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陈佳洱:留英岁月

作者:陈佳洱  来源:科学中国人  发布时间:2014-12-2

导读:   陈佳洱,中国科学院院士、第三世界科学院院士、核物理学家。现任北京大学物理学教授,国家重点基础研究发展计划(973)专家顾问组副组长。曾任北京大学校长,国家自然科学基金委员会主任兼党组书记,中国科学院数学物理学部主任,北京市科协主席,中国物理学会理事长,国际纯粹与应用物理学会联合会(IUPAP)副主席,亚太物理学会联合会(AAPPS)理事长等职务。曾当选中共十五届中央候补委员和中共十六届代表大会主席团成员。荣获德意志联邦共和国总统颁发的联邦功勋十字奖章和北京大学教师蔡元培奖。他长期致力于粒子加速器的研究与教学,是低能加速器物理与技术方面的学科带头人。

   1963年新中国建国以来第一批派往西方的访问科学家共四名启程前往英国相关的大学与国家实验室。我有幸被选中前往牛津大学。与我同去的有杨士林、许孔时、许振嘉等。学成回国后,杨士林曾任浙江大学校长,许孔时曾任中科院软件所所长,许振嘉曾任国家自然科学基金委第一届信息科学部主任。
   到了伦敦中国驻英使馆报到之后,我就被送往牛津大学物理系的原子核结构研究所进行访问工作。当时在系里主持工作的是丹尼斯.威尔金森(Denys Wilkinson)教授。后来他是英国Sussex大学的校长。
   威尔金森教授对像我这样从新中国来的访问学者表示了欢迎。他了解我曾在北京大学搞过原子核射线探测器和电子感应加速器等工作后,就安排我参加由Dick. Richard Hyder 负责的静电加速器实验室工作。那时他们有一台直立式的静电加速器和他们新买来的一台EN型串级静电加速器。后者正在进行安装和调试工作。那时Hyder就让我参加这台对我来说还是十分新鲜的串级静电加速器装置的工作。这样我就一边参加加速器有关部件的安装、调试,努力完成他们给我安排的任务;一边查阅有关的文献资料,熟悉加速器各个部件的工作原理和性能。同时还在晚上独立做一些加速粒子运动的模拟计算。经过一个多月的工作后,进入束流能量分析系统的调试。经过多次试验,系统的束流输运效率总是明显低于预期。大家都为这个问题困扰着。我通过自己的分析和模拟后发现,这台加速器的双聚焦能量分析磁铁系统的结构设计上有问题。在水平方向分析系统的束流接受度与加速粒子束的发射度不匹配,导致相当一部分粒子丢失,结果束流输运效率明显下降。不过当时,我在要不要把我发现的这个问题告诉他们时,相当犹豫。一方面我怕他们误认为我这个刚进入这个领域的新手,挑剔他们的设计而不高兴;另一方面如果不把问题挑明,能量分析系统的输运效率问题又不能很好解决。正在我犹豫不决之际,威尔金森找我汇报工作进展。他直截了当的问我对输运效率不高的问题有什么看法。我就坦白的告诉他,原先的设计在束流相空间匹配上可能有问题。他听了之后不仅没有生气,反而高兴的让我就这个问题写一个正式的内部学术报告,让大家进行讨论、研究并进行改进。后来因问题搞清楚了,调试工作顺利结束,大家都很高兴。让我没有想到的是1966年初我回国时,他们还把我在英国写的第一个报告,正式印好并送了一份给我,让我留作纪念。
   1964年春,串级静电加速器安装调试工作刚结束。我就接到国内系里的来信,要我转向新型的等时性回旋加速器的研究。这是一项加速器领域的前沿研究,当时英国只有卢瑟福国家实验室在开展这方面的工作。于是,我向威尔金森教授提出请求,希望能参加卢瑟福国家实验室的扇形聚焦等时性回旋加速器的研制工作。他痛快的答应了我的要求,并转告了负责该项研究的J. D. Lawson教授。劳森很高兴的驾车到牛津来,把我接到了英国哈威尔原子能中心旁边的卢瑟福研究所。
   扇形聚焦等时性回旋加速器是当时国际加速器前沿发展研究的一个热点。但当时困扰这种新型加速器发展的一大难点是,从离子源引出的离子束几乎90%都丢失在中心区里。大量失踪的粒子究竟飘到哪里去了?两位著名的英国皇家学会会员威尔金森和劳森把这个问题交给了我。
   这个题目看似饶有趣味,但难度却很大,挑战性非常强!因为在加速器的中心区里,集聚了所有不同电荷态的各种低能离子,是加速器中空间电荷效应最严重的地方。中心区还存在着固有的非线性有害共振等,情况极为复杂,研究很难下手。我心里明白,他们把这样一个高难度难题交给我,这是对新中国青年科学家知识和能力的一个考验。我下决心一定要把这个问题解决好,为新中国争气!
   为此,我设计了一套微分探针装置,由内而外逐一地测量和分析各种离子的各个轨道,再结合理论分析和模拟计算,逐圈地对处于不同高频相位下各种离子的空间轨道及其曲率中心的分布,以及离子自由振动宏包络的振幅与频率随半径的变化等等进行研究和分析。经过半年多的日夜努力,我终于搞清楚,问题出在加速离子由离子源进入回旋加速器后头上四、五圈轨道的运动状态上。这里有两个对束流加速和输运效率影响最大的问题。一个是处在不同高频相位下的粒子束的自由振动构成的宏包络与高频加速电极孔径之间的匹配问题。第二个更严重的问题是:在射频电场与扇形聚焦磁场的交互作用下,粒子轨道中心会沿着某个方向连续地向外滑移。这就是当时在实验上尚未证实的“越隙共振”效应。如果对这种效应不加抑制就会造成离子束的大量损失!于是通过仔细研究,我首次提出了越隙共振的实验判据,并采用局域性的一次谐波来抑制这种共振。同时我通过调整离子源的方位角并采用多个束流限缝等措施优化中心区的束流匹配状况。经过一系列艰苦而细致的工作,终于使中心区束流强度提高了三倍以上甚至五倍。使加速粒子束流在中心区终端靶上的强度从2-3百微安一下子提升到1.5毫安左右,创造了当时中心区束流输运效率的世界纪录!我还将这些方法用于当时正在发展的三次谐波加速上,束流传输效率大大提高,卢瑟福研究所的同事们对此赞赏不已,他们甚至翘起大拇指,称我是“谐波加速之王”!劳森和威尔金森也对我宠爱有加,让我带着英国同事进一步深入研究。
   通过这些工作也使我进一步学到了英国同事们从事研究的文化和方式。他们总是利用每天的两次茶歇或午饭后在饭桌上空闲时间,交流工作进展,分析研究中遇到的各种物理问题。在这些过程中,他们特别重视发展新的概念或新的研究思路(Developing Idea)。对于每项研究观察到的新现象,他们总是力图首先把握问题的物理图像,然后利用数学方法加以阐述或证实。这和我在国内的先进行数学推导,再对结果给予物理解释的习惯很不相同。我逐渐体会到他们的治学方法比我过去的做法更科学。另一方面他们在十分重视发展和推敲新概念、新思路、新方法的同时,从不轻易的写文章。一个新的概念或方法总要经过反复的实验验证之后,才开始动手写成论文或内部报告,然后正式发表。他们这种对待科学的严肃、严谨的态度和精神以及科学的文化传统也使我得益匪浅。他们鄙视那些不重视发展新概念、论证新现象而整天埋头发表文章的人,把他们贬为“论文机器”(Paper Machine)!这些也对我日后的科研产生重要的影响。
   尽管因为我工作上做出了成绩,同事们对我都挺友好。但有时他们向我提的一些问题或建议,实在让我哭笑不得!例如有的说,你在这里干得不错,将来回国时要不要把这块磁铁送给你带回去,好继续进行你的动力学研究啊?有的甚至说要不要把这些调压变压器带回去啊!我对他们说,这些东西我们国内都能造。如果你们真想知道我对你们什么东西有兴趣的话,那就是研究所里刚买来的数字电压表、模拟计算机等高新技术新装备。他们就不吭声了。实际上,他们从心底里还是觉得中国科技落后,尽管他们对我不错,但多少带有一些同情弱者的心態。
   1964年10月英国掀起大选的热潮。电视里充满着竞选的新闻报道。但到了16日下班后,大家正围坐在客厅里观看电视时,突然屏幕上停止了所有的新闻报道,接着显示了一行大字“中国今天爆炸了一颗原子弹”!这个消息马上引起在场的同事们的轰动!他们纷纷来向我求证是否真实。我连夜赶回伦敦我驻英使馆询问。使馆参赞沈平同志向我确认了消息。我听到中国真的成功地爆炸了自己的第一颗原子弹,高兴得跳了起来!他还告诉我,中国政府已发表声明,中国不首先使用原子弹。第二天中午我回到研究所时,马上成了餐厅中的“大明星”。英国同事们都来和我讨论中国爆炸原子弹的事。有的称赞中国干得漂亮,也有的担心中国拥有了原子弹会不会引发第三次世界大战。我告诉他们中国政府已经发表声明中国不首先使用原子弹。对此多数同事很高兴,但也有的将信将疑。讨论中绝大多数英国同事认为中国爆炸的是钚弹。他们认为1958年中国的核反应堆和回旋加速器正式运行以来,已有六七年了。应当可以积累足够多的钚,来制造几颗原子弹。对此我也不好说什么,因为当时国家对此是高度保密的。而且我也知道我们是“两条腿”走路,不清楚最后爆炸的究竟是铀弹还是钚弹。
   过了一周左右,我们旁边的哈威尔的国家原子能中心,测得了中国原子弹爆炸后飘到英国来的尘埃。经过分析,发现中国爆炸的不是钚弹而是内爆式的铀弹!这一结果使他们大为吃惊。因为制造铀弹需从铀矿的勘查、开采、冶炼、一直到铀同位素的高度浓缩等等,解决一系列的高难度技术并需要一系列相关的高技术企业的庞大的工业体系的支撑。有了这样的工业体系支撑,我们制造核弹的能力就不是几个的问题而是数十个、上百个弹的问题。说明我们在核武器的国力上有了国际社会意想不到的发展,一步跨进了世界核大国的行列!第二天泰晤士报的头版就出现了一篇评论“黄祸—成吉思汗又回来了”!英国社会为中国核科技发展的神速而感到震惊!在这一过程中,也让我真正的体会到,只有祖国的强大才能在国际上赢得对中国人发自内心的尊敬。那时,我走在大街上都觉得我的脊梁骨挺得更硬、更直了!中国人真正能扬眉吐气地屹立于世界大国之林了!
   1966年春,我推辞了他们的挽留,回到了祖国。为了在我国建造第一台等时性回旋加速器,国家科委基础局给了我五百万元的经费的资助。当我和同事们正集中精力,为实现这一目标干得正欢的时候,文化大革命爆发了。我和许多其他知识分子一样,受尽了十年的折磨,直到1978年,我有幸参加了全国科学大会。会上,小平同志在“树雄心,立大志,向科学技术现代化进军”的大会报告中,以铿锵有力的声音,严厉驳斥了“四人帮”打击迫害知识分子、破坏我国科学技术事业的种种谬论,旗帜鲜明地指出“科学技术是生产力”这一马克思主义基本观点;重申知识分子是工人阶级的一部分,是“为社会主义服务的脑力劳动者,是劳动人民的一部分”。他的一席话不仅粉碎了“四人帮”对我国科学技术发展的种种禁锢和束缚,更摘除了“四人帮”强加于知识分子的“资产阶级”帽子,使知识分子从“臭老九”一跃而为“工人阶级的一部分”!当我们这些在文化大革命中被“四人帮”剥夺了科学研究的权利,“发配”到山沟里从事劳动改造的科技工作者在大会上亲耳听到这些话时,情不自禁的流下了热泪,感到无比的激动,深深地感受到自己获得又一次新的解放,我的学术生涯又一次得到了新生!
   科学大会后的10年中,我和同事们铆足了一股子劲,要在粒子加速器上打个翻身仗!我们设计、建造了我国第一台4.5兆电子伏静电加速器和第一台射频四极场(RFQ)重离子加速器,建立了我国第一个射频超导加速器实验室等。
   在改革开放的大环境下,1985年我重访了牛津大学。访问过程中,物理系海德(RichardHyder)教授正式提出愿意将一台正在运行的、价值约250万美金的EN型串级静电加速设备送给我。此举完全出乎我意料之外。我简直不敢相信我自己的耳朵!我问他你是在开玩笑,还是一个经过认真考虑后正式提出的建议?他告诉我,他们是认真的。之所以建议送给我是因为他们计划进行新型超导后加速器的研制。为此,他们需要腾出空间来,所以正在找一个有能力将这台性能良好的串级静电加速器继续运行下去的人,以进一步发挥这台加速器在研究和应用上的作用。由于我曾经参加这台加速器的安装、调试和改进工作,对这台加速器既有了解又有感情,所以他们选中了我。我高兴地向使馆和学校写了报告并根据学校的批示,代表北京大学与牛津大学的主管副校长签署了协议书。这台加速器于1986年运抵北京大学。我们用了近两年的时间将牛津大学送给我们的串级静电加速器在重新安装、调试的基础上,顺利地进行了升级改造。结果性能超过在牛津时的水平,成为我们承担“夏、商、周断代工程”的基本设施。
   与此同时,牛津大学的海德教授和卢瑟福研究所的劳森教授等也先后应邀访华。先是海德教授携夫人来北京大学访问。当他亲眼看到了原来的串级静电加速器在高水平地运行时,欣喜的心情溢于言表!接着劳森夫妇也访问了北大,他告诉我文革期间,他一直到处打听有关我的情况。现在终于找到了我。老朋友重聚,有说不完的话,也有说不尽的高兴!访华期间他还在我国第一次粒子加速器大会上发表了邀请报告。之后还与一机部电器研究所、上海原子核研究所等单位进行了座谈交流。他在访问结束回英之后,还把他的心爱的女儿卡特莉娜于90年代初送到北京大学来学习汉语。短短不到三年的访英工作,让我结识了不少英国加速器界的朋友,他们都在我国改革开放的大环境下先后访华,促进了中英两国加速器界的合作交流,这是当时我在留英期间所没有想到的。愿中英两国科学工作者之间的友谊源远流长!

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