“羽毛球拍”里藏乾坤，為何它的尺寸偏偏是202米和240米？

北京正負電子對撞機（BEPC）作為中國第一臺高能加速器，自1988年建成以來，一直是國際高能物理領域的重要研究設施。BEPC從空中俯瞰宛如一支巨大的羽毛球拍，“拍柄”是直線加速器，“拍框”是儲存環。這一獨特造型并不是為了炫酷，而是隱藏著大量精妙的物理與工程權衡。

北京正負電子對撞機鳥瞰圖

（圖片來源：中國科學院重大科技基礎設施共享服務平臺）

在其宏偉的結構中，有兩個核心尺寸尤為引人注目：一臺全長202米的直線加速器（Linac）、一條周長為240米（精確值為240.4米）的環形儲存環（Storage Ring）。對于非專業人士而言，這些精確到米的數值似乎有些神秘。它們是如何被確定的？為何不是整數或者其它數值？

BEPC精確參數設計里其實藏著中國科學家在高能物理領域的大智慧，是基于粒子物理研究目標、加速器物理原理、工程約束條件以及國際合作背景的綜合考量。

建設BEPC的科學目標是什么？

BEPC的設計初衷是填補國際高能物理研究在τ-粲能區的空白。這一能區選擇具有明確的物理意義：τ輕子對撞的閾值能量約為4.4 GeV（正負電子總能量)，而J/ψ等粲粒子的產生和研究需要約3.1 GeV的單束能量。在1980年代，國際高能物理研究主要集中在更高能區，如美國康奈爾大學的CESR（16 GeV）、歐洲的LEP（209 GeV）等，而專門針對τ-粲物理的裝置相對稀缺。中國科學家抓住這一機遇，將BEPC定位為在2.2-2.8 GeV單束能量范圍內運行的對撞機，使其成為國際上τ-粲物理研究的“富礦區”。事實證明，這一能區選擇極具戰略眼光。

在鄧小平同志的支持下，中國科學家確定了“一機兩用”的發展方針，即BEPC既用于高能物理實驗，又可為同步輻射光源實驗提供支持。由于BEPC的能區恰好位于同步輻射應用的黃金區域，其產生的硬X射線強度遠高于當時國內其它光源，為生物、化學、材料科學等領域的研究提供了強大支撐。這種“一機兩用”的創新理念不僅節約了建設成本，還擴大了裝置的應用范圍，體現了中國科學家的前瞻性思維。

為什么直線加速器的長度是202米？

BEPC的直線加速器設計為202米，這是一個經過精密計算和工程布局后得到的具備完備功能的系統總長。

BEPC的直線加速器需將電子和正電子的能量加速到1.1 GeV至1.4 GeV之間，作為儲存環的注入能量。為將粒子加速至該能量區間，BEPC的直線加速器配置了56節盤荷波導加速管，每節長度為3.05米。因此，總的有效加速長度約需170.8米。除加速管外，直線加速器還需配置其它組件，如電子槍、預聚束和聚束器以產生最初的電子束；正電子產生靶（位于加速器中段）通過高能電子束轟擊金屬靶來產生正電子；束流診斷設備，以監測束流的位置、流強和尺寸；真空系統以維持系統的高真空，這些關鍵功能組件的放置另需約31.2米的長度空間。即直線加速器的所有組件共同構成了202米的總長度。換句話說，202米長度，是為滿足該儲存環注入能量需求，在當時加速梯度技術水平下，經過精密計算并充分考慮輔助設備空間后得出的必然結果。

環形加速器的周長為什么是240米？

BEPC儲存環的周長設計為240米，這一參數主要受限于物理約束和工程因素的影響。儲存環是BEPC的核心，正負電子在這里被儲存并進行對撞。其周長是整個對撞機系統中最基礎和關鍵的參數，直接影響著機器的能量、成本和物理性能。240米的周長是多方面因素權衡與優化的結果。

BEPC的首要設計目標是進行τ-粲物理研究，這個能區的質心對撞能量大約在3-5 GeV范圍內。這意味著單束流的能量需要達到1.5至2.5 GeV，甚至更高。BEPC的最高設計能量達到了單束2.8 GeV。要讓如此高能量的粒子束轉向，要么需要更強的磁場，要么需要更大的彎轉半徑。在上世紀80年代，常規電磁鐵技術的磁場強度存在上限。如BEPC儲存環的二極彎轉磁鐵，其最大磁場強度為0.9028特斯拉，即對于達到2.8 GeV能量的粒子其所需的最小彎轉半徑為38.2米，周長約為240米。這一設計在有限空間內最大化了能量，同時通過多彎磁鐵配置優化了軌道穩定性。

BEPC設計參數的科學意義與國際地位

BEPC的尺寸設計具有深遠的科學意義。202米直線加速器和240米儲存環的組合，使BEPC成為τ-粲物理能區國際領先的裝置，其亮度和數據統計量在同類裝置中長期保持領先。BEPC的亮度比美國同時期的同類對撞機SPEAR高3倍，能散度更小，探測器性能更優，成為當時世界上同類對撞機和譜儀性能最好的裝置。諾貝爾獎得主里克特（B. Richter）在1990年國際高能物理大會上曾高度評價BEPC，稱其為“當今世界這一能區運行的唯一加速器，而且亮度高于以往任何機器”。

北京譜儀 Ⅲ

（圖片來源：中國科學院重大科技基礎設施共享服務平臺）

BEPC的建成填補了國際高能物理研究在該能區的空白，為粒子物理標準模型的驗證和新物理現象的探索提供了重要平臺。這一成就不僅體現了中國科學家的創新精神，也展示了中國在加速器技術領域的快速進步。

BEPC設計的工程智慧與技術突破

BEPC的設計參數體現了中國科學家在工程約束條件下的卓越智慧。BEPC的240米周長儲存環被設計成跑道形裝置，由超高真空盒、偏轉磁鐵、聚焦磁鐵、扭擺磁鐵和高頻加速腔等部件組成，空間緊湊但功能齊全。

BEPCII的改造工程更是展現了中國科學家的創新能力。在原BEPC的單環隧道內，BEPCII實現了雙環結構的建設，這是世界上首次在如此短的周長內實現雙環對撞機。面對空間狹小的挑戰，中國科學家采用了一系列創新技術，包括超導高頻系統、超導磁鐵、全環軌道慢反饋、束團流強檢測控制等，使BEPCII在性能上實現了質的飛躍。

BEPC的成功建設還帶動了中國高能物理相關技術的發展。謝家麟院士團隊在BEPC建設過程中攻克了多項技術難關，包括超高真空技術、精密電磁鐵制造、束流診斷技術等，為中國后續大科學裝置的建設積累了寶貴經驗。BEPC的建成不僅實現了“一機兩用”的科學目標，還培養了一大批高能物理領域的專業人才，為中國的高能物理研究奠定了堅實基礎。

啟示與未來展望

BEPC的參數設計為中國大科學裝置的建設提供了寶貴經驗。在能區選擇上，BEPC避開了國際競爭激烈的高能區，專注于τ-粲物理這一“富礦區”，通過精準定位實現了后來居上的科學目標。在工程設計上，BEPC充分考慮了當時中國的技術基礎和工業能力，通過自主創新和國際合作相結合的方式，實現了裝置的高效建設和穩定運行。

結論

北京正負電子對撞機直線加速器的202米長度和儲存環的240米周長，是上世紀80年代中國科學家和工程師在特定歷史時期，基于明確的物理目標（τ-粲物理）、可用的技術手段（磁鐵技術、RF加速技術）以及現實的工程約束（成本、場地）進行系統性權衡與精細化計算的智慧結晶。這兩個尺寸共同構成了BEPC作為一個整體協同工作的物理基礎，并通過復雜的射頻同步系統聯系在一起，體現了高能物理大科學裝置設計的系統性與嚴謹性。

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學科普主管、中國科普作家協會會員）

監制：中國科普博覽