带大家参观北京正负电子对撞机实验室，我国第一个大型科学装置

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话说北京西侧玉泉路，有一个毫不引人注意的大院，每天人来人往，谁也不知道这个院子中隐藏着我国的一个重要的大科学装置


门口金色的邓公题字彰显着它的身份


话说这个北京正负电子对撞机国家实验室是干什么的呢？

它是研究物质的构成的，大家都知道，不同的物质是由不同的分子构成的
分子又是由原子组成的，再往小原子又是由质子中子+电子构成的，那再往小质子中子电子又是由什么组成的呢
所谓高能物理（粒子物理）就是研究比核子更深层次物质结构的科学
其中的重要研究工具，就是各种加速器对撞机，北京正负电子对撞机（简称BEPC），就是其中的一个
这个大科学装置，由北京正负电子对撞机、北京谱仪和北京同步辐射装置构成
专门用来研究各种微观粒子
其中，这三台设备里面，北京正负电子对撞机负责产生试验条件
北京谱仪负责观察试验结果，而北京同步辐射装置，则利用试验时产生的副产品进行其它科学研究
走进大门，可看见一个太极型的雕塑，这是当年吴作人教授为BEPC设计的LOGO
PS：现在的北京正负电子对撞机，已经经过升级改造了，简称是BEPC II，这里就按BEPC先说了
知道代表它即可


顺着院子往里走，里面还有一道大门，进去后，就是北京正负电子对撞机国家实验室区域了



要知道，这可是咱们国家第一个大科学装置
话说咱们建个什么东西一般都要搞个奠基仪式，一般都是由领导来完成
而当年开工给BEPC奠基的，可是邓公！


先说说BEPC的结构
整台设备，像一个羽毛球拍子，前面一个圆环，后面一个柄
其中圆环直径大约70多米，柄的长度200多米
其中，电子从直线加速器最右侧的电子枪发出，经过直线加速器加速
在中央撞击一个钨靶生成正电子，然后，正电子和负电子分别经过运输线进入储存环
在储存环里一圈一圈的跑并且继续加速，然后等累积到一定数量以后，在北京谱仪处发生对撞
OK，这么高的速度，没准就把电子撞得四分五裂了，这时候北京谱仪开始工作，看看撞出个什么新东西没有
说简单一点，比如你想知道一个核桃（电子）里面有什么东西，那么，你把核桃用力往地上一扔（加速器）
核桃砸在地上碎了（撞），你把碎片捡起来看看核桃是什么组成的（北京谱仪）


BEPC的大门，这里是中央控制室
整个BEPC实际是隐藏在地下的隧道里面，地面上可见的这些建筑，实际上都是它的附属设施
比如控制室、电源厅、实验室、制冷机、纯水站等等





同步辐射大厅




这是直线加速器部分，一个长条型的建筑，长约200米
其实，所看见的，应该叫做速调管大厅，真正的加速器，在这个房子底下的地下隧道里


这是外围的一些附属设施，都是各种实验室


有加速器就离不开磁铁，强磁铁离不开超导，超导则离不开低温
因此，对于BEPC来说，低温设施是必不可少的
周围的各类低温液体储罐



低温研究大厅和低温回收大厅，液氦是很珍贵的！



走到直线加速器的尽头，有这么一个卷帘门
这里，就是BEPC的起点，确切的说，这个门，是为了走设备的
平时进出，都走侧面的大门


进去看看，里面就像一个普通工厂，还是那种老式工厂


之前说了，直线加速器上面是速调管大厅
这些设备，主要服务于直线加速器，用来个电子枪发出的电子进行初步加速
那个立着的大圆筒，就是速调管，最大输出功率30MW
大型铁皮柜，为速调管的调制器，可以产生4us 300-350KV的高压脉冲，
这样的设备，一共16台
请注意速调管上面铜质的方管，那是波导，从速调管中伸向地下的直线加速器
为电子束输送加速用的微波能量



东芝的速调管，起初，BEPC刚建好的时候还有用是国产汉光电工厂
生产的速调管，国产进口元件并存，一定程度让国产速调管质量有了极大提升


下面进入隧道
当加速器运行时，高速奔驰的电子束会产生很强的感生放射性
因此，在BEPC运行时，隧道是严禁进入的，隧道入口安装有门连锁和计数器
只有人员全部撤离，隧道门全部锁好后BEPC才能运行
反之，如果运行时强行开门，BEPC也会自动停机


直线加速器的起点，也是BEPC的起点
那个白色的小简易房，就是电子枪室


这就是电子枪
其实本质就是灯丝加热的阴极
整个BEPC运行所用的电子，就由这里产生


直线加速器部分，直线加速器总长约202米
主要由电子枪、S波段盘荷波导加速管、次谐波聚束器、正电子靶、速调管、调制器等设备组成
可以提供1-2.5Gev的正负电子束流送入储存环进行试验
当然，也可以直接引出一些电子束进行基本粒子试验
直线加速器的原理高中物理课都讲过
主要就是电子在电场作用下被逐级加速，如有不懂，请咨询高中物理老师
这是直线加速器的30Mev预注入器
然后在150Mev处有一可移动的钨靶为正电子源，正电子源通过脉冲磁压缩器收集产生的正电子束流
然后在直线加速器中继续加速



预注入器后，是波导加速管，微波能量的来源，就是头顶上的速调管
电子束就在这里，被微波能量推着越跑越快，越跑越快


高能物理研究所工厂生产
现在叫做高能锐新公司





聚束用的磁铁，电子束，就从中间那银白色的管子中飞驰而过
速度近乎光速



感生放射性有害身心健康，一定要做好防护


就这样，电子枪发射出的电子束经过直线加速器一路向南
奔向储存环而去


直线加速器的尽头，就是储存环了
储存环，周长约240米，轨道为椭圆形，BEPC建成之初，为单环构造，
后来在2004年5月进行升级改造后变为双环，正电子束和负电子束分别在自己的环里加速、储存
使得PEPC的性能有了极大提高（亮度增加30倍）
储存环的中央为58mm*120mm的椭圆形环形不锈钢真空盒，这是电子束的运行的空间
沿轨道安排有各类磁铁控制电子束运动，也就是看到的大箱子一样的东西
储存环的南北两端各有一段5米长的对撞区，东西两侧安装有运输线用来注入正负电子
北京谱仪探测器就装在北侧对撞区处，其中，储存环南侧切线还引出光束线为北京同步辐射装置

储存环隧道，2排并行的储存环





到了储存环，自然要与各种磁铁打交道，这里就是磁铁、磁铁、磁铁
6极的、4极的、2极的，各有各的用途
为什么那么多磁铁？因为要想改变带电粒子的运动轨迹，用磁场就可以啊
具体请参见高中物理洛仑兹力部分



















这是一个完整的弧区单元，整个储存环由很多这样的弧区单元构成
其中，橙色的为偏转磁铁，这是一个二极磁铁，其作用是用过洛伦兹力让电子束偏转沿轨道运动（储存环是圆形的）
蓝色的4极磁铁是聚焦磁铁，用来把电子束聚焦在轨道中心
绿色的为6极磁铁，用来校正色品
在蓝色4极磁铁这边，其实还有一个小型的2极校正磁铁，用来校正束流方向
其中，BEPC运行时，磁铁的励磁功率是非常大的，励磁电流都在上百安培，磁铁，都采用水冷结构







请注意下面这个蓝色的大磁铁，这是在储存环第4象限上安装的真空内扭摆磁铁
代号4W2，在BEPC II建成当初，是我国磁场强度最高，磁极间隙可调范围最大，横向场区最宽的扭摆磁铁
为什么单把它列出来？因为它是对撞机上一个重要的插入件，可以用来产生高质量的同步辐射（后面会讲）
这个磁铁和上面的那些2、4、6极磁铁不一样，那些磁铁，套在真空盒的外面
而这个磁铁，它的磁极位于真空盒的里面，而且磁极的间隙还是可以调整的，从120mm-12mm无极可调
制造难度还是蛮大的，但是，科研人员克服种种困难，逢山开路，遇水搭桥，出色的把它制造了出来，而且工作得很好








隧道墙上的紧急停机按钮，可以随时终止BEPC运行



到对撞区了



对撞区，在对撞区的两端装有一对静电分离器
当需要对撞的时候，静电分离器被关闭，正负电子束在对撞区里发生对撞
安装在这里的北京谱仪对撞击结构进行探测
数据被送往计算中心进行分析



从对撞区上来，就是北京谱仪的中央控制室了，北京谱仪（BES III）是BEPC II上配套的大型通用磁谱仪
这也是个埋藏在地下的大家伙，外形像一个巨大的圆筒，由主漂移室、飞行时间计数器、电磁量能器、u子计数器组成
当然还有相应的电子学读出、触发、数据采集等系统，
谱仪是干什么用的？这是一个大型粒子探测器，正负电子束相撞了，撞出来个什么东西没有？
就靠谱仪来检测，它相当于BEPC II的眼睛，通过测量正负电子对撞反应产生的次级粒子来研究物质微观结构
的基本组成单元极其相互作用性质
中央控制室负责监控设备的运行状态，收集的数据自有计算机进行分析，平时，这里就是值班人员








中央控制室里的辐射检测装置，这是电离室？




BEPC还有一个重要的设施就是北京同步辐射装置（BSRF）了
这个设备位于储存环的南侧，负电子经过弯转磁铁和扭摆器时发出的同步辐射光在这里被引出
经前端区和光束线送至各个同步辐射实验站
所谓同步辐射，它来自于高速运动的带电粒子状态发生变化时发出的电磁波，
话说这个同步辐射，一开始是不受待见的东西，为什么？
因为当年大家制造加速器，一心一意就是为了让粒子获得更高的速度
而高速运动的粒子流发出了同步辐射后，能量就会降低，速度就会减慢
而且，只要粒子流转向，就会有同步辐射产生，无法消除，为此令无数物理学家和工程师大伤脑筋
1947年，通用电气公司的研究所在加速器上发现了这一现象，命名为同步辐射，或同步辐射光
而产生利用这种同步辐射的设备，称之为同步辐射光源或同步辐射装置

到后来，有人发现这种特殊的电磁波具有非常高的准直性和和极高的亮度，可以用来作为新型光源探索微观世界
于是同步辐射才被利用起来，变废为宝，反而成了炙手可热的资源
在BEPC上的这个北京同步辐射装置，应该说是一种兼用光源（也可运行在专用模式下）
因为它的本体电子储存环是用作高能物理试验的，只是“兼职”从储存环扭摆磁铁处引处同步辐射光
不过BEPC每年的运行计划里，也会将储存环切换为专用模式用来提供同步辐射
像今年新建成的上海光源，就是专为使用同步辐射设计制造的电子储存环，属于专用光源
BSRF刚建成的时候只有2个试验大厅、5条光束线和7个试验站，现在扩展到3个试验大厅，14条光束线和试验站
他们分别是：光电子能谱、X射线衍射、XAFS、软X射线、小角X射线散射、中能X射线、蛋白质晶体结构、X射线成像和形貌、
VUV光谱、X射线漫散射、高压X射线衍射、X射线荧光分析、X射线光刻、LIGA



话说BSRF有什么作用呢，它可以从某些特殊的角度观察物质的微观结构变化
比如说，你发现你买的一颗白菜腐烂了，你很想知道，腐烂的白菜为什么就不能吃了，
宏观上看白菜腐烂了，但是从分子学角度，究竟构成白菜的结构发生了什么变化呢
我觉得你可以拿到这里来，BSRF肯定能满足你的要求（别说我浪费科研设施和机时）




同步辐射的产生，一部分就来自上面说的那个扭摆磁铁
扭摆磁铁沿电子束运动方向产生周期性变化的磁场，让电子束在经过扭摆磁铁时
做蛇形的正弦形运动，放出同步辐射光
当对撞机工作在对撞模式时，扭摆磁铁的磁极拉开，会有一段孔径和储存环上下游直径相同的内真空盒
填补在磁极中间，使扭摆磁铁和上下游真空盒实现平滑过渡，减少束流阻抗
当对撞机工作在光源模式时，内真空盒撤出，扭摆磁铁的磁极合拢，进行同步辐射“生产”。

（涂片来自网络）



这是同步辐射东厅




BSRF厂房内部，多条光束线呈扇形排列













控制柜，最上面的LCD显示的是BEPC的运行状态，可以看出现在处于停机状态







BSRF很多试验都是和X射线有关的，因此有专门的屏蔽措施



蛋白质晶体结构实验站解析的蛋白质构造


最后，说说这个大家伙出产了什么成果吧
BEPC定位是粲夸克和t轻子的物理研究，自1989年开始运行之道2005年升级改造，现在是世界上
t-粲能区里性能最好的对撞机，得到了像t轻子质量测量、ψ衰变及粲夸克偶素物理、
Ds物理研究、J/ψ衰变物理研究、R值精确测量以及发现X1835新粒子等一批重大物理成果。
同时，在BEPC建造、升级改造过程中，还克服了很多诸如低温超导、高真空设备、大功率速调管制造等工程技术上的难题
也让当时薄弱的工业水平有了进步提升

参考资料：http://bepclab.ihep.cas.cn/
                http://www.ihep.cas.cn/


完，谢谢观看

壹筒江湖

撞出什么没有？有没有撞出黄蜂女？:lol:我的物理成绩一般都不及格，太高深了

都忘掉了

给人的感觉和大多数高校的科研项目一样的，是安装了对外宣传用的，而不是真正搞科研的。当时襄樊学院从从西门子进口千万元的电子隧道显微镜，每天都是空调、备用电伺候着，然后就是给用于做展览用的，从没有真正的用于研究过什么

人艰不拆了

壹筒江湖 发表于 2019-7-13 14:25
撞出什么没有？有没有撞出黄蜂女？我的物理成绩一般都不及格，太高深了 ...

哈哈，一路向南，撞南墙了呗，然后转弯上南五环了，啊，啊，五环，你比六环少一环！:titter:

俊输

这个是不是机密？

ljlun

謝謝分享，听说要撞出微型黑洞

czxsw1

我在想，它在工作时如果有人把手放在加速器的末端让电子束打在手上，手是个什么状态……

lmy2003

谢谢科普，学到不少

2n3055

czxsw1 发表于 2019-7-13 20:56
我在想，它在工作时如果有人把手放在加速器的末端让电子束打在手上，手是个什么状态…… ...

电子束在真空腔里面，应该说，还没等电子束打你，你的手先因为真空而爆开了
我记得好像有个科学家曾经被粒子束打过脑袋，没什么事很快痊愈了
（仅为听说，未经证实）

hongo

都忘掉了 发表于 2019-7-13 14:31
给人的感觉和大多数高校的科研项目一样的，是安装了对外宣传用的，而不是真正搞科研的。当时襄樊学院从从西 ...

这个对撞机做过一些国际上没有做过的真东西。

bhappy21

前“国之重器”，目前有更好的设备了

石墨

写的很详细很专业啊，话说电子对撞机不是可以随意参观吧，楼主看过瘾了各房间随便进，哈哈

samhrc

都忘掉了 发表于 2019-7-13 14:31
给人的感觉和大多数高校的科研项目一样的，是安装了对外宣传用的，而不是真正搞科研的。当时襄樊学院从从西 ...

我上大学的时候TEM实验室也是根本就没开放过，物化课电镜的内容都是用PPT看的。

huanghe1106

俊输 发表于 2019-7-13 15:41
这个是不是机密？

网上到处可以搜到欧洲强子对撞机的文章和照片。所以正负电子对撞那就根本算不上机密好吧！这两种东西就是财大气粗的国家才玩的

aysnnxx

研究磁场这个非常好，看过一个电影，是外国的，
有个人走到一个圆坛的中间，这个人身体两边是两根电线，电压还是电流不知道，反正很大很大，
随着功力不断增大，这个圆盘的中间产生了蓝光，随后这个人就穿越了，

copyright927

2n3055 发表于 2019-7-13 23:39
电子束在真空腔里面，应该说，还没等电子束打你，你的手先因为真空而爆开了
我记得好像有个科学家曾经被 ...

毛子，智力貌似没啥影响，据说顺利毕业了，就是看他照片头发中间秃了一个圆形寸草不生

回笼觉

不错，啥时候对外开放了

se7ens

我来看看纳税人的钱都是怎么花的:titter::titter:

不言不语不

明天淘几块磁铁D一个出来:lol:

花儿常开

刚建成的时候记得有新闻报道过，那时候还在上学，其中好像有关于这个知识的考题，老师是要求我们熟记的。:titter: