“羽毛球拍”里藏天地为何它的尺度偏偏是202米和240米？

  北京正负电子对撞机（BEPC）作为我国第一台高能加快器，自1988年建成以来，一直是世界高能物理范畴的重要研讨设备。BEPC从空中俯视宛如一支巨大的羽毛球拍，“拍柄”是直线加快器，“拍框”是贮存环。这一一起造型并不是为了炫酷，而是隐藏着很多精妙的物理与工程权衡。

  在其雄伟的结构中，有两个中心尺度尤为有目共睹：一台全长202米的直线加快器（Linac）、一条周长为240米（准确值为240.4米）的环形贮存环（Storage Ring）。关于非专业人士而言，这些准确到米的数值好像有些奥秘。它们是怎么被确认的？为何不是整数或许其它数值？

  BEPC准确参数规划里其实藏着我国科学家在高能物理范畴的大才智，是根据粒子物理研讨政策、加快器物理原理、工程束缚条件以及世界合作布景的归纳考量。

  BEPC的规划初衷是添补世界高能物理研讨在τ-粲能区的空白。这一能区挑选具有清晰的物理含义：τ轻子对撞的阈值能量约为4.4 GeV（正负电子总能量)，而J/ψ等粲粒子的发生和研讨需求约3.1 GeV的单束能量。在1980时代，世界高能物理研讨大多散布在在更高能区，如美国康奈尔大学的CESR（16 GeV）、欧洲的LEP（209 GeV）等，而专门针对τ-粲物理的设备相对稀缺。我国科学家捉住这一机会，将BEPC定位为在2.2-2.8 GeV单束能量规模内运转的对撞机，使其成为世界上τ-粲物理研讨的“富矿区”。事实上，这一能区挑选极具战略眼光。

  在的支撑下，我国科学家确认了“一机两用”的开展政策，即BEPC既用于高能物理试验，又可为同步辐射光源试验供给支撑。因为BEPC的能区刚好坐落同步辐射使用的黄金区域，其发生的硬X射线强度远高于其时国内其它光源，为生物、化学、材料科学等范畴的研讨供给了强壮支撑。这种“一机两用”的立异理念不只节省了建造本钱，还扩展了设备的使用场景规模，表现了我国科学家的前瞻性思想。

  BEPC的直线米，这是一个经过精细核算和工程布局后得到的具有齐备功用的体系总长。

  BEPC的直线加快器需将电子和正电子的能量加快到1.1 GeV至1.4 GeV之间，作为贮存环的注入能量。为将粒子加快至该能量区间，BEPC的直线节盘荷波导加快管，每节长度为3.05米。因而，总的有用加快长度约需170.8米。除加快管外，直线加快器还需装备其它组件，如电子枪、预聚束和聚束器以发生开始的电子束；正电子发生靶（坐落加快器中段）经过高能电子束炮击金属靶来发生正电子；束流无恶不作设备，以监测束流的方位、流强和尺度；真空体系以坚持体系的高真空，这些要害功用组件的放置另需约31.2米的长度空间。即直线加快器的一切组件一起构成了202米的总长度。换句线米长度，是为满意该贮存环注入能量需求，在其时加快梯度技能水平下，经过精细核算并最大极限地考虑辅佐设备空间后得出的必然成果。

  BEPC贮存环的周长规划为240米，这一参数首要受限于物理束缚和工程要素的影响。贮存环是BEPC的中心，正负电子在这里被贮存并进行对撞。其周长是整个对撞机体系中最根底和要害的参数，直接影响着机器的能量、本钱和物理功用。240米的周长是多方面要素权衡与优化的成果。

  BEPC的首要规划政策是进行τ-粲物理研讨，这个能区的质心对撞能量大约在3-5 GeV规模内。这在某种程度上预示着单束流的能量要到达1.5至2.5 GeV，乃至更高。BEPC的最高规划能量到达了单束2.8 GeV。要让如此高能量的粒子束转向，要么需求更强的磁场，要么需求更大的弯转半径。在上世纪80时代，惯例电磁铁技能的磁场强度存在上限。如BEPC贮存环的二极弯转磁铁，其最大磁场强度为0.9028特斯拉，即关于到达2.8 GeV能量的粒子其所需的最小弯转半径为38.2米，周长约为240米。这一规划在有限空间内最大化了能量，一起经过多弯磁铁装备优化了轨迹安稳性。

  BEPC的尺度规划具有深远的科学含义。202米直线米贮存环的组合，使BEPC成为τ-粲物理能区世界抢先的设备，其亮度和数据统计量在同类设备中长期坚持抢先。BEPC的亮度比美国一起期的同类对撞机SPEAR高3倍，能散度更小，探测器功用更优，成为其时世界上同类对撞机和谱仪功用最好的设备。诺贝尔奖得主里克特（B. Richter）在1990年世界高能物理大会上曾高度评价BEPC，称其为“当今世界这一能区运转的仅有加快器，并且亮度高于以往任何机器”。

  BEPC的建成添补了世界高能物理研讨在该能区的空白，为粒子物理规范模型的验证和新物理现象的探究供给了重要渠道。这一成果不只表现了我国科学家的立异精力，也展示了我国在加快器技能范畴的快速前进。

  BEPC的规划参数表现了我国科学家在工程束缚条件下的杰出才智。BEPC的240米周长贮存环被规划成跑道形设备，由超高真空盒、偏转磁铁、聚集磁铁、扭摆磁铁和高频加快腔等部件组成，空间紧凑但功用完全。

  BEPCII的改造工程更是展示了我国科学家的立异才能。在原BEPC的单环地道内，BEPCII完成了双环结构的建造，这是世界上初次在如此短的周长内完成双环对撞机。面临空间狭小的应战，我国科学家采用了一系列立异技能，包含超导高频体系、超导磁铁、全环轨迹慢反应、束团流强检测操控等，使BEPCII在功用上完成了质的腾跃。

  BEPC的成功建造还带动了我国高能物理有关技能的开展。谢家麟院士团队在BEPC建造过程中霸占了多项技能难关，包含超高真空技能、精细电磁铁制作、束流无恶不作技能等，为我国后续大科学设备的建造积累了名贵经历。BEPC的建成不只完成了“一机两用”的科学政策，还培养了一大批高能物理范畴的专业人才，为我国的高能物理研讨奠定了坚实根底。

  BEPC的参数规划为我国大科学设备的建造供给了名贵经历。在能区挑选上，BEPC避开了世界竞争剧烈的高能区，专心于τ-粲物理这一“富矿区”，经过精准定位完成了后发先至的科学政策。在工程规划上，BEPC最大极限地考虑了其时我国的技能根底和工业才能，经过自主立异和世界合作相结合的办法，完成了设备的高效建造和安稳运转。

  北京正负电子对撞机直线时代我国科学家和工程师在特定历史时期，根据清晰的物理政策（τ-粲物理）、可用的技能办法（磁铁技能、RF加快技能）以及实际的工程束缚（本钱、场所）进行体系性权衡与精细化核算的才智结晶。这两个尺度一起构成了BEPC作为一个全体协同作业的物理根底，并经过杂乱的射频同步体系联络在一起，表现了高能物理大科学设备规划的体系性与严谨性。