出品：科普中国

作者：杨超（深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员）

监制：中国科普博览

北京正负电子对撞机（BEPC）作为中国第一台高能加速器，自1988年建成以来，一直是国际高能物理领域的重要研究设施。BEPC从空中俯瞰宛如一支巨大的羽毛球拍，“拍柄”是直线加速器，“拍框”是储存环。这一独特造型并不是为了炫酷，而是隐藏着大量精妙的物理与工程权衡。

北京正负电子对撞机鸟瞰图

（图片来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台）

在其宏伟的结构中，有两个核心尺寸尤为引人注目：一台全长202米的直线加速器（Linac）、一条周长为240米（精确值为240.4米）的环形储存环（Storage Ring）。对于非专业人士而言，这些精确到米的数值似乎有些神秘。它们是如何被确定的？为何不是整数或者其它数值？

BEPC精确参数设计里其实藏着中国科学家在高能物理领域的大智慧，是基于粒子物理研究目标、加速器物理原理、工程约束条件以及国际合作背景的综合考量。

建设BEPC的科学目标是什么？

BEPC的设计初衷是填补国际高能物理研究在τ-粲能区的空白。这一能区选择具有明确的物理意义：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等粲粒子的产生和研究需要约3.1 GeV的单束能量。在1980年代，国际高能物理研究主要集中在更高能区，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-粲物理的装置相对稀缺。中国科学家抓住这一机遇，将BEPC定位为在2.2-2.8 GeV单束能量范围内运行的对撞机，使其成为国际上τ-粲物理研究的“富矿区”。事实证明，这一能区选择极具战略眼光。

在邓小平同志的支持下，中国科学家确定了“一机两用”的发展方针，即BEPC既用于高能物理实验，又可为同步辐射光源实验提供支持。由于BEPC的能区恰好位于同步辐射应用的黄金区域，其产生的硬X射线强度远高于当时国内其它光源，为生物、化学、材料科学等领域的研究提供了强大支撑。这种“一机两用”的创新理念不仅节约了建设成本，还扩大了装置的应用范围，体现了中国科学家的前瞻性思维。

为什么直线加速器的长度是202米？

BEPC的直线加速器设计为202米，这是一个经过精密计算和工程布局后得到的具备完备功能的系统总长。

BEPC的直线加速器需将电子和正电子的能量加速到1.1 GeV至1.4 GeV之间，作为储存环的注入能量。为将粒子加速至该能量区间，BEPC的直线加速器配置了56节盘荷波导加速管，每节长度为3.05米。因此，总的有效加速长度约需170.8米。除加速管外，直线加速器还需配置其它组件，如电子枪、预聚束和聚束器以产生最初的电子束；正电子产生靶（位于加速器中段）通过高能电子束轰击金属靶来产生正电子；束流诊断设备，以监测束流的位置、流强和尺寸；真空系统以维持系统的高真空，这些关键功能组件的放置另需约31.2米的长度空间。即直线加速器的所有组件共同构成了202米的总长度。换句话说，202米长度，是为满足该储存环注入能量需求，在当时加速梯度技术水平下，经过精密计算并充分考虑辅助设备空间后得出的必然结果。

环形加速器的周长为什么是240米？

BEPC储存环的周长设计为240米，这一参数主要受限于物理约束和工程因素的影响。储存环是BEPC的核心，正负电子在这里被储存并进行对撞。其周长是整个对撞机系统中最基础和关键的参数，直接影响着机器的能量、成本和物理性能。240米的周长是多方面因素权衡与优化的结果。

BEPC的首要设计目标是进行τ-粲物理研究，这个能区的质心对撞能量大约在3-5 GeV范围内。这意味着单束流的能量需要达到1.5至2.5 GeV，甚至更高。BEPC的最高设计能量达到了单束2.8 GeV。要让如此高能量的粒子束转向，要么需要更强的磁场，要么需要更大的弯转半径。在上世纪80年代，常规电磁铁技术的磁场强度存在上限。如BEPC储存环的二极弯转磁铁，其最大磁场强度为0.9028特斯拉，即对于达到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。这一设计在有限空间内最大化了能量，同时通过多弯磁铁配置优化了轨道稳定性。

BEPC设计参数的科学意义与国际地位

BEPC的尺寸设计具有深远的科学意义。202米直线加速器和240米储存环的组合，使BEPC成为τ-粲物理能区国际领先的装置，其亮度和数据统计量在同类装置中长期保持领先。BEPC的亮度比美国同时期的同类对撞机SPEAR高3倍，能散度更小，探测器性能更优，成为当时世界上同类对撞机和谱仪性能最好的装置。诺贝尔奖得主里克特（B. Richter）在1990年国际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行的唯一加速器，而且亮度高于以往任何机器”。

北京谱仪 Ⅲ

（图片来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台）

BEPC的建成填补了国际高能物理研究在该能区的空白，为粒子物理标准模型的验证和新物理现象的探索提供了重要平台。这一成就不仅体现了中国科学家的创新精神，也展示了中国在加速器技术领域的快速进步。

BEPC设计的工程智慧与技术突破

BEPC的设计参数体现了中国科学家在工程约束条件下的卓越智慧。BEPC的240米周长储存环被设计成跑道形装置，由超高真空盒、偏转磁铁、聚焦磁铁、扭摆磁铁和高频加速腔等部件组成，空间紧凑但功能齐全。

BEPCII的改造工程更是展现了中国科学家的创新能力。在原BEPC的单环隧道内，BEPCII实现了双环结构的建设，这是世界上首次在如此短的周长内实现双环对撞机。面对空间狭小的挑战，中国科学家采用了一系列创新技术，包括超导高频系统、超导磁铁、全环轨道慢反馈、束团流强检测控制等，使BEPCII在性能上实现了质的飞跃。

BEPC的成功建设还带动了中国高能物理相关技术的发展。谢家麟院士团队在BEPC建设过程中攻克了多项技术难关，包括超高真空技术、精密电磁铁制造、束流诊断技术等，为中国后续大科学装置的建设积累了宝贵经验。BEPC的建成不仅实现了“一机两用”的科学目标，还培养了一大批高能物理领域的专业人才，为中国的高能物理研究奠定了坚实基础。

启示与未来展望

BEPC的参数设计为中国大科学装置的建设提供了宝贵经验。在能区选择上，BEPC避开了国际竞争激烈的高能区，专注于τ-粲物理这一“富矿区”，通过精准定位实现了后来居上的科学目标。在工程设计上，BEPC充分考虑了当时中国的技术基础和工业能力，通过自主创新和国际合作相结合的方式，实现了装置的高效建设和稳定运行。

结论

北京正负电子对撞机直线加速器的202米长度和储存环的240米周长，是上世纪80年代中国科学家和工程师在特定历史时期，基于明确的物理目标（τ-粲物理）、可用的技术手段（磁铁技术、RF加速技术）以及现实的工程约束（成本、场地）进行系统性权衡与精细化计算的智慧结晶。这两个尺寸共同构成了BEPC作为一个整体协同工作的物理基础，并通过复杂的射频同步系统联系在一起，体现了高能物理大科学装置设计的系统性与严谨性。

来源: 中国科普博览

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