我想大家已经多次在报刊或电视上见到过北京正负电子对撞机（BEPC）的名字。今天想简单地介绍一下它的一般情况，包括它所达到的指标、运行的水平以及今后的改进及发展。

一、BEPC的一般情况

BEPC是我国建造的第一台高能加速器，它的单束能量为1.4~2.8 GeV。它的主要目的有两个：一是当正负电子对撞时，进行基本粒子物理研究；二是利用电子绕圈时发射的软、硬X射线同步辐射光进行其他学科领域中的基础及应用研究。”

BEPC由四部分组成，即注入器、储存环、谱仪及同步辐射光实验室。今天只介绍前两部分。

注入器是一台200 m长的电子直线加速器，它可将正负电子各加速到1.1~1.4 GeV。总的说来，该加速器各大主要系统工作稳定可靠。例如，当初最令人担心的，也是难度最大的微波功率源——输出额定功率为30 MW的速调管——经过长期运行证明性能良好。在开始研制该速调管时，我们根据美国斯坦福直线加速器中心所提供的图纸，发展了自己的工艺，第一根试制的管子寿命很短，仅几百小时，但改进后生产出来的管子，不但最大输出，功率达到了设计指标，而且在输出功率为20 MW时，大部分管子的平均寿命均在2万小时以上（国际产品一般为2-3万小时左右）。其他的部件，如盘荷波导加速管及高品质因素的能量倍增器等等也均达到了国际先进指标，为以后的出口创汇打下了基础，这也充分说明我国的工业是有很好的基础的。高质量的部件及子系统，保证了直线加速器的良好的总体性能。目前该加速器提供的电子束脉冲流强已达800 ma，大大超过了设计指标，而提供的正电子束脉冲流强为~10 ma，去年的事故率小于10%。

储存环是对撞机的主体。它的中心轨道呈椭圆形。周长240 m。它与一般的加速器一样，有磁铁及其电源系统，以控制正负电子的运动轨道；有高频系统，以补偿正负电子绕圈时的辐射损失以及将正负电子从注入能量进一步加速到所需要的能量。一般对撞机高频系统均采用较高的频率，例在350 MH，到500 MH，之间，以有利于正负电子的对撞，但由于当初设计时，上述频段的大功率束调管不允许向我国出口，因此我们只能采用国内已有的200 MHz三极管，否则BEPC的性能会更好些。超高真空系统，使环形真空室的真空度维待在10^-10~10¹¹乇，以减小正负电子与残余气体碰撞而引起的损失，同时也减小实验本底。另外还有束测及自控系统、注入系统等等。

与一般加速器不同的是作为对撞用的储存环有2个对撞区，在环的南北两端。一对作相反旋转运动的正负电子束，将在对撞区的中心相碰，这对正负电子束团，在BEPC环中每圈碰2次，每秒将相碰25 G万次，对撞区是-5 m长的直线节，用来安放高能物理实验用的谱仪。由于经费的限制，BEPC只有一个谱仪，名叫北京谱仪（BES），放在环的南端对撞区。

对撞机有两个主要的性能指标，一为能量，另一为亮度。所谓亮度是指对撞时所发生的某种相互作用反应率除以该相互作用的反应截面。显然亮度越高，获取一定相互作用的事例数所需的总时间就越短，也就是说对撞机的效率就越高。这与加速器的流强是相类似的。束流越强，实验数据的累积就越快。这对某些反应截面小的稀有事例特别重要，为了提高对撞机的亮度，一方面要提高对撞机的正负电子束的流强，另一方面更重要的是设法使正负电子束对撞时横向截面要小。所以对撞区附近的磁聚焦结构是特殊的，它所产生的磁聚焦力比环的其他区域要强得多，即使描写束流截面的包络函数（用β表之）尽可能的小，人们称这种特殊的聚焦结构为“low β”（“低β”）结构。在BEPC中采用了这种结构后，束团对撞时的横向截面垂直方向约为0.1 mm，水平方向约为1 mm（束团纵向的长度取决于高频频率，在BEPC中约为15 cm~20 cm左右），这样细的2束团每秒碰250万次似乎是十分不容易的、但实际并不难。因为（只要没有电场）相反方向旋转的正负电子在磁场中的轨道是唯一的。它们必然会分毫不差地正碰。当然严格地说，对撞机里还有高频电场，它会使正负电子轨道稍有分离。因BEPC能量较低，高频场电压也较低，这种分离极小，可以忽略不计，至于高能量的对撞机就不一样了，就需要设法使正负电子实现正碰。

像直线加速器一样，对撞机的所有部件及主要系统均达到了设计指标，质量可靠，再加上对撞机的设计吸取了国际上已有的经验，有所改进，有所创造，因此BEPC的亮度达到了国际领先的水平，BEPC是1984年10月破土动工的？4年后的10月按计划实现了首次对撞，调试2个月后亮度就达到了设计指标。在后来的几年中，又得到进一步的提高，目前在能量为2.0 GeV时，峰值亮度为8×10³⁰cm^-2s^-1，比世界上同能量区的对撞机高4倍之多，也就是说我们做一年的实验，其他实验室要用4年的时间才能完成，这是一个了不起的成就。

二、BEPC的运行情况

对于加速器来说，运行效率也是一个十分重要的指标。光达到设计指标而不能稳定可靠地长期运行，那么就很难有什么作为，BEPC不但达到了设计指标，而且它的运行效率也达到了国际先进水平。

BEPC一旦开机后，就连续地工作，每周7天，每天24小时，两班倒换，每班12小时，即从早晨（晚上）8点到晚上（早晨）8点，运行人员是十分辛苦的。一般每年夏天有一次3个月的大检修。春节前后约有1个月的小检修，偶然如物理实验需要整个冬季连续运行。元旦及春节均不休息。这样全年的运行时间可达5000~6000小时，其中大约有60%左右的时间是提供给高能物理实验及产生专用的同步辐射光供其他学科的有关实验用的，20%是由于部件或系统的事故引起的停机，另外20%左右是用于调束或机器本身的研究。对撞机的调束难度是比较大的，它有三个过程，即积累、加速及对撞。对BEPC来说，最困难的是积累。为了使正负电子束在对撞前有尽可能高的流强，必须把先后从直线加速器出来的脉冲束（电子或正电子）注入到储存环中，等积累到足够的强度后再把两者加速到所需能量，最后再实现对撞。由于直线加速器输出的正电子束要比电子束弱2个数量级，它的积累时间要长达90分钟，所以我们先注入正电子，然后再注入电子，后者理论上仅需几十秒即可以积累到足够的流强。但实践表明，电子束的注入是十分困难的，有时候需要几小时。这一现象长期困惑着人们，致使运行初期，调束所占去的总时间约占运行总时间的30%以上。后来发现这主要是由于注入时时序系统的误差导致的，即先注入的正电子束团不是在一个束团内，在用作对撞的束团两边还有“卫星”束团。正是这种“卫星”束团把后来注入的电子排挤走了。弄清楚这一原因后，注入效率得到了本质上的改善（但是有时候还会出现一些 莫名其妙的电子束注入的困难）。另外由于运行人员经验的不断累积、操作水平及发现问题能力的提高，使调束所需的时间逐步缩小。目前约占运行总时间的10%：另外10%用于机器研究。

从上面介绍可知，要提高对撞机亮度，就必须积累尽可能高的单束流强。在储存环中，积累的最高流强是受到强流不稳定性的限制的，这是近20年来强流加速器所遇到的最大的困难。众所周知，当带电粒子束在真空匣内作旋转运动时，它会在周围的环境（如在真空匣截面有突变的地方、在注入元件上，在高频腔体上）上感电出电磁场。这种电磁场又会反过来作用于带电粒子束本身。流强越高，反作用力也就越大。在一定的条件下会使该束团的运动发生某种不稳定。BEPC在注入时的不稳定单束团流强限为~80 ma，超过理论设计时的估算值~27 ma。

作为对撞机来说还有一个对流强更严的限制，就是所谓的束束相互作用。大家知道，相同电荷的粒子以相对论速度平行运动时，电的斥力刚好为磁的吸力相抵消。但是在对撞机中，正负电子对撞时情况恰恰相反，由于电荷相异，，电力及磁力是相加而不是相消的，在对撞点附近正负电子束均给对方一巨大的吸力（远大于聚焦磁铁作用于正负电子上的力）。这一吸力使正负电子束团的自由振动频率发生微小的改变，我们称之谓“束束频移”。如果根据以往加速器理论，束束频移只要不超过工作点与它最近的强共振线之间的频距，束团的运动仍将是稳定的，但大量的实践证明，却完全不是这样。这种可允许的频率要小得多，迄今为止，所有的正负电子对撞机，其束束频移，均很难超过0.04！！什么原因，有很多解释，但没有完整的分析工作，也有用计算机模拟的。反正没有完全搞懂。一个比较定性的解释是由于束束相互作用力是强非线性的，因此会激起很多很多非线性共振线。正负电子束自由振动频率多次地反复穿越这许多非线性共振线会产生“混沌”运动，而导致束流的丢失，即不稳定性的发生。BEPC的束束频移已达到0.042，如再增加流强，亮度反而呈下降趋势！BEPC是否有可能超过0.04而使亮度上升，是值得进一步研究的。

这里还要介绍一个概念，叫束流的寿命。由于束束相互作用，束团一旦实现对撞后，团中的电子或正电子是会慢慢地丢失的，而亮变也就逐渐变小，当亮度降到起始值的e分之一倍所耗的时间被定义为束流的寿命时，通常这时就不再继续进行物理实验研究，而是把束从环中去掉，重新注入正负电子束，开始一个新的循环。BEPC的束流寿命为8~10小时，比国际上同能区的对撞机长1倍左右。这也是十分有利的。

总之，BEPC不但峰值亮度高，束团寿命长，而且运行效率最高可达80%以上，已达国际先进水平，所有这些使BEPC立于不败之地，很多稀有的精密实验可以在BEPC上进行。这就是为什么在BEPC建成一年后，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）宣布关闭他们的对撞机SPEAR，而与我们合作，一起用BEPC及BES来进行高能物理实验研究。目前合作组已扩大到美国9个单位40余位科学家。

国际合作是相互促进、相互得益的。我们也从美国科学家里学到了不少新的方法技术，最显著的是为了实现合作，必须进行大量的实验数据的传递，伴随的计算机通讯（E-mail）也就首先在高能物理所建立起来了。现在科学院不少单位的研究人员已可利用这一渠道实现通讯，大大提高了与国外的信息交流的速度。

三、BEPC的改进及前景

上面只谈到丁BEPC取得成功的原因之一，还有一个更重要的原因是由于它的能区选得合适，犹如在一个富矿区开采，一定是成果累累。也许你们已经知道，经过近50多年的努力，人们对物质的微观结构的认识已经大大的深入了一步，过去发现的大量所谓基本粒子（如各种介子、各种强子（包括质子及中子并不基本，它们本身又由更小的名为夸克的粒子组成。夸克可分为三代，每代一对，即u（上），d（下）夸克；s（奇异），c（粲）夸克；b（底），t（顶）夸克；还有与之相对应的三代轻子，即e（电子），τ子，μ子；及其相应的三代中微子γe，γτ，γμ。这些夸克及轻子的质量均不相同。BEPC的能量刚好选在c夸克及τ轻子附近。因此BEPC就可以用来研究大量的与τ轻子及c夸克有关的物理现象。虽然c夸克是早在1974年由丁肇中先生发现了J/ψ粒子后就肯定下来了，但是由于过去对撞机的亮度有限，致使有大量的与τ-c有关的稀有物理现象有待进一步研究。通过对这些现象的研究，可以对τ-c的性质，相互作用规律等有进一步了解，这无疑可对当前最“成功”的标准模型理论作进一步验证。所以，由此可见，为什么BEPC的机器不大（在世界已有的高能加速器的图中简直可以略去不计），但它却受到全世界高能物理学家如此的赞扬及重视，去年年初在BEPC上进行的τ轻子的质量的精确测定，就是一个直接可以对标准模型作验证的课题。所以为世界物理学界公认为是90年代高能物理实验上重大成就之一。

BEPC的建成，为我国高能物理争得了一席之地。人们自然会问，下一步怎么办？在回答这一问题之前，让我先介绍一下世界高能加速器发展的趋势。对撞机下一步的发展仍然是超高能及强流，即建造能量更高的对撞机，以寻找新的夸克（上面讲到的第六种夸克t，目前一直还未找到）和研究新的现象及规律，以及发展亮度更高的中低能对撞机，对已发现的夸克作更详细的研究。正在筹建的超高能对撞机均为质子型，一为美国的超导超级对撞机（SSC）；另一为西欧的大型强子对撞机（LHC）。前者已获批准，投资为80亿美元，周长90 km，当前美国经济衰退，该项目有可能被否掉。（其国会参议院已于1993年10月27日通过停建超导超级对撞机工程的议案。——编注）后者尚在游说阶段。由于利用了西欧核子研究中心（CERN）已有的27 km的隧道及相应的措施，投资为15亿美元。上述两方案不论在技术上或财力上均非一般国家所能负担，所以人们当然会集中到第二个方向上去，即试图建造一种亮度比目前高100倍的正负电子对撞机。在粲粒子物理能区中，建议将建造一台亮度为10³³cm^-2s^-1的τ-c粒子“工厂”。τ-c工厂与BEPC不同，正负电子分别在两个环中运行，每环中各含有几十个束团，使每秒中的对撞次数大大增加，从而达到提高亮度的目的。建造一台τ-c工厂大约耗资2亿美元左右。花这么多的钱如能在高能物理领域中占一定的地位，也还是值得的。所以这对一些经济比较不发达的国家是有一定吸引力的。前几年西班牙及原苏联均提出了这类计划，特别是前者在CERN的帮助之下作了不少工作。但是最近一、二年，西班牙的经济由乎过热而发生了一些麻烦，连应该交给CERN的经费也拖延了，是否有钱来造τ-c工厂就成了谜。另外西班牙缺少加速器方面的专家，希望CERN帮他们建造，并全面负责。这一点遭到CERN成员国的反对。CERN只能从技术上帮助，但不能代替西班牙而全面负责。这样一来，这个方案在去年年底就吹了。至于俄罗斯的计划，仅是纸上谈兵，连他们自己也不相信会建，所以今年6月初在西班牙召开的国际性的τ-c工作会议，一批热心于研究粲粒子物理的科学家又重新提出了一个新建议，即建议由CERN建造，并放在CERN的一个已关闭的对撞机的隧道中。这样可以使投资降到1亿美元左右。这个计划已在积极推进中，至于能否为CFRN的领导所接受，尚是一个未知数，因为CERN正集中力量在考虑LHC的建造问题。一旦这一计划被批准并付之实施，那么BEPC将大会逊色，但是τ-c工厂一旦批准后要花5年的时间才会建成，至少经过一、二年的调束及研究才能达到设计指标，所以可以预言BEPC尚有6~7年的机会，可以称雄天下。如果这一计划被否定，这就给我国留下了一个机会，等过几年我国经济好转，在高能所再建一台工厂，可利用部分原有的设备设施，估计只要花1亿美元的代价，就可使我国在21世纪初在高能方面继续保持一席之地。当然这是后话，更为现实的方案是利用τ-c工厂出现前的几年时间里，力争提高BEPC的效率，尽可能地多抢出一批成果。为此我们建议用较少的投资在现有的基础上对BEPC作较大的改进，尽可能地提高它的亮度，发挥它的作用。总之有五大步骤，其中最关键的一步是采用所谓Mimiβ（小β）方案，进一步压缩对撞点的束团截面，这有可能使峰值亮度再提高一倍。这一建议已获批准，投资3000万元人民币，预计在1995年初停机，1995年底完成。经过此改进措施后，BEPC的峰值亮度可增加一个2~3的因子，即在2.0 GeV时达到2~3×10³⁰cm^-2s^-1，也就是说比当前同能区中的世界水平高一个数量级，从而大大增强了BEPC的能力。

有人问起同步辐射光源的情况。我想简单地说几句，围绕BEPC的南半环建有同步辐射光实验室。目前已建有5条光束线9个实验站，供国内有关单位用。目前这些设备尚未充分发挥作用，争取在不断改进的同时做出一批成果来，从长远发展来看，由于高能物理实验与同步辐射应用这两种要求是经常矛盾的。所以比较好的方法是将两者分开，由两台独立的机器来负担，所以为保持同步辐射光源方面的领先地位，在“九五”期间在高能所再建一台能量为1.5 GeV~2 GeV的第三代同步辐射加速器是完全有必要的。只有这样，才能使高能物理与同步辐射两不误。由于注入器已经具备，耗资约1亿元人民币是一比较现实的设想。

（陈福林根据报告录音整理，沈文庆审校）

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* 1993年6月14日在中国科学院上海原子核研究所作的报告，经作者修改定稿。