北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞机

北京正负电子对撞机（BEPC）是在邓小平同志亲切关怀下建设的国家大科学装置，1984年10月动工兴建，1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞。1988年10月20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”。小平同志再次高兴地来到高能物理研究所，视察了BEPC，并发表了“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”的著名讲话。

重大改造前的BEPC储存环

1990年北京正负电子对撞机荣获国家科技进步特等奖。

BEPC建成后迅速成为在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，90年代以来，高能物理研究所获得了τ轻子质量精确测量、R值测量、发现新共振态等重大成果，居于国际领先水平，成为世界高能物理研究中心之一。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。

在激烈的国际竞争中强势胜出

从1999年起，BEPC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。但是，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我们的单环方案相同。但是他们采用“短平快”的方法，声称能在2-3年内达到设计目标。实际上他们的“短平快”的方法并不成功， CESRc最终只达到了设计性能的1/5到1/8。

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，中国科学家们接受挑战，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30-100倍，远高于康奈尔大学对撞机。这个方案的性能指标非常高，在十分有限的经费范围内在BEPC现有的隧道内达到这个指标难度非常高。

双环方案得到了科学界的支持和国家的批准，并于2004年初开工建设，计划工期5年，称为北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）。
科研人员还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，巧妙利用外环提供同步辐射光，并将硬X光的强度提高了10倍，满足广大同步辐射用户的需求。

BEPCII创造了世界上类似加速器建设和调束的纪录

BEPCII项目分三阶段进行：直线加速器改造、储存环改造、探测器改造。每个阶段都插入同步辐射运行。

从2005年7月储存环停机到2006年11月开机调束，拆旧安新仅用16个月。2006年11月9日BEPCII储存环所有主体设备的安装完毕。11月12日，开始直线加速器和储存环的联合调束，11月18日电子束流成功地在BEPCII储存环中积累。

在这样短的时间里BEPCII储存环实现束流积累，表明储存环设备的安装符合设计要求，各个硬件系统满足调束需求，物理设计合理，工程质量控制有效。仅用了5天就在储存环内积累了束流，这个速度在世界加速器调束的历史上也是少见的。

BEPCII挑战加速器建设和调试的难度极限

隧道周长短、空间小、对撞区短，BEPCII建设难度极大。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，现在要在隧道内给正负电子束流各做一个储存环，设备十分拥挤。国外成功的双环对撞机是在80米距离内实现正负电子对撞再分开，我们的对撞区非常短，必须在28米内实现。

多项先进技术为首次应用

为了继续保持在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，比如，首次应用的技术有：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、无油阻性板室（RPC）等等。其中多项技术已经转化为面向国家需求的高技术产品。高能物理对撞机的加工精度往往比航天、航空领域的产品要求还要高。

精心设计，精心施工

要达到高性能，必须精确控制束流。每个储存环内分别有70-100 个束团以十分接近光速的速度运动，正负电子束团每秒钟碰撞1亿多次，对撞时要实现六维精确控制，在横向位置精度达到微米级，约为一根头发丝的几十分之一；在纵向时间控制精度达到皮秒级，即万亿分之一秒。这对加速器的设计和设备的制造提出非常严格的要求，并要求在运行过程保持长期的稳定性。

建设过程中，高能物理研究所始终坚持质量第一的原则，发现质量问题，坚决推倒重来。

对撞机坚持“一机两用”

改造的同时，要保持和增加同步辐射插入件和引出口，提高同步辐射装置性能，并大幅度提高兼用光的水平。这给周长短、隧道十分狭窄的储存环的设计和安装增加了许多限制条件和技术困难，改造的难度和时间压力非常大。

边建设边提供同步辐射光创国际先例

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。

工程建设期间，我们在储存环改造后提供了4轮5个月的同步辐射专用光运行，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。

BEPCII的调束达到国际先进水平

BEPCII创造性地采用“内外桥”联接两个正负电子外半环形成同步辐射环和大交叉角正负电子双环的“三环方案”，实现了“一机两用”，并保持原有光束线出口基本不变，最大限度地利用BEPC原有的设施。在1.89 GeV能量下，BEPCII的对撞亮度达到3.3×10³² cm^-2s^-1，是改造前BEPC亮度的33倍，超过美国CESRc的4倍。探测器采用了一系列先进设计、技术和工艺，总体和各系统的性能全面达到设计要求，主要技术指标达到了同类装置的国际先进水平。BEPCII的调束达到国际先进水平，以国际一流的速度实现了同步辐射高质量开放运行和高能物理高亮度取数。BESIII用40天的时间获取了1.12亿ψ(2S)事例，超过此前世界上数据量最大的CESRc的4倍。

经过五年的努力，BEPCII以十分有限的投资，按进度、按指标、按预算、高质量地完成了国家发改委批复的各项建设任务，半年多的试运行表明BEPCII已成为粲物理能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置，成为国际同类装置建设的一个范例。