計(jì)算并充分考慮輔助設(shè)備空間后得出的必然結(jié)果。

環(huán)形加速器的周長為什么是240米？

BEPC儲(chǔ)存環(huán)的周長設(shè)計(jì)為240米，這一參數(shù)主要受限于物理約束和工程因素的影響。儲(chǔ)存環(huán)是BEPC的核心，正負(fù)電子在這里被儲(chǔ)存并進(jìn)行對(duì)撞。其周長是整個(gè)對(duì)撞機(jī)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的參數(shù)，直接影響著機(jī)器的能量、成本和物理性能。240米的周長是多方面因素權(quán)衡與優(yōu)化的結(jié)果。

BEPC的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是進(jìn)行τ-粲物理研究，這個(gè)能區(qū)的質(zhì)心對(duì)撞能量大約在3-5 GeV范圍內(nèi)。這意味著單束流的能量需要達(dá)到1.5至2.5 GeV，甚至更高。BEPC的最高設(shè)計(jì)能量達(dá)到了單束2.8 GeV。要讓如此高能量的粒子束轉(zhuǎn)向，要么需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)，要么需要更大的彎轉(zhuǎn)半徑。在上世紀(jì)80年代，常規(guī)電磁鐵技術(shù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度存在上限。如BEPC儲(chǔ)存環(huán)的二極彎轉(zhuǎn)磁鐵，其最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.9028特斯拉，即對(duì)于達(dá)到2.8 GeV能量的粒子其所需的最小彎轉(zhuǎn)半徑為38.2米，周長約為240米。這一設(shè)計(jì)在有限空間內(nèi)最大化了能量，同時(shí)通過多彎磁鐵配置優(yōu)化了軌道穩(wěn)定性。

BEPC設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)意義與國際地位

BEPC的尺寸設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。202米直線加速器和240米儲(chǔ)存環(huán)的組合，使BEPC成為τ-粲物理能區(qū)國際領(lǐng)先的裝置，其亮度和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量在同類裝置中長期保持領(lǐng)先。BEPC的亮度比美國同時(shí)期的同類對(duì)撞機(jī)SPEAR高3倍，能散度更小，探測(cè)器性能更優(yōu)，成為當(dāng)時(shí)世界上同類對(duì)撞機(jī)和譜儀性能最好的裝置。諾貝爾獎(jiǎng)得主里克特（B. Richter）在1990年國際高能物理大會(huì)上曾高度評(píng)價(jià)BEPC，稱其為“當(dāng)今世界這一能區(qū)運(yùn)行的唯一加速器，而且亮度高于以往任何機(jī)器”。

北京譜儀 Ⅲ

（圖片來源：中國科學(xué)院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施共享服務(wù)平臺(tái)）

BEPC的建成填補(bǔ)了國際高能物理研究在該能區(qū)的空白，為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的驗(yàn)證和新物理現(xiàn)象的探索提供了重要平臺(tái)。這一成就不僅體現(xiàn)了中國科學(xué)家的創(chuàng)新精神，也展示了中國在加速器技術(shù)領(lǐng)域的快速進(jìn)步。

BEPC設(shè)計(jì)的工程智慧與技術(shù)突破

BEPC的設(shè)計(jì)參數(shù)體現(xiàn)了中國科學(xué)家在工程約束條件下的卓越智慧。BEPC的240米周長儲(chǔ)存環(huán)被設(shè)計(jì)成跑道形裝置，由超高真空盒、偏轉(zhuǎn)磁鐵、聚焦磁鐵、扭擺磁鐵和高頻加速腔等部件組成，空間緊湊但功能齊全。

BEPCII的改造工程更是展現(xiàn)了中國科學(xué)家的創(chuàng)新能力。在原BEPC的單環(huán)隧道內(nèi)，BEPCII實(shí)現(xiàn)了雙環(huán)結(jié)構(gòu)的建設(shè)，這是世界上首次在如此短的周長內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙環(huán)對(duì)撞機(jī)。面對(duì)空間狹小的挑戰(zhàn)，中國科學(xué)家采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，包括超導(dǎo)高頻系統(tǒng)、超導(dǎo)磁鐵、全環(huán)軌道慢反饋、束團(tuán)流強(qiáng)檢測(cè)控制等，使BEPCII在性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

BEPC的成功建設(shè)還帶動(dòng)了中國高能物理相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。謝家麟院士團(tuán)隊(duì)在BEPC建設(shè)過程中攻克了多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，包括超高真空技術(shù)、精密電磁鐵制造、束流診斷技術(shù)等，為中國后續(xù)大科學(xué)裝置的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。BEPC的建成不僅實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)兩用”的科學(xué)目標(biāo)，還培養(yǎng)了一大批高能物理領(lǐng)域的專業(yè)人才，為中國的高能物理研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

啟示與未來展望

BEPC的參數(shù)設(shè)計(jì)為中國大科學(xué)裝置的建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。在能區(qū)選擇上，BEPC避開了國際競(jìng)爭(zhēng)激烈的高能區(qū)，專注于τ-粲物理這一“富礦區(qū)”，通過精準(zhǔn)定位實(shí)現(xiàn)了后來居上的科學(xué)目標(biāo)。在工程設(shè)計(jì)上，BEPC充分考慮了當(dāng)時(shí)中國的技術(shù)基礎(chǔ)和工業(yè)能力，通過自主創(chuàng)新和國際合作相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了裝置的高效建設(shè)和穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)論

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)直線加速器的202米長度和儲(chǔ)存環(huán)的240米周長，是上世紀(jì)80年代中國科學(xué)家和工程師在特定歷史時(shí)期，基于明確的物理目標(biāo)（τ-粲物理）、可用的技術(shù)手段（磁鐵技術(shù)、RF加速技術(shù)）以及現(xiàn)實(shí)的工程約束（成本、場(chǎng)地）進(jìn)行系統(tǒng)性權(quán)衡與精細(xì)化計(jì)算的智慧結(jié)晶。這兩個(gè)尺寸共同構(gòu)成了BEPC作為一個(gè)整體協(xié)同工作的物理基礎(chǔ)，并通過復(fù)雜的射頻同步系統(tǒng)聯(lián)系在一起，體現(xiàn)了高能物理大科學(xué)裝置設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學(xué)科普主管、中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

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