中子监测器饮用水舱凯时网站首页自扩散双极型集成电路去年,西藏羊八井中意合作ARGO地毯式阵列一期工程建成投入观测,并幸运地观测到活动星系核Mrk421的一次射线短期爆发,象征着建立我国地面宇宙线实验基础的工作已基本完成,精细EAS实验的时代已经到来。1981年开始策划的“西藏计划”是我国自然科学基金最早和最久的受益者之一,折射着改革开放、中华崛起的巨变。总结羊八井在科学基金支持下开展国际合作的具体实践,对于丰富国际合作的普遍经验和把握羊八井的将来发展,都有着积极的意义。
作者:谭有恒 来源:科学时报 发布时间:2007-9-9 23:5:29
在西北90公里,青藏公路和青藏铁路旁边,有一个念青唐古拉山护卫下的海拔4300米的山间盆地,这就是驰名中外的羊八井。它的驰名不仅因为它是我国最大的地热能源基地,还因为它是北半球最高、最活跃的宇宙线观测基地。
羊八井观测站从无到有、从小到大,牵动着一段20多年的科学创业史,见证了中华崛起、西藏繁荣的巨变过程。羊八井实验(早期称为“西藏计划”)之所以能从无到有,从立足西藏并赢得今日的辉煌,国家自然科学基金功不可没。
上个世纪50年代,在老一代科学家王淦昌、张文裕和肖健先生带领下,我国的宇宙线米的云南落雪山实验室为基地,以多板云室和小磁云室为手段,在“奇异粒子”和10GeV(即10亿电子伏特)能区高能核作用研究上取得过辉煌的成就。20世纪60年代云南站大云雾室组建成,不幸遭遇“文革”蹉跎;到了70年代后期,手工操作、效率低下的云雾室,已很难在加速器突飞猛进的情况下在Sub-TeV (即万亿电子伏特)能区的粒子物理研究中找到自己的位置和适应现代的竞争。面临国门的开放,我国的宇宙线研究之路该怎么走,是当时中国的宇宙线研究者必须面对的问题。
其实,宇宙线这种来自天外的高能粒子流,同时具有宇观、微观和环境三大属性。因此,跃进到100TeV以上(超高能)去探索粒子物理中的新现象和在甚高能区着重开发宇宙线年代末的大思考中,我们得出的朴素结论。
考虑到当时我国有限的国力和技术条件,在宇宙线观测的空间、地面和地下(或水下)这3种方式中,我国的优势只存在于地面。而在地面观测中,高山乳胶室虽正在势头,但其被动式的性质、手工化的处理、有限的面积和事例统计量不足等弱点,在自动化大生产的现代实验面前已难看到光明前景。而其天然的偏重于记录质子事例的选择特性,又使之失去了用于宇宙线天文观测的价值。这种认识使我们的目光自然地落到了广延大气簇射(EAS)头上。由于EAS 会在大气中发生、发展和衰亡,如果在海拔4000米以上的高山去观测它,就有着能看到众多的小簇射(以降低探测阈能作天文观测)和在超高能EAS发展到极大时实施观测(因而可作最精确的测量以研究其成分、能谱、起源和宇宙线粒子物理)等优势。恰巧我国西藏高原就占有这种高山地利,于是就有了“西藏计划”的构想。
可是,在云南站刚被撤销不久就筹划西藏站,无论观念上还是经费上都是一个难题。幸好,1982年中国科学院成立了基金局(即国家自然科学基金委的前身),在张文裕和肖健先生的推荐下,当年我们即分阶段在北京和西藏实施“EAS纵向发展的统一观测”为题申请“院内科学基金”。该申请虽然因课题大、时间长而被搁置,但自此我们就与科学基金结下了不解之缘。
1985年,怀柔阵列建造启动不久,我们终于以“EAS超高能现象及超高能宇宙线万元院内基金的资助,从而使“西藏计划”的准备阶段“怀柔EAS阵列”的建造得以展开。利用这些资助,我们自力更生地建成了我国第一个真正意义上的EAS观测阵列,开展了EAS现象学的研究,完成了“西藏计划”的技术、人才和方案准备,还实施了1984和1988年的羊八井选址考察,组织了1986年的北京西藏计划国际研讨会,基本完成了“西藏计划”的前期准备工作,为1990年元月羊八井宇宙线观测站的出世奠定了基础。可以说,如果当时没有这种可以自由申请的科学基金存在,很难说今天有没有羊八井宇宙线观测站这个名词及其实体。
1991年6月初,国家自然科学基金委员会王鼎盛、唐林、王得瑞专程到羊八井视察。两位数理学部工作人员与一位经济专家的亲临现场,使他们对本项目的科学价值和实际需求有了较深入的了解,从而使该项目获得了“七五”全国重点项目“超高能宇宙线月,基金委数理学部主任白以龙、物理二处处长方勤学到出席了宇宙线物理国际研讨会并视察羊八井观测站。1997年我们又获得了“八五”重点项目支持(“10TeV ?酌射线源及超高能宇宙线研究”)。在这期间,基金的经常性支持和其他渠道的筹资,带动了日方的投入,我们因此得以实现AS?酌阵列的二期、三期扩建和部分加密,以及1998年太阳中子监测器和中子望远镜的引进。从而导致了在3 TeV能区对蟹状星云稳定?酌辐射和活动星系核Mrk501、Mrk421短期?酌强爆发等的成功观测。
也正因为有这些经费垫底,我们才有可能于1993年大胆提出并实施了羊八井“地毯”计划的预先研究。1997年冬天在羊八井的50平方米RPC(高阻平板粒子探测器)现场试验的成功,为中意合作ARGO实验的立项扫除了最大的技术障碍。1997年5月9日的学界评议会,1999年8月6日中科院、科技部和基金委对ARGO计划的联合预审,以及各次相关的CCAST研讨会,基金委都有局、处以上领导参加,为2000年12月6日基金委副主任王乃彦主持、有5位院士参加的正式项目评审会作好了准备。在“羊八井全覆盖式阵列及其天体粒子物理学研究”项目获资助的3400万元经费中,基金委在国际合作重大课题项目下承担了其中的890万元。自此,ARGO地毯式阵列的建设得以大规模地展开。
2001年6月,基金委副主任王杰率团出席了羊八井ARGO实验大厅落成典礼;2003年7月,基金委主任陈宜瑜与中科院院长一道视察羊八井观测站,鼓励将羊八井观测站建成多学科研究平台。2006年6月底,ARGO一期的5600平方米中心“地毯”建成投入试观测。此时,回想起这段长达20多年的历史,科学基金参与了“西藏计划”的全过程,羊八井观测站则以其成长见证了我国自然科学基金事业的发展,展示着其对科学发展的重要作用。
羊八井成功的另一大因素是成功的国际合作。我们曾在20世纪80年代以完全自力更生的方式,用(除关键的IC组件外)纯国产的器材建造了怀柔EAS阵列。这花费了我们整整6年的光阴和极大的心血,然而建成时它在技术上已落到了国际三流水平。虽然通过它全面锻炼了队伍、收获了信心,为我国宇宙线研究的转型和国际合作的开展奠定了基础,然而,下一步当我们要在、技术落后的情况下后来居上、直奔中国宇宙线发展的大目标时,就不能拘泥于原有的自力更生或事事对等的观念,而必须能动地利用国际合作,获取急需的国外资金、技术和人才,以便在最短时间内在激烈的国际竞争中一举打开局面。
科研上自发的国际合作,其成功有3个内部条件:共同的思路和目标;互需、互补的优势及领头人之间的默契和个人友谊。1990年初建成的中日合作羊八井阵列虽然只有45个探测器,凭借羊八井的高山地利却创造了国际最低的探测阈能和每秒20Hz的高EAS事例产出率(1995年提高到230Hz)。在那时的计算机行业普遍使用的磁带或光盘产品面前,这数据产量上的优势却给我们出了个大难题。好在当时日本有10GB的8mm高密磁带驱动器问世(最初属于“巴统”禁止向国家出口的高科技产品),我们得以率先采用,解决了我们以正常渠道无法解决的难题。
1989年至2001年间,中方以约570万元(其中基金委190万元)的投入引来了日方共约6亿日元(近5000万元)的物资投入。在双方的密切配合下,中日合作AS-?酌阵列经历了3个发展阶段,野外探测器数目自最初的45个发展到现在的近800个,探测器的地面覆盖率自0.3%提高到1%,共有效运行十五六年,在蟹状星云稳定?酌发射、活动星系核?酌射线爆发、宇宙线太阳阴影、超高能宇宙线能谱、银河宇宙线非各向同性和宇宙线等离子体绕银心共转等方面取得了重要成果(后者被评为中国科学院2006年度十大创新成果之一),奠定了羊八井观测站的不可替代的国际地位。早期,中方由于经费的局限,不仅没有自己的海量数据存储设备,而且用于物理分析和Monte Carlo模拟的计算机也都显得不足。在这种情况下,日方的资助使我们能每年数人次派出年轻人去东京利用对方的数据处理设备和通畅的互联网络开展工作,在一定程度上缓解了中方参与数据分析和物理工作的硬件压力,并对上述成果的取得和中方人员的成长起到了积极作用。
在中意合作羊八井ARGO实验中,意方的500万美元与我方的3400万元投入基本对等,而由他们提供全部6500平方米RPC的安排省去了我们探测器预研的时间,使项目一被批准就能即时开始大规模生产和现场安装。利用INFN-CAS人员交流渠道和意方提供的INFN博士后名额,前几年中方得以派出多批工作人员去意参与探测器、电子学、数据采集系统和数据分析软件的检验和开发,加快了将传统的多点取样式EAS阵列改变为全覆盖(探测器的地面覆盖率自约1%提高到93%)这一创新性实践的进程。
在中日合作初期,由于阵列的扩大升级主要依靠日方的经费和设备,实验原始数据的处理和存储也依靠日方,中方在方向主导、日程制定和成果发表的内部竞争上有些力不从心。随着国家的富强和现代化程度的提高,特别是“兰青拉”通讯光缆的建成和羊八井高能所之间155MB高速宽带网的开通,我们实现了ARGO原始数据的网上在线传输和ARGO地毯运行的远程监控,一个国际化、现代化的大科研格局初步形成,使得中方在此传统弱项上反而取得了相对的优势和主动。如今,在意方的推动下,中欧格点计算机网络(EU-China-Grid)业已立项和启动,羊八井实验基地的国际化、现代化将在一个更高的层次上实现新的跨越。
今天,一到羊八井就可以看到近800个闪烁探测器整齐排列的AS-?酌阵列以及内有RPC“地毯”的壮观的ARGO实验厅,还有由太阳中子监测器、中子望远镜及气象、云量、雷电自动记录仪等组成的太阳活动及地球环境监测设备,让人无不为它们的气势所感动。这种规模和气势,是国家实力和合作规模的体现。这些自动化、数字化的计数器型设备,都是风雨无阻、经年不停地持续运行的,时时刻刻在执行着它的对天观测任务。
中日合作AS-?酌阵列正被计划进行升级改造,加入地下子探测器以探寻超高能宇宙线源。新建成的中意合作ARGO“地毯”,已幸运地观测到了活动星系核Mrk421在2006年七八月间的一次?酌射线短期爆发。宇宙线环境监测方面,除了维持现有的二套中子监测设备长期稳定运行并实现与中科院空间中心和国家气象局的实时数据传送外,还正在自制一套中子-子复合望远镜,意在加强对大的太阳粒子事件中的高能粒子前锋的探测能力,以期为后续到达的密集的、最具破坏力的中能粒子流作出预警而进行前期研究。
目前,作为高原中层大气活动监测计划的一部分,中科院大气物理研究所已在站上设立了自动气象站、扫描红外成像仪、数字全天成像仪;宇宙线方面也有与之协同研究宇宙线对中低空云量的形成,乃至大EAS对雷云生成、雷暴触发的作用的建议。与国家地震局的合作也在积极筹备中,目前侧重于准备卫星上的宇宙线监测器,将来还打算与羊八井的地面观测相联合,探索空地协作捕捉大地震前兆的可能性。
“西藏计划”的20多年,正是国家改革开放经济腾飞、西藏建设日新月异的时期。如果不是羊八井北京间高速宽带网的开通,每天约400GB的海量数据传输和ARGO运行的远程监控如何实现?若不是西藏交通、能源和市政建设的长足进步,羊八井实验的维持和发展要遇到多大的困难?“兰青拉”通讯光缆和青藏铁路的建成,大大拉近了羊八井与内地的距离,使羊八井具备了能建设和运行任何大型高技术设备的能力。国家对科技投入的增加和管理者对学科发展的战略眼光,使得羊八井这样基础的、长期的事业也有了发展的空间。这些前所未有的社会大环境,构成了当前羊八井发展的“天时”。
更应感谢羊八井这片神奇的土地,它给了我们独有的“地利”。谁在地球上别的什么地方看见过海拔4000多米的地面这么平坦开阔?这样气候温和、冬无积雪?这样有庄稼、有牛羊、有人群,还有公路、铁路和高速通讯网?它是天赐的科研宝地,理想的人与宇宙对话的地方。
羊八井的成功得益于几大因素:得天独厚的地理优势,排除万难的创业精神,日新月异的西藏建设,互利互惠的国际合作。因此还要感谢羊八井的开拓者、守护者、国内外的合作伙伴以及包括基金管理者在内的所有支持过我们的人们。他们为着国家的科学发展,或不畏艰苦、甘于寂寞、立足高原、埋头苦干,或以其协助和鼓励,帮助我们抓住机遇实现了我国宇宙线研究从手工化到自动化、从“小生产”到国际化“大生产”的历史转变。祝愿新一代羊八井科研团队,继续发扬长期苦干与真诚合作的羊八井精神,在这天时地利的大好形势下,延续羊八井实验的今日辉煌,并拓展其风光无限的未来。
(谭有恒,中国科学院高能物理研究所,宇宙线和高能天体物理开放实验室研究员)
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