【钟元元】人生中选择的启迪

2019-04-06 作者: 兴旺老虎机游戏 编辑部 来源: 中国科学院高能物理研究所

二十世纪八、九十年代,我有幸在谢家麟先生领导下经历了研制北京自由电子激光装置的艰难历程,他的谦和为人,他的渊博学识,他的事业心,他的师表风范给我留下了难以磨灭的印象。其中最令人敬佩的是他在面临重大抉择时做出的选择最后总能被事实证明是对的,

  二十世纪八、九十年代,我有幸在谢家麟先生(谢家麟与我国高能加速器)领导下经历了研制北京自由电子激光装置的艰难历程,他的谦和为人,他的渊博学识,他的事业心,他的师表风范……给我留下了难以磨灭的印象。其中最令人敬佩的是他在面临重大抉择时做出的选择最后总能被事实证明是对的,这其中有很多事很值得回味。在谢先生九十寿辰之际,我写下此文表达我的敬意。

  谢先生是我国著名的加速器物理与技术专家,中国科学院院士。1955年,他从美国回到一穷二白的祖国,从研制基本关键部件做起,带领团队奋斗八年,在相继试制成功电子枪、加速管、高功率脉冲调制器、微波系统、高真空系统和高功率脉冲速调管之后,1964年建成了我国第一台可向高能发展的S波段30MeV电子直线加速器。

  建造中国自己的高能加速器是中国几代科学家的梦想。为实现这个梦想,从20世纪50年代后期起,筹划酝酿了多个高能加速器的建造方案。经历了“七下八上”的磨难,在中央领导的支持下,建造北京正负电子对撞机的工作终于在1984年启动了。谢先生在北京正负电子对撞机的设计、预制和建造过程中,担任技术负责人和工程经理(1984-1986年)。几年后,当北京正负电子对撞机获得国家科技进步特等奖时谢先生在获奖人员名单中排名第一。

  我要谈的是1986年的事。当时,谢先生已是66岁的老人,北京正负电子对撞机如此庞大、如此复杂的工程接近收尾。按照一般人的思路,这辈子完成了这样一项重要工程,功成名就后应该颐养天年了。可谢先生的目光没有停留在此。他敏锐地注意到一个在1982年被美国列为星球大战计划首选战略武器研究范畴的“自由电子激光”项目。

  填补红外和X光两个缺少合适光源的空白,是科学界几十年来的努力目标。1977年斯坦福大学J.Madey等人首先利用射频直线加速器提供的相对论电子束通过永磁体波荡器,借助光腔的反馈,产生了3.4 微米波长红外受激辐射,并命名为自由电子激光(FEL)。当时引起了科学界很大震动,这是因为它可以在从红外到X光谱区产生相干电磁辐射,可以连续调变波长,具有巨大的峰值及平均功率的潜力,并且可以产生超短光脉冲等。世界上科技先进国家纷纷投力研究,大多数有条件的加速器实验室都相继开展了这方面的研究工作。例如美国的洛斯·阿拉莫斯实验室,劳伦斯·利弗莫尔实验室,法国的CLIO,俄罗斯的西伯利亚核物理研究所,德国的DESY,意大利的ENEA等等,仅日本一国即有十余单位投入研制。

  这个项目综合了国际最新前沿技术,既有重要的战略意义,又具有巨大的应用前景,如果我国能开展此项研究,可以起到跟踪世界战略性高科技发展,掌握最新关键技术的重要作用。但在中国当时的情况下,研制自己的自由电子激光装置难度非常大。FEL研制需要高品质电子束(高流强、高稳定性、低发射度、低能散度等)的要求远远超过一般加速器的性能指标,因此对加速器物理和技术提出了严重挑战,各国实验室在光波波段研制的FEL,只有约半数可以出光工作。谢先生很清楚做出这样的选择需要承担多大的责任合风险,如果研制的自由电子激光装置最终不能出光,很可能影响原来的“功”和“名”。但他没有迟疑,积极提出建议。经过艰苦的努力,最终国家“863计划”支持了这个项目,由谢先生领衔开始组织队伍开展北京自由电子激光装置(BFEL)的研制。

  选用什么加速器,用什么思想指导加速器改造,采取什么技术路线,这是BFEL开始筹建时遇到的核心问题。研制红外谱区FEL的各国实验室普遍使用射频电子直线加速器,它的成功率比较高。但我国基础较好的以S波段行波电子直线加速器没有一台能满足红外FEL的要求。因此必须对加速器进行全新的设计研制,提高性能指标。谢先生在对不同电荷分布的短脉冲的增益、微波电子枪注入系统、电子束团参量的演变等等问题进行了大量理论分析和计算机模拟的基础上,确定了两个基本原则:一是BFEL要采用经过考验的世界先进技术,保证装置的性能和研制成功。二是充分利用国内已有的条件,避免禁运和保密的制约。基本原则确定之后,BFEL能否成功的关键就在于对BFEL几项核心技术的研究方案做出正确的选择。

  ■ 热阴极微波电子枪注入器

  注入器是射频FEL中最关键的环节,它是研究高质量(低能散、低发射度、高束流)微电子束团的产生方法、压缩机制、和测量技术的设备。常用的方案有三种。第一种是常规电子直线加速器注入系统,即通常的高压直流枪,后接预聚束器(及次谐波发生器),但用于FEL,性能指标还要进一步提高,设备昂贵复杂,有些部件依赖进口。第二种是80年代末期出现的光阴极微波电子枪,它利用锁模激光器产生的超短光脉冲照射金属或半导体光阴极材料产生微电子束团,并在微波腔内加速,既可提供高能强流低发射度束团,又省去聚束过程,但它的工作条件十分苛刻,设备昂贵,激光器需要进口。第三种是热阴极微波电子枪,它用LAB6热阴极产生电子,在微波场作用下加速,始见1986年文献报道,国外已成功用于红外FEL。它的优点是设备较简单,发射度可与光阴极媲美,缺点是电流受阴极限制并有反轰问题。经过慎重考虑、比较,谢先生果断地选择自行研制热阴极微波电子枪。在克服了阴极材料、反轰等一系列难点后研制出了继美国之后,国际上第二个成功地应用于FEL并产生红外受激辐射的热阴极微波电子枪,性能指标达到了国际先进水平。

  ■ 宽脉冲、大功率调制器及微波源

  微波功率源是供给注入器和加速管微波功率的主要技术设备,是保证加速器产生高品质电子束的关键。它研究高压、高频宽脉冲大功率微波的产生、传输、调制和测量技术。一般由高压调制器,大功率速调管和微波传输回路组成。FEL装置对微波功率源输出的宏脉冲、脉冲的平顶波纹振幅、位相、脉间波动以及微脉冲的稳定性都有比常规加速器功率源高得多的技术要求。国外虽有产品,但过去一直受禁运的限制,而且售价数百万元,一旦使用将长期依赖进口。谢先生决定在北京正负电子对撞机使用的国产速调管及调制器的基础上自行研制,将原工作脉宽3微秒提高到8微秒。为此,研制了一套宽脉冲大功率低纹波调制器,这本身就是一项尖端技术。经过努力研制成功的脉宽为9微秒(FWHM),功率为70兆瓦,平顶纹波优于正负0.35%的调制器,工作稳定可靠,性能达到了国际水平。

微波传输系统

  微波传输系统

  ■ 波荡器

  波荡器是电子束与辐射相互作用的核心部件,一般使用永磁材料。经过反复论证,谢先生决定选择采用国内资源丰富,价格相对便宜的钕铁硼永磁材料研制平面线偏振波荡器。在几乎是空白的实验室中建立起磁单块及波荡器整体的测量装置,不断改进测量方法,提高测量精度,逐渐解决了在强磁场作用力下的精密安装和计算机模拟指导下的磁块渗合与微调,终于达到了场强峰-峰相对变化小于0.5%,电子轨迹偏移小于50微米的国际先进水平。在其场型设计、磁场测量、磁体优选、组装调整、机械设计等方面积累了丰富的经验和技术设备条件。

波荡器
波荡器

  波荡器,上:测试中;下:在现场就位

光学谐振腔

  ■ 光学谐振腔

  光学谐振腔是为波荡器的输出光辐射提供光反馈、增加电子束与电磁波在波荡器内相互作用强度的重要装置,是常规激光器和低增益FEL装置中必不可少的硬件部分。与一般激光器光腔不同,FEL光腔处于恶劣的辐射环境中,易遭受辐射损伤。用于FEL的光腔很长,要求横向准直精度高。为减少腔耗,需要把腔镜置于真空条件下进行远距离遥控轴向调整和方位监控,以实现电子束轴、波荡器轴、光腔轴的三轴共线调节,这给FEL光腔的设计和研制带来很多困难。经过严格的理论计算,谢先生决定采用腔长2.52米的准共心结构光腔,端镜在真空中采用五维三级精密遥控调节系统达到大范围高精度的调节,解决了高真空内外传递控制,使调节灵活方便。研制中妥善解决了光腔的结构、光场模式、损耗与耦合方式等物理问题,并成功地研制出用于BFEL特殊需要的光腔端镜的动态控制、位置调整、光腔准直和状态监控等硬件设备。光腔的整体性能达到了国际水平。

光束诊断的准直光

  光束诊断的准直光

谢先生在调试BFEL装置

  谢先生在调试BFEL装置

  正因为几项核心技术的研究方案做出了正确的选择,BFEL需解决的关键技术有了突破性的进展,BFEL装置事实上已经成为当时多种国际尖端科技的综合。在谢先生领导下,经过高能所、上海光机所、上海原子核所和原子能研究院等单位的百余位科研工作者近八年的努力,1993年5月26日北京自由电子激光终于实现了受激辐射,首次输出了激光,同年的12月28日BFEL实现了饱和振荡,饱和振荡功率比自发辐射功率高7~8个量级,成为亚洲地区研制的近十台红外谱区的FEL装置中第一个产生激光并实现饱和振荡的装置。使我国成为继美国及西欧之后又一个实现红外FEL饱和振荡的国家,也是继美国之后在FEL中成功采用热阴极电子枪新技术的国家。我国高技术领域这一重大突破受到国内外科技界的广泛重视,被列入了1993年的全国十大科技新闻、电子部十大科技成果和全国十大科技成果,荣获了中科院科技进步特等奖以及国家科技进步二等奖。

BFEL装置前段
BFEL装置后段

  上:BFEL装置前段;下:BFEL装置后段

BFEL的控制室

  BFEL的控制室

受激辐射讯号

  受激辐射讯号

100个宏脉冲的累积讯号

  100个宏脉冲的累积讯号

饱和振荡讯号

  饱和振荡讯号

饱和输出强度的空间分布

  饱和输出强度的空间分布

  BFEL装置是在国内工业的基础上研制成功的,总投资只是国外同类装置的十分之一。BFEL的研制达到了“跟踪”国外高技术发展的目的,达到了在FEL领域进入世界先进行列的目标。BFEL的有关工作在十五届、十六届国际FEL会议上被邀请作了大会报告。1997年8月,国际FEL组织在北京召开了十九届国际FEL会议。荷兰、美国和韩国相继与中国开展FEL合作研究项目。与此同时,它也提供了一个培养从事交叉、尖端学科研究的人员的基地,培养出一代能综合加速器、微波、磁学、激光、真空、计算机等学科和技术的科研队伍。另外,多种分系统研制成功的经验,已推广到兄弟单位,所掌握的多种高技术部件的设计、制造方法和先进的测试手段为我国高技术的发展做出了自己的贡献。

谢先生在鉴定会上报告

  谢先生在鉴定会上报告

鉴定会专家参观现场

  鉴定会专家参观现场

  为了适应世界形势的变化,1994年以后,随着863高技术对BFEL的研究目标作导向性调整。BFEL装置作为中远红外宽带连续可调的强相干光源,有着广阔的应用前景,可为多学科的研究提供无可替代的、强有力的研究工具。在原有的基础上,BFEL进行了性能的改进提高,包括提高电子束质量:进一步降低发射度、能散度,增强峰值流强,压缩束团宽度。提高装置运转和输出波长的稳定性。输出波长扩展到覆盖7~20 微米中红外波段,单脉冲能量达1.5 毫焦(金属腔镜)至15毫焦(介质膜腔镜)。在此基础上,BFEL在材料科学、生命科学、生物物理等方面开展了多项探索性应用研究。同时,BFEL正在开展利用装置注入器提供的皮秒束团产生亚毫米波-毫米波宽带连续的相干同步辐射、相干渡越辐射,利用该皮秒束团与强激光相互作用发生康普顿背散射以产生硬X-射线,以及研究利用微束团产生的相干辐射诊断微束团长度技术的研究。

  BFEL的研制成功已是10多年前的辉煌了,现在回顾这个艰难的历程仍令人十分感慨。项目刚立项时,大部分人对在基础如此差、经费如此少、又没有任何经验的情况下能否完成任务表示怀疑。研制过程中遇到很多棘手的问题,包括加速器的稳定性不够、束流品质欠佳、波荡器的钕铁棚永磁材料在辐照下性能不稳等等。当研制陷入困境时曾经有人打过退堂鼓,也有人向“863计划”专题负责人投诉,认为谢先生的技术路线选择错误……但谢先生带领大家坚持下来了,依靠整个团队的协作,一个个难题逐步得到解决,BFEL终于进入整体调光阶段。我还清楚地记得,在最后的调光阶段遇到了极大的困难,一连多日始终看不到受激辐射的讯号,以致有很多人担心BFEL成为世界上那调不出光的装置之一了。经历了无数个不眠之夜,攻克了无数个难题之后,终于迎来了实现“受激辐射”以及“饱和振荡”的激动时刻。BFEL为祖国争得了荣誉,为国家科技发展做出了贡献,百余位科研工作者近八年的心血没有白费,谢先生的科学决策功不可没。在BFEL荣获中科院特等奖、国家科技进步二等奖之时,谢先生在获奖人员名单中依然无可争议地排名第一。

  每个人都在不断的选择中决定自己的一生,而像谢先生这样,在面临重大抉择时都能果断做出正确选择的人并不多。谢先生的选择并非靠运气,而是显示出他极深厚的科研功底、极富哲理的思维和工作方法。每个方案的选择都倾注了他的大量心血,每项选择都要经历确定宏观原则、严格理论计算、缜密分析思考以及细致的实验验证几个步骤。他提出的搞科研就要“安”、“钻”、“迷”,他崇尚的“细节决定成败”以及他的“逐步近似,由粗而精”工作方法……都使我受益匪浅,至今记忆犹新。年轻一代的科研工作者虽然没有机会经历那样一段历史,但在自己的成长过程中同样会面临各种抉择的考验,希望能从此文中得到一些启迪。如果能静下心来细细品读谢先生写的“没有终点的旅程”,一定能有更多的感悟。

  (钟元元,2010年7月26日)

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