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时间: 2020年02月23日 02:03 | 来源: 丿芭比娃娃灬家族 | 编辑: 姬金海 | 阅读: 7176 次

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     我国科学院高能物理研讨所正大志壮志地推动一项超级科学项目:在我国境内缔造新一代能量前沿的超大型粒子对撞机(CEPC-SPPC)。这在我国是前所未有的。如今,CEPC-SPPC方案团队现已吸收了国内乃至国际上的许多高能物理和加快器方面的专家积极参加其间。

  近来几个月来,我国科学界对是不是应当缔造这个超大方案的科学设备有着十分火热的评论。稀有位咱们十分敬仰的国际伟人级的科学长辈参加其间,奉献出许多真知灼见。这一评论逐步扩展至公共媒体,无论是微博、微信仍是知乎,都引起了更多人的重视和论辩,也是前所未有的。因而,这场评论自身对我国末来科学的打开及群众对科学的支撑,必将有着十分深远的影响。

  作为一个在海外长时刻从事高能粒子对撞机研讨的加快器专业人员,我也十分热切地重视着这场前所未有的评论,并从中获益良多。以我自己的了解,尽管评论的正反两边在许多方面有着十分敌对的观念,在较深的层次上却有着实质相通的一同点。这场评论的焦点是:在我国正稳步和迅速地走向国际科技大国和強国的大趋势下,怎么最优化地装备资本和怎么挑选最好道路完结这一强国方针。高能物理研讨所的超大型粒子对撞机适时地供给了这一探究的试验田。

     可是笔者一同注意到,由于高能粒子对撞机的常识和技能的十分专业化和大型加快器工程的极点杂乱性,不少评论文章对这两个超大型粒子对撞机的表达在许多方面不精确或乃至彻底的过错,以致影响了有关文章的论据精确性和和结论的精确性与精确度。

  我很快乐地看到我杰出的同行唐靖宇博士(高能物理研讨所教授和超级质子-质子对撞机SPPC方案团队担任人)已在公共媒体《赛先生》上宣布了一篇文章,从加快器的专业视点,对许多方面作了介绍,这必将有助于弄清许多误解。可是,我感受还有不少方面没有触及,由于超大型对撞机所触及的加快器和大工程层面太广。

  笔者自己近来十五年一直在美国能源部部属的国家试验室参加及领导美国新一代高能电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider)的方案。我愿以我所学的加快器常识和堆集的方案经历对我国的超大型粒子对撞机CEPC-SPPC作一个开端的剖析,以有助于这场评论在专业技能层面上愈加精确和进一步深化。我企图从加快器的专业视点答复几个群众格外关怀的热点话题,比方我国超级对撞机的缔造是不是存在危险,项目造价会否失控并致使成倍增加,会否变成一个无底洞,我国是不是有满足的人力资本承当起超级对撞机的缔造仼务等等。

   有必要事前声明的是笔者自己对我国的能量前沿超级粒子对撞机缔造与否具有清晰的倾向性,即十分的支撑CEPC-SPPC这个项目。并且笔者自己亦经过国际协作参加了CEPC-SPPC的概念性方案作业和《开端概念方案陈述》(Pre-Conceptual Design Report)的写作。这个陈述有中英两种言语版别,现已揭露宣布并且能够从高能物理研讨所的网站上下载。可是在这一篇剖析文章中,笔者力求做到客观,公正和专业。凡不行避免地触及自己的片面判别,也尽量地予以注明。本篇文章仅限于加快器有关的疑问,至于超级对撞机CEPC-SPPC的科学方针和含义及其缔造与否的得失,不在评论之列,由于它们不在自己的专业规模内。

图1. 超级粒子对撞机CEPC-SPPC的《开端概念方案陈述》


1.两个不一样的对撞机

  尽管它们英文名字的缩写常常被连起来,给人的感受这是一个设备。可是环型正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider,英文缩写为CEPC)和超级质子-质子对撞机(Super Proton-Proton Collider,英文缩写为SPPC)是两个彻底独立的超高能粒子对撞机。这一点,髙能物理研讨所所长王贻芳院士在他的多篇文章中早就说明明白了。

  我在这儿再次指出这一简略现实,是想強调,正由于两者是彻底独立的,所以其间任何一个对撞机不会变成缔造另一个对撞机的先决条件。咱们彻底能够也是应当对这两个超级对撞机分开来评论。它们仅有的有关性,依照如今高能物理研讨所的设想,是也许会放在同一个地下地道内, 在缔造SPPC时保存CEPC。

    同样地, 恰是由于这是两个彻底不一样的粒子对撞机,清楚明了,它们的各个方面,包含所对撞的粒子品种和要到达的能量,缔造所需求的设备和所用的加快器技能,也许面对的危险以及最为咱们重视的工程造价,是彻底不一样的,在许多方面有着无穷的不一样。所以,咱们对于其间的一个对撞机的缔造与否作讨论时,应当只思考这个对撞机的有关技能应战和预估的造价,不然不免犯破绽百出的过错。很惋惜,这个过错却是时常在发作。比方,常常是用超级质子-质子对撞机(SPPC)较高的造价和相对高的技能危险乃至尚存争议的科学方针来证明环型正负对撞机CEPC的可行性, 就不免差以千里了。

  依照高能物理研讨所CEPC-SPPC物理方案组的方案,环型正负电子对撞机(CEPC)其时的科学方针是建变成一个希格斯工厂(Higgs Factory),它所需求的技能己相对老练,所需的造价尽管也很浩大可是根本可预期及可操控。笔者自己根本认同这个估量的合理性。至于超级质子-质子对撞机SPPC,其作为能量前沿和发现型的对撞机,在高能物理研讨所超长时刻的远景方案中占有极端首要的一席之地。因而,王贻芳所长反复强调将来缔造超级质子-质子对撞机SPPC的先决条件是有清晰的科学方针,且技能彻底老练,造价可控及合理。

   通常来说,像环型正负电子对撞机CEPC这么的大型加快器项目,从酝酿、提出、到方案和缔造,到终究运转完毕,不会短于25年。这需求整整一代人的尽力,因而超级质子-质子对撞机SPPC将变成下一代高能物理学家和加快器专家的作业和应战。依据此,以下笔者将首要对于环型正负电子对撞机CEPC打开评论。


2.与SPPC的兼容

  有读者会问:已然超级质子-质子对撞机SPPC仅仅个超长时刻的远景方案,那为何如今要提出来,乃至还要做概念性方案?这个疑问问得十分好。为了确保咱们为CEPC开挖出来的近百公里超长地下地道也能够安放将来有也许缔造的SPPC这个超级对撞机,CEPC-SPPC方案团队正在致力于处理这么一个环型正负电子对撞机CEPC与将来的超级质子-质子对撞机SPPC的兼容疑问。

    通常来说,如今大型加快器项目都是耗资无穷,而其间的根底工程缔造(比方地下地道、供电、低温等等)、试验室条件(公共根底设施、大型计算中心等)和杂乱的前级加快器体系(比方写入器Injector和增能器Booster)在工程总造价中占有适当高的比重,动辄数亿美元或数十亿人民币,因而在久远的方案中,怎么有效地延用这些根底设施和条件是每一个方案团队有必要细心思考的。他们不只要思考其时的大科学设备方针,也要思考将来也许的设备晋级(以到达更高的粒子能量或对撞亮度),有时乃至还要思考后续的新科学设备,即在原有的根底设施上缔造新的科学设备。这些思考在一个新项意图前期格外首要,由于一旦方案断定,后边再作大的修正就会面对很大的艰难。

  对大科学设备的久远统筹方案是如今的国际惯例,核算是不是合理通常决议一个大项意图胜败。统筹妥当方案奇妙,可达事半功倍之效。近来的一个成功比方是笔者自己地点的美国国家试验室对一台造价6亿美元(1992年报价)的60亿电子伏特超导电子直线加快器进行能量翻倍晋级。恰是25年前它的方案团队登高望远,在地下地道内预留了一有些空间,如今能量晋级只需设备有些新的设备即可运转,无需开挖新地道并保存了许多原有设备,这么不光节约了许多经费,也大大缩短了工期。相似的成功事例还有许多。

  处理环型正负电子对撞机CEPC与超级质子-质子对撞机SppC的兼容性疑问绝非垂手可得之事。这是由于咱们无法对25年后的高能物理与加快器技能进行精确猜测,只能依据前史及其时的研讨趋势揣度四分之一个世纪今后高能物理会打开到何种程度,咱们会对哪些疑问最感兴趣,一同也对关键性的加快器技能(比方超高场強的超导磁铁)的打开节点进行合理预判等等。由此,咱们能够描绘出将来的质子-质子对撞机的容貌。接下来, SPPC方案团队要做出一个深化的概念性方案,对远期方针进行全方位的量化,比方地下地道的长宽高,弧区段的半径,直线段(安放探测器和机器维护体系)的长度,以及电子真空管道在质子对撞机的探测器周围的绕行通道(Bypass)等许多方面都要进行量化请求,并反馈给CEPC方案团队,这么两个方案就能够一致起来,避免发作比方SPPC对撞区直线段差错哪怕一点点的过错而形成方案失利的作业。

图2. 超级粒子对撞机CEPC-SPPC的主环地道横剖面图.左面是的SPPC的双超导质子对撞环。边下面是CEPC的主环,它的上面是CEPC的增能器。

    言而总之,思考超级质子-质子对撞机SPPC并做好一个概念性方案表现了高能物理研讨所的超级对撞机方案团队的久远思考。现实上,在思考今后的高能物理学打开方向上, SPPC仅仅一个也许选项(但也许是最首要的一个)。该团队还思考了其它能量前沿型的对撞机选项,包含电子-质子对撞机(Election-Proton Collider)或电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider),以及使用CEPC原有设备打开别的具有广泛应用的大科学设备,比方硬x射线自由电子激光、高能同步辐射光源等。这些思考及开端的概念性方案,都包含在CEPC-SPPC的《开端概念方案陈述》中。


3.CEPC的危险

  能够必定地说,任何大科学工程都有危险,格外是对走在最前沿的和从来没有缔造过的工程而言。在不一样品种的危险中,咱们最重视的是所谓”悉数失利”型的危险。这是笔者对英语“Show-stopper"的一个大略的翻译。望文生义,假如某种危险无法消除(如某个关键技能难题无法在缔造或运转前处理),终究将会致使悉数设备无法运转或无法完结原定的科学方针。

    在加快器打开前史上,这类“悉数失利”型危险形成难以拯救的效果确有发作。例如,上世纪七十年代美国能源部部属的的布鲁克海文国家试验室(Brookhaven National Lab)从前开工兴修一个质子-质子对撞机,代号ISABELLE。3.8公里长的地下地道都挖好了,可是所需的超导磁铁技能遇到了难以战胜的艰难,即磁铁的磁场强度无法到达方案请求,而此刻地道已不能再重挖一个。由于无法到达物理上需求的粒子能量,终究只好抛弃悉数项目,前期的资金投入打了水漂。

  因而,对一个加快器的方案团队来说,找到各种大大小小的危险,并剖析这些危险以断定其间是不是存在”悉数失利” 型的危险是最首要的作业之一。一旦坚信有这类危险,就有必要经过调整方案方案和強力推动技能预研(R&D)来消除这些危险。一个方案团队格外是它的领导,对还没有消除”悉数失利型”的危险这一现实会十分忧虑乃至寝食难安,由于他们绝不期望项目彻底失利,几年的尽力付之东流。

在加快器打开前史上,这类“悉数失利”型危险形成难以拯救的效果确有发作。例如,上世纪七十年代美国能源部部属的的布鲁克海文国家试验室(Brookhaven National Lab)从前开工兴修一个质子-质子对撞机,代号ISABELLE。3.8公里长的地下地道都挖好了,可是所需的超导磁铁技能遇到了难以战胜的艰难,即磁铁的磁场强度无法到达方案请求,而此刻地道已不能再重挖一个。由于无法到达物理上需求的粒子能量,终究只好抛弃悉数项目,前期的资金投入打了水漂。

  

图3. 高能物理研讨所成功缔造并运转了北京正负电子对撞机BEPC并对它进行了严重晋级改造

     回到我国环型正负电子对撞机CEPC,笔者以为它不存在这类”彻底失利”(Show-Stopper)型的危险。笔者触摸的国际加快器专家(leading accelerator scientists)同行们亦都持有一样的观念。这个危险评价结论首要依据下列现实:

  (1) 环型类的正负电子对撞机的有关技能己适当老练。近六十年在欧洲、美国、日本、前苏联/俄罗斯和我国共缔造了大大小小数十台,都是成功的。

  (2) 高能物理研讨所成功缔造并运转了北京正负电子对撞机BEPC并对它进行了严重晋级改造。经过八年的尽力,晋级后的BEPCII对撞亮度前进了100倍,发明了该能区对撞亮度的国际纪录,加快器的许多部件方针已到达国际领先水平。从内部构造看,如今提议缔造的环型正负对撞机CEPC能够看作是BEPC扩大60多倍,二者的主体构造简直一样,所用的也大有些是传统的加快器技能,包含电子型贮存环和常温磁铁。

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图4. 北京正负电子对撞机BEPC主环地道


(3) 超高能量的大型正负电子对撞机(Large Electron-Position Collider, 简称LEP)早于上世纪九十年代在欧洲核子研讨中心(CERN)成功地缔造过并运转至2000年。我国的环型正负电子对撞机CEPC比LEP的能量高15%,地下地道长2到4倍,对撞亮度高约2000倍,技能上有许多相似之处。而高亮度对撞机的方案与缔造(包含许多极高方针的部件)恰是高能物理研讨所的长项。


4.CEPC的应战

  尽管没有”彻底失利”型的危险,环型正负电子对撞机CEPC仍是会面对别的方面的应战,通常以为其间最大的两个是对撞亮度和超高功率的应战。

  CEPC最首要的一个方案方针是超高的对撞亮度(Luminosity),大概是上一个大型正负电子对撞机LEP的对撞亮度的2000倍,整整三个数量级的跃升。一方面是由于高能物理学的飞速打开对新一代粒子对撞机提出了更高的请求,这么的对撞亮度能够在10年左右的时刻经过磕碰生产出一百万个希格斯粒子供精确丈量,另一方面也表现了CEPC方案团队的大志,勇于站到科学和技能打开的前沿。


图5. 欧洲核子研讨中心的大型正负电子对撞机LEP的示意图


   为了到达这一超高的方案方针,CEPC方案团队要在曩昔的大型正负电子对撞机LEP根底上做大方案的改善和优化以挖掘出最大的潜力,比方在对撞环内贮存更多的粒子束团,在每个束团内贮存更多的电子或正电子,到达更小的束团发射度和选用十分好的光学聚团体系,等等。除此之外,还要千万百计地操控造价,如此更增加了方案难度。所幸的是这些改善的方案在别的环型正负电子对撞机上别离完结了。当然,把这些改善组合起来放在同一个对撞机上必定有其不断定性,需求再做优化和预研(R&D)。如今日本正在缔造和试运转一台中等能量的正负电子对撞机(Super-KEKB),所选用的优化方案与CEPC的优化方案相似,而其方案对撞亮度比CEPC还要高大概50倍。他们的经历对CEPC极具参阅价值, 也因而大大地下降了CEPC的危险。

    另一方面,由于超高的粒子能量与不低的束流强度,贮存在CEPC对撞环里的正负电子束流会发射出极強的同步辐射光,到达100兆瓦的超高功率,这么就需求许多超大功率源协作超导高频加快腔䃼充电子和正电子因同步辐射丢失的能量。尽管这些技能己老练,但所需硬件的造价极端贵重。怎么下降同步辐射形成的疑问,前进超导高频腔的方针、功率和成品率,前进微波功率源的电变换功率构成了环型正负电子对撞机CEPC的第二个的应战,需求经过改善方案和大方案的预研(R&D),并藉由产学研协作打开新的技能,来应对这个应战。


5.CEPC造价预估

  提议中的环型正负电子对撞机CEPC的预期造价很高,达数百亿元人民币,是如今我国已建或在建的大科学设备造价的十倍以上。群众天然地关怀这个预估的工程核算是不是牢靠,忧虑会不会在项目后期失控,形成工程经费成倍的增加,乃至变成一个无底洞。这么的忧虑是能够了解的。为了消除群众的顾忌和忧虑,无妨先了解一下咱们是怎么对CEPC这么一个大科学设备的造价作预估的。

  首要方案团队会对CEPC做一个慨念性方案,树立一个方案基线(Baseline Design), 断定能够完结一切预订的科学方针如能量、对撞亮度、探测器个数等等。这些科学方针归纳了高能物理学界——CEPC对撞机的将来用户(User Community)——的团体定见,一同项目辅导委员会也会下达一个对CEPC造价上限的辅导性定见。

   有了这一个方案基线,团队就能够对CEPC的造价作个预估。榜首种方法是自上而下(Top-down)。简略地说,咱们把CEPC分红几大有些, 对每一有些别离作预估。举例来说,CEPC需求一个60亿电子伏特的常温电子直线加快器作为对撞机的写入器,已知在某个国家的某个大设备中缔造过同类型的加快器,尽管能量只要30亿电子伏特,咱们信任,按份额计算(Scaling),60亿电子伏特加快器的造价比30亿电子伏特加快器的造价贵一倍是有案可稽的。咱们对别的的几大有些也做相似的估量,终究把这些数字加起来,就能得出CEPC项目总价的一个粗估效果。而这个估量是依据已有的效果和经历, 因而具有适当的牢靠性和可行性。假如这个预估超出即定的造价方针太多,那就得从头对方案基线作严重修正,以紧缩造价,使其低于既定方针。

  当然实践操作要远比上面描绘的要具体而审慎。比方那台30亿伏特的直线加快器是八年前缔造的,思考到这八年的通货臌胀,咱们需求在原评价根底上乘以一个1.37的因子(按4%的年通货臌胀率估量)。假使那个直线加快器的某一类部件由于技能前进而致使本钱有明显下降,咱们也依此对直线加快器造价打个扣头。如此加加减减,咱们就得到一个改善后的CEPC其时造价预估。终究, 对于将来工程上的不断定性再计入一个不行预见因子(Contingency,通常约10%), 对上面算出来的总价再加上这个百分比。这么得出的造价预估已适当牢靠,尽管差错(Error Bar,通常在20-30%左右)仍是不能疏忽的。

    方案团队还能够选用另一种方法对CEPC的造价作由下而上(Bottom-up)的预估。咱们树立一个无穷的表格(Work Breakdown Structure, 英文缩写WBS),把一切的部件依照对撞机的构造分门别类地列在表中,包含每样部件的技能参数和所需的数目。这个WBS分类能够说是事无巨细,大到数米长的弯转磁铁小到支撑这些磁铁的铁支架,都包含在内。今后,咱们对WBS表中的每个部件作报价预估,或釆用一样的按份额外推(Scaling)的方法,或直接问询供货商。终究把一切的数据加起来得到一个总价。这么估量出来的造价,天然比榜首种自上而下的方法精确得多,差错区间也会小得多。

  能够了解,自下而上的造价预估十分地耗时吃力,需求方案团队的悉数人员(加快器科学家和工程师)参加,还需求归纳别的技能人员和工程办理人员的定见。跟着CEPC方案的进一步的深化和细化,更多的体系细节被断定下来,因而每隔一段时刻,就要从头做一次自下而上的造价预估,这不只使评价更精确,也是把差错规模逐步地减小。


图6. CEPC的Work Breakdown Structure的示意图


    笔者在这儿再简略介绍一下上文说到的一个概念——不行预见因子(Contingency)。它并非对于方案中的遗失有些,而是工程上的不行控要素。举个比方,缔造CEPC需求许多的铜材,而原资料报价在国际商场上是有动摇的,有也许发作若干年后CEPC缔造时铜材的釆购报价比方今的预估高许多,咱们就用这个不行预见因子来把这个危险计入进预估中。别的一种也许的状况是商品供货商的提价。比方,对某一个对撞机部件,在作预估时所咨询的供货商后来退出了这一商场,而在对撞机缔造时咱们从头找到的另一家供货商报价高了50%。咱们也靠这个不行预见因子来吸收这有些的造价改变。具体操作上, 在釆用自上而下方法时,咱们在总价上加个这个百分比,约10%(我国)到35%(美国)。在釆用自下而上方法时,咱们依据不一样的状况对WBS表格的每一项加上不一样的百分比,有些项的不行预见因子乃至能够是百分之一百。

  实践上,方案团队为了确保预估的精确性,尽量下降差错规模,所做的尽力远比上面描绘的多得多。例如,为了减小根底工程的造价差错,方案团队会专门请工程公司事前钻井以对地下地道做地质查询。

言而总之,现代大科学设备的造价预估己打开出一整套完善并卓有成效的方法, 并且尽也许地把各种不断定的要素思考进入。依照这个方法运作,对环型正负电子对撞机CEPC这么技能老练的加快器项意图造价预估会到达很高的牢靠性,不会发作造价失控、核算成倍增加的过错。

    言而总之,现代大科学设备的造价预估己打开出一整套完善并卓有成效的方法, 并且尽也许地把各种不断定的要素思考进入。依照这个方法运作,对环型正负电子对撞机CEPC这么技能老练的加快器项意图造价预估会到达很高的牢靠性,不会发作造价失控、核算成倍增加的过错。

  咱们还依托一个健全的准则来确保大科学设备造价预估的精确和牢靠。一个卓有成效的方法是约请国表里有经历的专家来对造价预估进行专门评定(Cost Review)。这些专家通常不会验查悉数的具体数据,而是看方案团队是不是采纳精确牢靠的预估方法,是不是有大的遗失,是不是思考到一切的不断定要素并选择合理的应变因子等等。他们也会问询单个他们熟知的关键设备评价,以感受及判别全体的牢靠性。专家们通常都具有十分高的学术声望并十分爱惜之,因而不大也许遭到非学术或专业外的影响。


6.方案优化与下降造价

  一个有关的疑问是怎么看待环型正负电子对撞机CEPC的造价预估。笔者的了解是它只为咱们供给了一个对实践造价的参阅,并非是原封不动的一锤子买卖。曩昔的经历通知咱们,比方CEPC这么的大型科学设备,必定有十分长的方案周期,中心必定会进行各种修正和优化,这都会对造价有较大的影响。我了解CEPC如今尚处在项意图开端期间,如今的造价预估只会作为一个对后续的方案和技能预研(R&D)的参阅。

  曩昔的经历还通知咱们,一个合理的比较低的造价将会是大科学设备项目得到政府支撑和赞同的先决条件,这在任何一个国家都是一样的。因而,咱们能够预期CEPC的方案团队必定会在下降造价上下大功夫,而终究的CEPC造价也许比方今的预估低许多。

      下降CEPC造价的动力能够来自外部。比方政府主管部门自动下达对于项目造价的辅导性定见,请求总造价不能超过多少亿,乃至直接指示在如今CEPC预估造价的根底上折半。这表现了国家对大科学设备项目以及对根底研讨投入的全盘思考,也表现了国家经过经费对大科学设备项意图强力领导。在这么的辅导定见下,CEPC方案团队必定会在现有的基线方案(Baseline Design)上做严重修正乃至推倒重来。必要时,项目辅导委员会及用户一同体(User Community)也会对科学方针和预期产出做出必要的调整,然后一同完结政府给定的造价方针。

  一个近来的比方是美国密歇根州立大学正在缔造的首要用于研讨原子核构造和天体核物理的设备——稀有同位素束流加快设备(Facility for Rare Isotope Beams, 英文缩写FRIB)。在这个项意图前期,预估的造价是13亿美元。后来美国能源部请求造价折半。在原子核科学家与加快器专家的通力协作下,对于原方案做了严重修正,并对科学方针和预期产出做了必要的调整,终究根本到达了能源部的请求。项目终究的造价定位在7亿多美元(其间还包含了延期开工致使的因通货膨胀形成的造价上涨)。

    从CEPC方案团队内部来看,他们也会经过方案优化、选用新方法和新技能来下降造价。一些多见的手法是简化方案以省掉掉非必需的设备、使用已有的或已退役的科学设备和设备、加大技能开发的力度以及分期间完结科学方针(Staging)等。

  在近来一次拜访高能物理研讨所时,笔者欢喜地了解到, CEPC团队正在思考选用一个国际上新打开的束团对撞方法, 即蟹行穿越型(Crab Crossing)的非仇人磕碰。这个方案,一旦经证明可行,将前进对撞亮度1.5倍。这供给了下降造价的一个绝佳路径,即咱们能够仅用原方案的正负电子流強的2/3就能够到达对撞亮度方针。这一电流流強的下调,将削减33%的同步辐射功率,而由此削减的功率源设备能够节约三四十亿元人民币的经费。如今,这个方案优化方案还在验证期间,咱们预祝他们成功。

    言而总之,如今议论的环型正负电子对撞机CEPC的造价只能是一个参阅。咱们信任,经过CEPC团队的尽力和充沛而细心的预研(R&D),终究的CEPC造价必定会大幅下降。咱们应当有耐性, 给CEPC团队满足的时刻和方案经费支撑,到达这��方针。

  

7.SPPC的造价可预估吗

    笔者自己觉得在现期间对超级质子-质子对撞机SPPC的造价预估不行行。这首要是由于它的一些关键技能和部件没有研制出来。理论上,咱们不能对一个还没方法制作的东西预估它的制形本钱,这个应当不难了解。即便运用从现有商品按份额外推(Scaling)的方法,也是很不牢靠的。比方,大型強子对撞机LHC选用的超导磁铁磁场强度是8.3特斯拉,SPPC的方案请求是20个特斯拉。张三能够说两者的造价之比是2.5倍到3倍, 清楚明了这是从磁场强度之比推出来的。可是将来的超強超导磁铁需求釆用高温超导资料或铌三锡资料,如今这两种超导资料的报价都比LHC所选用的铌钛超导资料贵许多,据此李四则会说20个特斯拉的高温超导磁铁比8.3特斯拉的惯例超导磁铁贵5到7倍,这还不必定包含了二十年的巨额研制费用。由此可见,如今对超強超导磁铁的造价估量就无法做出一个结论来。而SPPC傍边,最贵的即是用海量的超強超导磁铁去填满百公里长的地下地道,因而SPPC的总造价的预估对张三和李四两自己来说能够差一到两倍,乃至更多。要命的是咱们还无法判别哪一个估量更挨近精确的答案。

   已然如此,那为何CEPC-SPPC方案团队还揭露地表明SPPC的造价大概是1000亿人民币呢?笔者的了解是这个价位是高能物理研讨所对将来SPPC造价的一个期望。是不是能完结这个造价方针,得看将来二十年超导资料的打开效果。可喜的是,高能物理研讨所已联合科学院物理研讨所、电工所、我国科大等国内超导研讨的顶尖团队及有关公司,打开这方面的调研、方案和前期研讨。期望他们能借此春风,不只处理加快器研制的需求,还能打开出我国的超导工业。笔者也期望他们能得到支撑,打开这类长达20年的长时刻研讨、开发与工业化。

 

8.团队和人才

  我国有没有满足的有经历的加快器专家和技能团队来承当方案、研制和缔造环型正负电子对撞机CEPC这么一个超大方案的对撞机?笔者自己的观念是十分正面的。下面笔者就这个疑问谈几点观念。

  首要,高能物理研讨地点曩昔的三十多年中,经过方案、缔造、运转和晋级北京正负电子对撞机BEPC,训练和培育了一个十分优异的加快器团队,在正负电子对撞机的各个方面都人才辈出。团队在BEPC缔造和运转实践中堆集的经历是极端首要的财富,并确保他们能够担当起CEPC的缔造重担。前文说到,CEPC仅仅BEPC扩大六十多倍, 二者的内部构造简直一样,因而团队在许多方面是轻车熟路的。

    其次,近来数十年我国在加快器范畴前进无穷,实践上己经迈入国际前列。有些读者对此不必定了解。一方面我国有许多的在建或方案中的大型加快器项目,包含领先同步辐射光源,散裂中子源,重离子加快设备和软x-射线自由电子激光器等,都处于国际最前沿的方位。而加快器驱动次临界体系(Accelerator-driven Sub-critical System, 英文缩写ADS)的加快器更是处于国际领先的方位。另一方面,我国的加快器科学家在国际会议上做约请陈述和在囯表里科学期刊和会议文集上宣布的论文也是不断增加。我国在加快器范畴全方位的前进构成了一个坚实深沉的技能根底,对CEPC的缔造适当有利。

  再其次,能够预见,由于CEPC的超大方案,它必定会需求比缔造和运转BEPC多得多的各种物理和工程技能方面的人才。我国具有十分超卓的理工科教育体系,具有足够的人才资本和智力储藏,这是我国的一大优势。跟着项意图逐步打开,必定会招引不断增加的年青人参加进来。

   笔者注意到,我国的高端加快器人才的产出率适当高,每年稀有十位新博士从我国科学院3个首要加快器研讨所和几所闻名高校里涌出,他们的水准遍及都比较高,在任何一个欧美首要加快器试验室里都属上乘,笔者自己对此有十分深入的形象和直接的经历。别的我国的硏究组织也越来越敞开,人员活动和学术交流趋于常态化和准则化。这些都是十分有利的要素。

  大科学工程和技能团队,两者有着鸡生蛋蛋生鸡的联系。这比方学骑车就有必要有一辆自行车。一个国际最大的科学工程,必定需求一个国际一流的技能团队,而项目又必定会培育和训练出这么一支部队。在这一良性循环中,有潜力的年青人在推动环型正负电子对撞机CEPC项意图过程中生长为技能专家或领军人物是必定的效果。

  

9.国际人才与科技强国

   我想咱们都会赞同,在缔造CEPC这么的超级大科学设备的过程中,招引外囯专家和外国有潜力的年青人参加是必不行少的。笔者能了解有些读者忧虑终究会不会都是老外在主导悉数工程。我觉得CEPC悉数都是外籍专家主导是不也许的,如前所述,我国已有十分优异的加快器专家和领军人物。另一方面,有一些外藉专家在某些范畴挑大梁不只仅也许的,并且应当鼓舞和支撑,究竟他们是为我国的大科学设备奉献才智和才干。这儿我想格外谈一谈我国要变成国际科技强国,应当有如何的胸襟。


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图7. 我国国家最高科学奖获得者谢家麟先生(左), 美国物理学会的威尔逊奖获得者邓昌黎先生(右)


   前史上,许多我国科学家长辈由于尽人皆知的要素,都是在我国以外的当地开端了他们的科学生计并发明了工作的光辉。仅以加快器范畴为例,国家最高科学奖获得者,北京正负电子对撞机BEPC工程领导人谢家麟老先生一九四零年代在美国掌管缔造了国际上榜首台医用加快器,创始了一个新的应用范畴。邓昌黎老先生在一九六零年代作为加快器团队的领导人与美国闻名物理学家罗伯特·威尔逊一同创办了闻名的费米加快器国家试验室(Fermi National Accelerator Laboratory)并荣获美国物理学会的威尔逊奖。赵午先生在一九八零年代至九零年代曾掌管领导其时全国际最大的美国超导超级对撞机(Superconducting Super Collider, 英文缩写SSC)的物理方案。翁武忠先生曾领导美国布鲁克海文国家试验室的交变聚集同步加快(Alternating Gradient Synchrotron, 英文缩写AGS)增强器(Booster)工程的缔造;他亦曾任美国五大试验室联合缔造的散裂中子源工程(Spallation Neutron Source, 英文缩写SNS)的高档项目担任人,并曾担任美国物理学会加快器分会的主席。即便笔者这一代,也有密歇根州立大学的韦杰教授(清华大学1983年毕业生)正领导前文己说到的美国稀有同位素束流设备FRIB加快器的缔造。他们和别的移民科学家的奉献让美国的科学变得更领先。

    今日我国正从科学大国向科学強国跨进,追逐国际榜首科学强国美国。我国怎能不拿出美国一样的胸襟,打开双臂期待国际各国的优异人才在我国的土地上为我国的科学工作表现聪明才智并发明工作的光辉?

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10. 展望:pre-CDR到CDR再到TDR

  如上所述,一个大型的科学设备的方案、研制和缔造通常需求数十年的时刻。我国的项目相对来说遍及快一些,但这个环型正负电子对撞机CEPC也得需求十到十五年时刻,其间的方案和关键技能预研不少于五到七年。尽管各个国家的项目办理不彻底一样,可是在对撞机方案期间,通常有三个期间,开端概念方案(Pre-conceptual Design),概念方案(Conceptual Design)和技能方案(Technical Design)。跟着方案作业和关键技能预研的推动,方案基线不断地被优化,一个个技能难题被霸占,机器的牢靠性(Reliability)和可运转性(Operability)不断地前进。技能方案的完结标志着一切的技能不断定性和危险要素被战胜,一切的方案缝隙被补上,造价彻底断定,根本上不该当有大的讹夺。

    我国环型正负电子对撞机CEPC的开端概念方案业己完结,正在向概念方案跨进。据笔者了解,CEPC团队期望在将来的两年内完结概念方案,然后再花更多一些时刻完结具体的技能方案。笔者以为这个时刻表略显急迫了一点,但也是可行的。

  传统上,每一期间的方案完结后,团队都会提交一个方案陈述。CEPC的下一个陈述就是概念方案陈述(Conceptual Design Report, 英文缩写CDR)。有时候,方案团队还会编撰中心陈述以及时总结方案发展,比方CEPC团队方案于明年中之前完结一个概念方案发展陈述。这些陈述会越来越具体,因而也越来越厚。笔者猜测终究的CEPC技能方案陈述(Technical Design Report,英文缩写TDR)将达一尺之厚(多卷),里边装载着有悉数方案团队和国表里协作者近十年的汗水和效果。仅此一成果,就值得团队和国人为之骄傲和骄傲。

  在将来几年中,科学界及社会群众持续重视我国是不是兴修超级对撞机是能够必定的。但笔者期望不论终究的决议是什么,现期间我国政府都应当鼓舞CEPC-SPPC方案团队持续打开对环型正负电子对撞机CEPC的方案作业和技能预研,并供给足够的预研经费和支撑,以获取更悉数和更精确的技能信息为将来的决议作参阅。



图8. CEPC-SPPC的也许选址(秦皇岛)。一大一小两个环对应两个不一样的方案方案,别离是50公里和100公里的地道长度。


道谢和声明

  笔者谢谢我国科学院高能物理研讨所秦庆、高杰和唐靖宇研讨员阅览这篇文章并提出宝贵定见。可是这不表明这些同行赞同这篇文章的悉数或有些观念。笔者对这篇文章中的过错担任。

  笔者谢谢我国科学院高能物理研讨所黄蔚玲博士对这篇文章作文字改正和润饰。

  笔者对他地点的美国国家试验室及它的上级部门美国能源部支撑他参加CEPC-SPPC有关的国际协作表明由衷的谢谢!可是本篇文章表达的仅是笔者自己的观念, 与上述组织无关。

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   (这篇文章转载自微信公号 融360房贷)

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(姬金海编辑《丿芭比娃娃灬家族》2020年02月23日 02:03 )

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