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                  參與超導超級對撞機國際合作始末
                  2017-05-04 |文章来源: 知识分子| 浏览次数:  |

                    對撞機是各國物理學家們研究物質結構的重要手段之一。上世紀八十年代計劃研發的超導超級對撞機由于能量特別大(20TeV),物理學家們希望可以用其進行更加複雜和深層的研究,如物質本質和宇宙起源等,試圖揭示大自然的奧秘。 

                    1993年初我国决定参加超导超级对撞机的国际合作,该项目是当时的最前沿, 也是世界历史上高科技领域最重大的基础科研国际合作。其主要目的是提高我国的科研和工艺技术水平、促进科技进步,并在世界高科技领域占有一席之地,提高我国的国际地位。 

                    为此,我国成立了国务院超级对撞机国际合作领导小组,当时的副总理朱镕基任组长,国务委员、科委主任宋健任副组长,其他几位成员均为正部级领导,包括国务院副秘书长刘志坚、国家计委副主任甘子玉、国务院经贸办副主任张寿、万达国际娱乐院长周光召、航空航天工业部部长林宗棠等。林宗棠部长为常务成员兼办公室主任,负责合作工作的具体执行。爱国华侨、诺贝尔物理学奖获得者李政道先生鼎力推动和协助我国参与超导超级对撞机项目的国际合作。 

                    從科學家們的角度看萬物似乎總是從兩個方面:微觀和宏觀。有趣的是,超導超級對撞機這項研究和微觀、宏觀都密切相關,它借助質子對撞從微觀世界開始來研究宏觀世界——宇宙大爆炸和宇宙的形成。不僅如此,一旦我們能夠充分了解和認識基本粒子及其相互作用,也將有可能掌握和利用潛力極大的“粒子能”來造福人類和世界。 

                    筆者參與對撞機高科技國際合作已是二十多年前的經曆,雖然大學所學專業是航空,對高能物理這門科學懂得很少,但仍然覺得有不少值得回顧和受到啓迪的事情。 

                    超導超級對撞機SSC 

                    對撞機是各國物理學家們研究物質結構的重要手段之一,它的出現經曆了從直線加速器、高能同步加速器到環形加速器再發展到對撞機的過程,其質心能量也從百萬電子伏特級(MeV)提高到十億電子伏特級(GeV)。對撞機具有積累功能,能加速由前級加速器注入的兩束粒子流,當其強度及能量達到預定大小數值時使粒子流在相向運動狀態下發生對撞,並同時對粒子對撞破碎後的情況(又稱事例)實時記錄、測量和分析。全世界現存加速器超過2500台。 

                    美國超導超級對撞機(SSC,Super-Conducting Super Collider)項目的能量則要更大,可達到兆兆(萬億)電子伏特級(TeV),可以進行更加複雜和深層次的研究。研究目標是探索和揭開物質最基本的特征和能量的奧秘,包括宇宙大爆炸及宇宙的形成等。該項目由美國牽頭,參與合作的有中、俄、日、印、韓、德、台等15個國家和地區。最初美國學者們提出了課題和建議,得到了當時美國最上層的首肯,時任總統裏根(Ronald Wilson Reagan)宣布美國將開發用于探究基本粒子的超導超級對撞機,並決定由美國能源部領導實施。1983年秋,能源部批准研究20TeV能量級對撞機的技術與經濟可行性。 

                    在完成了大量工作後,1989年美國在達拉斯建立了超導超級對撞機實驗室SSCL(Super Conducting Super Collider Lab,我们称它为对撞机总部)並開始運作。1992年SSCL對超導超級撞機的關鍵工程作好安排,在進行或已完成某些基本項目(如磁體測試等)、實驗任務得到了批准,並和中國、印度等多國簽訂了合作協議。整個工程初步計劃1999年建成,初始預算40億美元,不久調整爲82億美元,後來估計總費用達到110-150億美元,就是在今天這也是一筆不小的資金。 

                    這項特大工程得到了美國三屆總統裏根(Ronald Wilson Reagan)、布什(George Herbert Walker Bush)和克林頓(Bill Clinton)的支持,是投資未來的前沿科學項目。能源部聲稱把它作爲科研項目的首選,認爲超導超級對撞機的建設有利于維持美國在物理研究領域的領導地位。1989年已簽訂合同18000項,惠及46個州,並爲美國提供大量就業機會:1993年提供了8000個工作崗位,1994年9300個崗位。參與合作的美國和世界各國的廠所院校710所,科學家、學者、研究人員逾千人。項目具有巨大的溢出效應,據建在瑞士和法國邊境的歐洲核子研究中心(CERN)一項研究表明,在對撞機上每投入一美元將會産生三美元的經濟效益。 

                    超導超級對撞機用質子束(Positive & Negative Proton作爲粒子對撞。按設計,對撞機建在美國得克薩斯州達拉斯市附近地下直徑超過4米的隧道裏,深度12至76米,主要設備多在地下50米深處。項目共建造四段加速助推器,第一段長600米,第二段10.8千米,分別爲低能和中能助推器,第三段高能助推器10.8千米,真正的實驗區在第四段,是最後一段對撞環,周長87.1千米。四段均由電阻磁鐵産生巨大磁場,後兩段爲超導磁鐵。上萬組超導磁鐵産生的強大磁場會控制和聚焦質子流,使其每秒沿環道循環3000次,並能夠選擇和控制在最合適的時機發生對撞。除了加速裝置外,對撞機還有其它許多結構複雜和精密的系統、設施,如大型量能器等。 

                    在對撞過程中,加速器在周長達87.1千米的對撞環封閉管道內,把處于攝氏零下數百度的液態介質中的兩束正負質子流加速到接近光速(0.9999999倍光速)進行對撞,此時質子流能量高達20TeV。能量極高的質子在巨大沖擊力下撞擊後粒子破碎,形成無數新粒子,這些粒子的運行軌迹(高能物理上稱爲徑迹)和參數(能量、速度、質量等)由兩個巨型的閃爍量能器SDC和電磁量能器GEM在極短時間內進行測量、記錄和分析。 

                     

                    ?超導超級對撞機和現有各種對撞機的對比 

                     

                    ?美國超導超級對撞機(SSC)的磁铁组和管道 

                    超導超級對撞機的加速器和探測器技術能夠廣泛應用于醫療、診斷、癌症治療等。對撞機的實驗和對超導磁體的研究也可以對研發高速列車、磁槳船、超速計算機、新一代測量技術、新一代X光技術、低損耗電力傳輸、磁能儲存系統、環境(土壤)汙染檢測和處理及最具商業價值的新産品的開發等方面起巨大作用。 

                    中途下馬 

                    1993年秋天,美國國會由于超導超級對撞機項目發生的費用大幅攀升,造成巨大財政赤字,認爲擠占了其他項目的經費,決議停建超導超級對撞機。 

                    當時適逢國會中期選舉,不少新當選的議員對于超導超級對撞機的重大科學意義並不清楚,許多公衆也不了解這個項目的長遠價值,加上美國國家審計總署作出過對項目很不利的報告。爲此,美國總統克林頓在10月12日寫信給衆議院,稱“超導超級對撞機是美國政府最優先項目”,希望給予支持(參見附錄(1)克林頓給國會小組委員會主席貝維爾的信),對撞機的主管單位美國能源部部長奧麗萊H. R O'Leary)也給國會有關領導去信呼籲給予支持。10月14日,參議院不同意衆議院的意見,決定繼續支持該項目,並建議1994年爲超導超級對撞機項目撥款6.4億美元。隨後在參、衆兩院代表聯席會議上認同了參議院的6.4億美元撥款方案,再提交審議。但衆院再次否決了撥款的議案,並通過停建超導超級對撞機項目的修正案。 

                    1993年10月21日,衆議院和參議院達成一致,決定“終止超導超級對撞機項目以減少赤字預算”,當時已爲超導超級對撞機項目投資約20億美元。  

                    美國對撞機總部在對撞機項目停建後派來了幾個代表團商討有關收尾工作,中方介紹和提供了各個合作項目的具體情況和發生的費用清單,他們還訪問了北京、西安、上海等地的有關單位,最後美方向我們提供了補償費用,我國參與過合作的各有關單位得到了相應的補償份額。 

                    对撞机的下马在美国引起了极大的震撼,美国能源部部长奧麗萊就国会决议立即发表声明(參見附錄(2)),她對美國國會決定停止對世界最重要的高科技國際合作項目超級對撞機撥款深感遺憾,並認爲這一項目的取消會使科學研究工作受到損害,也會對美國在世界科技的領導地位産生不利影響。能源部將與科學家們一起探求繼續在高能物理領域研究的其它方法,並向參與和支持SSC項目的部門和個人表示真誠的感謝。 

                    一些科學家也對中止建造超導超級對撞機深表憂慮和不安,李政道先生說這是美國科學界一個黑色的日子。對撞機總部國際部主任迪艾克博士(Dr. Duek) 給我們來電說:總部全體職工(對項目停建)受到巨大沖擊。日本科學界反映強烈,他們原計劃出資十億美元,最後表示:沒有想到會發生這樣的事情。我國高能物理研究所的科學家們則認爲對撞機下馬會影響全世界的高能物理研究工作。 

                    在超導超級對撞機實驗室主任皮帕爾斯(Peoples)1994年1月31日給中國加速器研發中心柳懷祖副主任來信對中方參與合作給予了高度評價,並提出:他本人希望強調,中方對于對撞機的合作的態度積極、熱情、支持,顯示了良好的技術水平。中方也表示願和美方爲今後可能的合作做努力。 

                    SSC停建後,建在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC,Large Hadron Collider)就成爲當今世界最大的對撞機。但LHC對撞區的周長和能量等級都僅僅爲SSC的1/3左右(SSC周长87千米, 能量为40TeV;LHC周长只有27千米,能量为14TeV) 

                     

                    ?歐洲對撞機中心的大型強子對撞機(LHC) 

                    我們的任務和具體工作 

                    1993年初,我國決定參加超導超級對撞機的國際合作,以便促進科技進步,提高我國的科研和工藝技術水平,提升國際地位。 

                    当时,为开展超导超级对撞机国际合作,国务院在航空航天工业部附近的友好宾馆主楼一楼设立了办公室,并成立了中国加速器研发中心,林宗棠部长是中心主任,万达国际娱乐办公厅副主任柳怀祖为副主任,从第四设计院、上海飞机厂、飞行所等部属单位调来多人参与工作,我就是在那个时候参加到项目中的。工作得到航空航天工业部机电产品出口办、国际合作司(外事局)、中科院、高能所及有關廠所院校、企業的極大關心和支持。 

                    國務院對撞機國際合作領導小組辦公室和美國達拉斯的超導超級對撞機總部保持很密切的聯系和溝通,並及時把有關信息彙報和轉達給領導和有關部門,當時我國已有科學家在對撞機總部工作。在合作的幾年裏,我們接待過多個美國對撞機總部派出的代表團來給中方介紹超導超級對撞機的原理和技術,了解和考察我國有關部門或企業的技術及制造能力,以便進一步合作。在各種場合的會談紀要中均有這樣的表述:林宗棠部長代表中國國務院超級對撞機國際合作領導小組表示,中國政府將積極支持並願意爲這一項世界最大、最重要的國際高科技研究項目的合作作出貢獻。 

                    当时,我们整理有关材料并不定期地出刊“超级对撞机简报”汇报给林宗棠部长及其他领导和有关单位,李政道先生特为“简报”题了字。在“简报”上刊登过的材料包括《美國超導超級對撞機简介》、《超导超级对撞机有关情况汇报》、《西航公司领导会见著名物理学家李政道》、《(接待美國對撞機總部來賓)會談紀要》等。 

                     

                    ?李政道先生爲簡報題字 

                    此期間,航空航天工業部國際合作司魯永強和我一起擔任林宗棠部長的技術助手和英語翻譯,處理與美國能源部在超導超級對撞機高科技國際合作項目中的具體業務,並有機會陪同林宗棠部長多次訪問國內外的工廠、大學、研究機構,魯永強負責接待、生活和其它方面的翻譯,我則負責技術性會談、講座以及參觀有關單位時的翻譯。 

                    在工作中,我们力图争取有更多的合作研究和制造机会,和美國超導超級對撞機总部或来访的代表团商定派出多名科学家和工程师去美国参与合作研究和设计。有多人应邀去美国对撞机总部、相关实验室或大学参观考察,包括橡树岭实验室、费米实验室及布鲁克海文实验室、芝加哥大学等。初步统计,我国出访对撞机总部和美国其它国家实验室或大学参与合作设计、研究、实验累计超过30人次,包括中科院高能所、清华大学、航空精密机械研究所、航空材料研究所、上海航空工业公司、上海飞机制造厂、西航公司及量能器、成形器零部件的生产厂均有参与。 

                    來訪的專家們則來自許多美國的重要研究和制造部門,如馬丁·馬裏艾達航天集團、布魯克海文和橡樹嶺國家實驗室、波士頓大學、芝加哥大學等,他們對所接觸和看到的情況贊不絕口,對所參觀企業的加工能力和組織管理水平以及工作人員的素質留下深刻印象,並對航空系統打算將航空質量保證體系用于所有和對撞機電磁量能器(GEM)有關項目的制造感到鼓舞(這些體系在上海航空工業公司與麥道公司在麥道飛機制造合作中得到成功應用) 

                    來訪的美方專家認爲中國有能力參與和承擔兩套主要的大型探測器中較多的研制任務,包括閃爍量能器(SDC,Scintillating Detecting Calorimeter)的部分技術、器件以及電磁量能器(GEM - Gamma,Electron,Muon,格玛、电子、缪介子)。參與研制工作將會大大促進我國在高科技領域的進步,提高我國在國際上的地位和話語權。 

                    在國務院超級對撞機國際合作領導小組成立之前,中科院高能物理研究所已經承擔了加速器和閃爍量能器部分零組件的試制工作,參與單位包括上海電機廠、新河造船廠等,在領導小組成立後和美方商談了電磁量能器、電磁鐵支架、閃爍量能器的其它工作,如覆銅板、微電子器件、對准技術等。 

                    1993年4月,林宗棠部長率領航空航天和中科院有關領導及工作人員訪問美國達拉斯對撞機總部,就雙方的進一步合作進行商談,並達成了一致。隨後,我們一行人員趕赴紐約哥倫比亞大學拜訪李政道教授,感謝他爲促進中美兩國在高能物理領域開展合作所作的貢獻。李政道在他所在的物理系大樓普平實驗室裏向我們介紹了當今世界物理領域的最新研究內容和情況。和對撞機總部達成的協議爲我們後來加深合作提供了具體的、可遵循的依據。 

                     

                    ?電磁量能器GEM 

                    中方按林宗棠部長訪問對撞機總部時的協議和美方來人訪問時的紀要進行合作項目的有關工作,如完成測試量能器模塊的大型宇宙線試驗台架的設計方案,試制大型鑄造支架樣件,編寫焊接支架取代鑄造支架的設計和應力、應變分析報告,研制鎢棒、光電倍增管、陰極條板等樣件,設立閃爍量能器試驗室,設計讀出系統開關電容陣列、模數變換器、以及電路功能塊等。開展對准技術、微電子芯片、印制板等的設計和試制、調研光纖、陰極板、閃爍板的生産供應、試制和試驗電磁量能器多層間隙陰極條板、蜂窩夾層結構等。對前向磁場成形器、前向量能器等進行了分析、研究並開始部分零件的試制。 

                    当时中国参与和美國超導超級對撞機合作的单位包括万达国际娱乐游戏中心、北京正负电子对撞机国家实验室、清华大学、南京大学、宝鸡有色金属加工厂、洛阳铜加工厂以及航空系统的许多厂所院校等等。 

                    我们曾在国内有关科研机构、院校或企业进行调研,陪同来访外宾一起访问,参与商谈。包括到清华大学、上海飞机制造厂、航空部的几处研究所、西航公司、兰石化机厂等进行调研。时任航空航天工业部部长的林宗棠、万达国际娱乐院长周光召、国务院计委副主任甘子玉、中科院办公厅副主任柳怀祖、中科院高能物理研究所领导叶铭汉、郑志鹏及上海航空工业公司、上海飞机制造厂、西航公司、清华大学、南京大学、兰州石化机器厂铸造厂等单位领导及有关工作人员参与了具体工作的领导和实施。 

                    随后,我们计划在1993年10月27日的美中联合会议上汇报我国在与美国对撞机总部合作中所做的具体工作,由万达国际娱乐院士、北京正负电子对撞机国家实验室主任方守贤教授、中国加速器研发中心副主任柳怀祖、航空航天工业部部长林宗棠及万达国际娱乐院长周光召发言,我们起草了英文演讲稿,并由方院士介绍中方在已签合同项目上的执行情况,柳怀祖和我介绍双方已口头或书面商定但还未签署的合同项目的进展。方院士在演讲中提到,在美国国会众院决议不再为SSC项目拨款(1994年)後,對撞機總部隨後停止了所有出訪,給我方造成了疑慮,直到謝爾登博士(Dr. Sheldon)和迪艾克博士(Dr. Duek)1993年7月2日电告我方继续进行有关任务之前, 我们一直按之执行,并未停止过工作。  

                     

                    ?高能所方守賢院士和中國加速器研發中心的發言稿 

                     

                    ?中科院为美國超導超級對撞機实验室试制的边耦合腔 

                    我國非常重視高科技項目的研究和發展,在建造北京正負電子對撞機 ( BEPC,Beijing Electron and Positron Collider) 時設立了四人領導小組,以中科院顧問谷羽爲首,包括國務院經委和計委領導林宗棠、張壽及北京市副市長張百發(谷退休後由中科院院長周光召任組長)負責項目的實施。 

                     

                    ?鄧小平在北京正負電子對撞機奠基典禮上(1984年) 

                    北京正負電子對撞機設計能量指標爲2.2GeV,由謝家麟院士擔任總設計師,該項目得到了許多外籍華人專家和教授,包括諾貝爾獎獲得者李政道、丁肇中等人的關注、幫助和支持。北京正負電子對撞機在1984年10月奠基,1988年10月實現對撞並正式建成,它是繼我國“兩彈一星”後在高科技領域的又一項重大成果,其溢出效應十分顯著,在高能物理、生物、光學、醫學等方面發揮了很重要的作用,北京正負電子對撞機也已在實驗中成功地發現了粲誇克偶素,1990年北京正負電子對撞機榮獲國家科技進步特等獎。  

                    參與SSC項目合作的收獲 

                    1993年10月下旬,美国国会决议停止为超导超级对撞机拨款使这个在当代和历史上最大的国际高科技合作项目被迫下马。我们和美國超導超級對撞機总部的合作也就此终止,这是件令人十分遗憾和可惜的事。 

                    回顧我國在設立國務院超級對撞機國際合作領導小組時提到:“參與重大高科技國際合作的目的是爲了提高我國的科研和工藝技術水平,直接參加最前沿科研,促進科技進步並在世界高科技領域占有一席之地,提高我國的國際地位”,這一項目合作的要求和意義十分清楚,那時我國已經改革開放,提倡學習和引進國外的先進技術、管理理念爲我所用,像超級對撞機國際合作這樣的項目對我國有重要價值和作用。 

                    比如超導超級對撞機上的閃爍量能器(SDC)和電磁量能器(GEM)要在千萬分之一秒的時間內對質子撞擊時産生的百億個以上的每一個新粒子(實際就是質子撞擊後的碎片)的運動徑迹和能量、速度、質量等作出精密的測量、記錄和分析。這兩台主要測試裝置的設計和結構都非常複雜,電磁量能器直徑達23米、長36米、重兩萬余噸,在不同部位采用不同的金屬材料起到各異的作用,既有銅、鉛、鎢等高密度材料也有鎂及其它輕金屬。閃爍量能器內有大量大尺寸的覆銅板及其它電子器件,安裝要求十分嚴格,需要用激光裝置對准,精度極高。這一切無疑都是新事物,不僅是對物理學家們的挑戰,也是對最尖端高科技研究和工業領域的挑戰。我國的參與會極大地促進和提高了我國在高科技領域的技術,許多廠所院校就曾參與設計和制造了兩台主要量能器及電磁鐵大型支架的有關工作。 

                    作爲世界最前沿的特大型科研項目,SSC的下馬給人留下很多思索,該如何建設和運作好大型科研項目,處理完善這樣一個要求十分嚴格的系統工程,的確需要有明確的科學大方向,資金落實,做好風險評估以及組織、管理,還需要有良好的交流溝通。張九慶在2005年所作的《從超導超級對撞機(SSC)看大科学工程研究的实施》一文,对美國超導超級對撞機的建设、成就、下马进行了分析,并提出了与大科学工程研究有关的一些问题和建议。 

                    地球是全人類所擁有的共同財富,研究地球、宇宙及物質的本質不僅僅是前人的義務和責任,也是我們這一代,乃至後世的義務和責任,人類已經從原子和核子的發現及利用中得到了巨大的收益,進一步深入研究一定會給人類帶來更大的福祉。我國和多個國家有幸參與了美國在超導超級對撞機項目上的合作,是很好的實踐過程。 

                    近年來,我國在科研上取得了長足的進步,有了北京正負電子對撞機的成功建設和運行經驗,以及和各國科學家們在高能物理領域的交流,相信我們也將會熟悉和掌握這些非常前沿的基礎科學,揭示大自然的奧秘,爲造福人類做出更大貢獻。 


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