高效率生产粲粒子的工厂

21卷第5期(总125期)·33·高效率生产粲粒子的工厂——BEPCII加速器巡礼张闯1974年11月，丁肇中和里克特几乎同时宣布，他们的实验组各自在美国布鲁克海文实验室的质子同步加速器AGS和斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上，发现了一个能量约为31亿电子伏特的新粒子，并分别命名为J粒子和粒子，后来统一称为J/粒子。这一被誉为“十一月革命”的发现，使高能物理的研究迈进了一个新的境界。此前被公认的上、下、奇3种夸克的模型已经装不下这个新粒子了，应当有第4种夸克，也就是粲夸克。J/粒子就是正反粲夸克组成的一个粲粒子。进一步的实验研究发现，J/粒子只是粲粒子家族中的一个小兄弟，是基态的粲粒子。能量更高的还有的(3680)和(3770)（也称'和）等激发态的粲粒子，括号里的数字是该粒子以兆电子伏（MeV）为单位的能量。此后的20年间，粒子物理的发现接踵而至：1977年发现轻子和底夸克，1994年发现顶夸克。这样，标准模型中就有了三代轻子和三代夸克这样美满的大家族。一、粒子工厂在前驱的加速器上发现新粒子、新现象，并不是故事的结束，而只是精彩篇章的开头。高能物理是基于大量事例的统计研究，必须尽可能多地获取这些粒子，方能对它们的性质、结构及其相互转化进行深入细致的研究。这就需要在这些已有所知而又知之不多的能区建造更高性能的加速器。粒子工厂，就是能够大量生产所研究粒子的加速器，如图1所示。图1粒子工厂示意图图1中的英文写的是“正负电子工厂”，目前世界上的粒子工厂都采用正负电子对撞的方式进行“生产”。图中有3个烟囱，左面最矮的一个烟囱冒出来的是、和粒子，相应于粒子工厂，质心系能量为1.02GeV（1GeV=1000MeV=10亿电子伏）；右面最高的烟囱里出来的是、'和粒子，相应于B介子工厂，质心系能量为11.2GeV；而中间的烟筒里产生的则是和'等粲粒子和轻子，对应于粲-粒子工厂，质心系能量为3~5GeV。图1直观地描述了粒子工厂的概念，但也有人批评说，烟囱里冒出来的是废气，而这些粒子都是工厂生产的宝贵产品，似有不妥。虽然言之有理，我们还是不再苛求了吧！只是要记住，粒子工厂的目标是高效率地生产粒子。图1中的工厂同时产生三类粒子，但由于粒子工厂的性能与工作能量密切相关，因此，要按能量进行优化工厂的设计，现实的粒子工厂都工作在某一个特定的能区。图2给出了世界上现有的正负电子对撞机的亮度，包括工作在粒子、粲-粒子和B粒子能区以及更高能区的对撞机、粒子工厂和拟建的超级工厂。图2世界上现有的正负电子对撞机的亮度图2中的横坐标是质心系能量，纵坐标是对撞亮度，每一个圆点都代表一台曾有、现有或将有的正负电子对撞机及其工作的能量和达到的最高亮度。对于这些机器，这里不一一介绍，而是分类加以描述。·34·现代物理知识在图2中有三个椭圆，每个里都包含了若干台对撞机。这三个椭圆之所以是倾斜的，是因为高能量的对撞机相对容易达到高亮度。图中，最下面的椭圆里的一组是一般的对撞机，亮度在1030~1032cm2s1范围；中间一组是粒子工厂，亮度为1032~1034cm2s1；最高的一组是超级粒子工厂，亮度达1033~1036cm2s1。一般的对撞机由于亮度低，现多数已终止运行或改建成同步辐射光源；粒子工厂是近10年内建造的新型对撞机，大多数正在进行高能物理实验；而超级粒子工厂则还在计划和研究之中。由此可见，粒子工厂就是一种能大量生产某种微观粒子的高性能对撞机。那么，为什么人们要按亮度把对撞机分成这么几等呢？在下面一节里，我们接着谈表征工厂最重要的一项指标：生产效率。二、生产效率粒子工厂的生产效率与对撞亮度成正比：ddNLt=⋅。这里，dN/dt是单位时间里束流对撞产生的某种粒子的数目，也就是粒子的生产效率；L是对撞亮度，而就是产生这种粒子的反应截面。例如，1.55GeV的正负电子对撞产生J/粒子的反应截面大约是3000nb。这里的nb也就是毫微巴，是粒子物理里采用的一个微小面积单位：1b=1024cm2，1nb=1033cm2。如果对撞亮度为11031cm2s1，由上面的公式计算，每秒钟就可以产生30个J/粒子；如果亮度达到11033cm2s1，那么每秒钟就可以产生3000个J/粒子，生产效率就提高100倍。从图2中可以看出，1988年建成的北京正负电子对撞机（BEPC），曾经是粲-能区世界上亮度最高的对撞机，BEPC的成功也使我国在国际高能物理领域占据了一席之地。但是，从2004年开始，这一领先优势已让位于美国康奈尔大学的正负电子对撞机CESRc。为了争夺在粲-能区的物理成果，CESR从2000年起就着手从B介子能区转入粲-能区的研究，提出了CESRc的计划，把束流能量从原来的5.6GeV降低到1.55~2.5GeV，在1.89GeV时的亮度达到61031cm2s1，超过了BEPC。面对CESRc的挑战，中国科学家提出了对BEPC进行重大改造的计划，也就是BEPCII，理论设计的亮度为11033cm2s1，为CESRc的10倍以上。那么，怎样才能达到这么高的对撞亮度呢？正负电子对撞机的亮度可以从下面公式描述：2134bb*(GeV)(A)(cms)2.1710(1)(cm)yyEkILRxb--=´+这里，R是对撞束团截面高度与宽度的比值，E为束流能量，y是垂直方向束束作用参量，y*是对撞点处垂直包络函数值，kb为每一束流中束团的数目，而Ib则是每一束团的流强。束流能量已经确定在粲-能区，优化在1.89GeV，而束束作用参量通常是一个设计常量，我们取为0.04，而R远小于1，可以先不考虑。这样，提高亮度的途径就归结为：增加束团的数目kb，同时使束团的流强Ib尽可能高和减小束团的垂直包络。表1列出了BEPCII提高对撞亮度的技术措施：表1BEPCII提高对撞亮度的技术措施参量单位BEPCBEPCII亮度因子kb19393IbmA359.80.28y*cm5.51.53.67L1031cm2s11100~100从表1中可以看出，对撞亮度提高的最大因子是把正负电子对撞束团的数目从原来的1对增加到93对。这就要在原来的BEPC隧道里安装两个储存环，让93个正负电子束团在各自的环里运动，只在对撞区交叉对撞。另外，为了对撞点处垂直方向的包络函数值从原来的5.5cm减小到1.5cm，就需要把聚焦磁场非常强的超导磁体插入到对撞点非常近的北京谱仪的内部，并且要采用能提供高加速电压和高微波功率的超导高频腔，把束团的长度缩短到与包络函数值相当的1.5cm左右。BEPCII储存环的布局图见前面陈和生文章中的图2。双环、大流强和微小束团对撞，给BEPCII工程带来了巨大的挑战。为了克服储存环隧道狭窄、对撞区短的困难，实现正负电子束团在横向（微米级）、纵向（皮秒级）六维精确对撞，工程采用和发展了一系列的高新技术，例如：创造性地提出了超导插入磁体、对撞区特种磁铁和真空盒的设计方案；为准确控制各个束团的流强、截面及其间距，研制国内首台逐束团横向反馈系统、首套数字型逐束团流强测量和注入控制系统；安培级流强的超高真空和低阻抗真空盒；自主研制的正电子源获得高产额21卷第5期(总125期)·35·正电子束流、10A栅控电子枪达到国际先进水平。在调试过程中采取多种有效措施成功地应对了双环高亮度对撞和高流强运行带来的一系列挑战，亮度达到3.3×1032cm2s1，是BEPC的33倍、CESRc的5倍，达到粲-能区对撞机的国际领先水平，并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，在短短的几个月里，获取了高质量的2亿个J/事例和1.12亿个'事例，是此前世界上最大数据样本的3~4倍。下一节中，我们就来谈谈BEPCII生产粲粒子的流程。三、工作流程如上所述，BEPCII是一台工作在-粲能区的高性能对撞机。BEPCII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（参见陈和生文章中的图1）。图中，BEPCII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202米的行波正负电子直线加速器。电子枪安放在直线加速器的头部，这是BEPCII中束流的源头。图3是安装在隧道里的电子枪的照片。图3中圆筒形的设备就是电子枪，右上角是高压电源，它能产生20万伏的脉冲高电压。这么高的电压加在电子枪的阴栅组就把电子从灯丝里拉出来，就像枪一样的发射出10安培的脉冲电子流。它的脉冲宽度只有1毫微秒，每秒钟可以发射50次，满足储存环注入的需求。透过窗户可以看到电子枪后面长长的直线加速器。图3电子枪：电子从这里出发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（直线加速器照片可参见封二）。直线加速器的微波功率来源于速调管和调制器（速调管长廊的照片见封二）。在这个长廊里，一共有16套微波功率源。每一功率源实质上是一台加速器，或者更准确地说是减速器。封二速调管长廊照片中的机柜就是调制器，它能产生高达110兆瓦的脉冲功率并送给速调管，在速调管中产生的高功率电子束把能量传递给管中谐波腔，再通过波导管把微波功率传输到隧道里的加速管去加速正负电子。每一台速调管可以供4根加速管，16套功率源足以为直线加速器的56根提供功率。束流输运线是连接“球拍”的“把”和“框”的部分（参见陈和生文章中的图1）。直线加速器产生的高能量正负电子束流通过输运线传送到储存环。BEPCII束流输运线的照片见封二。正负电子在共用段的真空盒里跑了约30米，进入了一块偏转磁铁（照片右下角）。由于正负电子带的电荷相反，在磁场的作用下各奔西东，各经过大约100米的旅行，就到了“球拍”的“框”——储存环的入口。在输运线和储存环交界的地方，有一块切割磁铁，它可以把储运线送过来的束流从水平方向朝储存环里偏转，又不会扰动储存环里已经积累的束流。在切割磁铁的上下游，各有一块冲击磁铁，它们的磁场在几百个毫微秒的极短时间里就能上升和下降，这样就能把直线加速器来的束流一下子“踢”进了储存环的真空盒（冲击磁铁及其脉冲电源的照片见封二）。为了保证正负电子能够在储存环的真空盒里连续储存、运行和对撞几个小时，要求的真空度为1010托量级，也就是大约要稀薄到大气压的十万亿分之一。所以，每个真空盒在安装到储存环里以前，都要经过许多道工序的清洗、检漏、烘烤，并预抽极限真空，安装后还要靠束流产生的同步辐射光继续解析真空盒壁吸附的残余气体。在正电子环的真空盒的内壁还要镀一层氮化钛，以减少二次电子发射，防止产生的光电子聚集在正电子的轨道附近扰动束流的运动。图4是在实验室里进行预抽真空的照片。图4真空盒在实验室进行预抽·36·现代物理知识在真空盒周围安装有各种高精度电磁铁：二极磁铁将束流的轨道偏转，四极磁铁将束流截面聚焦得很小，还有六极磁铁、二极校正磁铁和斜四极磁铁等，对束流的各种参量进行校正和优化。在陈和生文章中图2右下角是C储存环隧道的照片，可以看到二极偏转磁铁和四极聚焦磁铁。BEPCII储存环里，一共有357块各种类型的电磁铁。这些磁铁由高精密的稳流电源励磁，精度和稳定都要优于万分之一，保证束流在长时间储存和对撞时的稳定性（电源厅的照片见封二）。与在直线加速器中不同，束流并不是“骑”在微波场上随时得到加速，而只在经过高频腔的加速间隙的驻波电场时才得到加速。在BEPCII中（参见陈和生文章中的图2），正负电子环上各安装了一台超导高频腔，每个腔可以产生15兆伏的加速电压，提供150千瓦的高频功率。高频腔不断把发射机提供的微波功率传递给束流使之补充由于同步辐射和其他原因损失的能量并得到加速。图5是高频发射机的照片。图5储存环的高频发射机超导高频腔工作在4.5K的低温，也就是摄氏零下269的低温，这时腔壁的电阻接近于零，腔本身几乎不损耗功率。在BEP