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【中国科学报】谢家麟院士:让粒子释放“中国能量”
发布时间:2012-02-20 来源:中国科学报 王静 【字号:  

2月14日上午10点,对于中科院院士谢家麟而言,可谓生命最灿烂光辉的时刻,北京人民大会堂为他奏响了中国的欢乐颂。在华光照射的主席台上,国家主席胡锦涛微笑着亲切地给他颁发鲜红的烫金证书——国家最高科学技术奖励证书,以表彰他为中国和世界科学作出的杰出贡献。

美国人记住的中国人

在这一刻之前,“谢家麟”对许多人来说或许还是个陌生的名字,但这个名字自2月14日这一天开始在中国家喻户晓。事实上,早在半个世纪之前,“谢家麟”就已经存于美国人的记忆中了。

中科院院士冼鼎昌告诉记者,上世纪80年代,中国改革开放之初,美国芝加哥大学医学中心负责人访问中国,曾专门到中国科学院高能物理研究所寻访谢家麟,要告诉谢家麟,他50年代在美国研制的世界上第一台以高能电子束治疗深度肿瘤的加速器,仍在医院运行。

如今,应用加速器产生高能粒子治疗癌症已经是普遍采用的技术,其奠基则是60多年前谢家麟在高能电子束治疗深度肿瘤的加速器研究方面作出的先驱性的工作。

利用高能电子束治疗深度肿瘤的关键技术有哪些?

谢家麟回忆说,将高能电子束射入人体用于治疗,至少要满足4个基本条件。

第一,加速器中的调速管能稳定地输出医学上应用所需的功率;第二,要把从加速器引出的电子束流的尺寸从几毫米均匀地拓展到20厘米,才能满足照射人体肿瘤的需要;第三,要能控制不同能量下的电子辐射剂量及其在人体内的分布;第四,要把加速器运行的稳定度由实验室水平提高到医用水平。

所有这些,是谢家麟当年在美国斯坦福大学博士毕业后,归国受阻,重返微波实验室的时候所面临的挑战。当时实验室的领导金兹顿,推荐他去承担高能电子束的医学应用任务,但所有的设计只能由他自己去探索,没有任何先例可供参考。主要的部件也需要自己动手研制,市场上没有相关产品。

面对挑战,风华正茂的谢家麟想:这是锻炼自己独当一面的绝好机会,丝毫没有迟疑就允诺下来。

在随后两年的孤军奋战中,对于医用高能加速器从设计到研制,再进入医学临床实验,谢家麟越过无数障碍,终于在1955年享受到了成功的喜悦。他在芝加哥医学中心研制成功高能电子束治癌装置,芝加哥媒体当即给予大篇幅报道。不久,他便收到了美国移民局的函件,主动邀请他成为美国的永久居民。而他,选择了回国。

如今,60余年过去,后来者们把谢家麟研制的医用电子加速器在我国大规模推广于医疗领域,并将高能电子束的应用推向社会生产的各个方面,如材料改性、工业无损检测、海关集装箱检测等方面。

清华大学工程物理系主任唐传祥介绍,在一次医用加速器的庆典上,当谢家麟看到各类高能粒子束应用产品后,用“琳琅满目”一词对该技术在今天的发展给予了概括。

引导“中国粒子”向高能进军

“峭壁夹江一怒流,小舟浮水似奔牛。黄河横渡混相似,故国山河入梦游。”在美国留学、工作了8年后,谢家麟用这首小诗表达了自己的故国之思。就在完成高能电子束治癌装置这一年,谢家麟回到了祖国,进入中国原子能研究所,即现在的中科院高能物理研究所。

不久,他向所里建议,关于粒子物理的发展,中国可向高能电子直线加速器方向拓展。第二次世界大战后的上世纪50年代,直线加速器代表了微波技术的最高水平和最尖端科技,1955年国际上刚刚发表了全面描述这种加速器的论文。在得到批复后,谢家麟把目标拟定在30MeV。

中国工程院院士叶铭汉记得,国内当时科研条件十分落后,开展30MeV直线加速器所需的尖端器材,国际上禁运。研制此类加速器所需工艺,远远超出当时国内的工业水平,技术和器材都难以实现。但谢家麟带领一批新毕业的大学生,经过8年奋战,终于在上世纪60年代建成了电子直线加速器。

为了这台直线加速器,谢家麟曾手把手地教焊工如何操作,自制了当时世界上功率最大的调速管。这是他在美国留学时,独自练就的本领。

“留学美国加州理工大学和斯坦福大学期间,我的学习与其他人有些不同,除了上课学习基础理论知识外,还用了相当多的时间训练实际动手能力。”他说。

这一方面受到西方研究人员喜欢亲自动手风气的感染;另一方面,他考虑到回国后,脱离了美国实验室环境,若不自己动手,有些操作上的东西很可能学不透。自己动手不仅能了解有关理论知识,还能弄明白如何实现它。对于一个学生而言,动手能力并不能简单地理解为操作技能,亲自操作其实意味着对一个大系统所有硬件特性的全面掌握。

叶铭汉介绍,这台30MeV电子直线加速器如加以延长,就成为高能加速器。此项工作,为后来建造北京正负电子对撞机奠定了相关的人才和技术基础,引领和带动了大功率微波电子元器件的研制,推进了国内电子直线加速器的建造和应用。

今天,当谢家麟回头再看时,深感这台加速器的研制在当时有些不切实际。他说:“当时这个愿望完全没有考虑国情,新中国刚成立,在一穷二白基础上起步实在太艰难了。”

决策中国高能加速器发展方向

“没有谢家麟,就没有今天的高能物理所,甚至没有中国现在的高能物理学科的发展。”中科院高能物理所所长王贻芳说。

“中科院高能所如今成为世界八大高能物理研究中心之一,谢家麟功不可没。”中科院院士陈和生告诉记者。

中科院院士方守贤介绍,中国发展高能加速器的梦想源自上世纪50年代,前后几次上上下下,一直没能成功。改革开放后,谢家麟抓住时机,经过与国内外专家充分讨论,作出了既符合中国国情、又保证在国际上技术先进的决策,选择了粲粒子为着眼点来建造北京正负电子对撞机。这条发展路线的选择,并非轻而易举之事。1982年,中国科学院向中央申请2亿元人民币的基础研究经费,不是没有人怀疑其效果。同时,在技术上,中国并没有多少基础,其关键技术,如磁铁的生产、超真空技术等均处于落后状态。

当谢家麟征求国外专家对建设方案的意见时,发达国家的权威们表示,“中国可能跳得太快”。当时,中国的科学基础与国际至少相差30年。

决策,成为关键中的关键。在上世纪80年代,中国高能粒子物理究竟是走电子的道路,还是走质子的道路?选择十分艰难。

“谢家麟当时与朱洪元等多次组织国内外科学家展开论证和调研,反复对比权衡两种路线的优缺点,最终确定了正负电子对撞机的方案。在这一关键性的选择中,谢家麟深入而细致的分析,说服了持不同意见的人,在高能物理界取得了一致认识,最终确定了北京正负电子对撞机(BEPC)的方案。”叶铭汉说。

谢家麟选择在2.2GeV能量区域建设正负电子对撞机,在科学研究上有明确的目标,既可进行前沿科学问题的研究,同时兼顾同步辐射的应用,“一机两用”。这一选择,在中国科研经费并不充裕的情况下,规模适中,国家经济能够承受。

创建大科学工程建设奇迹

“正负电子对撞机技术难度很大,许多技术在国内都是空白。当时国内外有不少好心人为我们担忧。有人形容,我们好比站在铁路月台上,想跳上一辆飞驰而来的特别快车。如果跳上去了就飞驰向前,如果没有抓住,摔下来就粉身碎骨。”叶铭汉曾担任中科院高能物理研究所所长,对此记忆犹新。

谢家麟不但在科学技术方面为高能物理发展作出了卓越贡献,在管理上也作了突出贡献。

曾经担任过所长的陈和生介绍,在北京正负电子对撞机建设过程中,谢家麟任总经理。其间,他确定了工程建设的6项基本原则。如凡是发展中的技术,不成熟不采用等等。谢家麟确定的大科学工程建设的基本原则,直到今天仍然在遵循。只有遵循这些原则,大科学工程才能既保持先进性,又不至于因某些环节上的不确定性影响整体工程。

此外,谢家麟当年确定的工程建设关键路径和管理方法目前仍在国家大科学工程建设中沿用。

“领导是一门艺术,很有讲究。科学工程的领导,既要懂科学和技术,还要懂国情和人情,更要懂战略。谢家麟就是这样一位各方面都能掌握和了解透彻的科学家。”陈和生说。

中国许多物理学家都记得,1988年10月,北京正负电子对撞机成功实现对撞,成为我国在高科技领域的一项重大突破性成就。尽管中国之前从未进行高能物理科学工程的建设,可中国仅用了4年时间、2.4亿人民币,就建设成功国际同类工程,速度快、投资少、质量好、水平高。中国给世界呈现出“粒子”放射的奇迹。

北京正负电子对撞机建成后,其亮度是美国斯坦福直线加速器中心高能加速器SPEAR的4倍,为中国高能物理实验创造了优越条件。自此以后,中国高能物理学家在对撞机上获得了τ轻子质量精确测量、R值测量、发现粒子新共振态等一批高能物理的重要成果。在国际权威的粒子数据表上,如今已有500多项数据是由北京谱仪合作组在北京正负电子对撞机上测定的。从此,中国在国际高能物理领域占据了粲物理实验研究的国际领先地位。

随后,北京同步辐射装置也成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台,取得了包括SARS病毒酶蛋白复合结构等若干重要蛋白质结构测定在内的一批重要结果,使中国在多个学科发展方面赢得先机。

攀登脚步永不停歇

在中科院高能所研究员钟元元的记忆中,谢家麟最让她敬佩的是他那永不停歇的探索精神。

1986年,谢家麟已66岁,北京正负电子对撞机工程接近收尾。就常理而言,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,可谢家麟并未就此止步,他敏锐地注意到了1982年被美国列为“星球大战”计划的首选战略武器研究——“自由电子激光”项目。

1977年斯坦福大学J.Madey等人,首先利用电子直线加速器产生了3.4微米波长的红外受激辐射,并命名为自由电子激光(FEL)。这种电子激光可在从红外到X光谱区产生相干电磁辐射,强度大,可连续调变波长,还可产生超短光脉冲等。由于这种光的诸多优势,美、法、俄、德、意等国家纷纷开展研究。

谢家麟意识到,如果我国能开展此项研究,即能跟踪世界战略性高科技发展态势,掌握最新关键技术。但在中国当时境况下,这项研究需要高品质电子束,即高流强、高稳定性、低发射度、低能散度等,其要求远远超过一般加速器的性能指标,对加速器技术提出了严重挑战。尽管困难重重,谢家麟没有犹豫,仍积极提出建议。这一建议,最终由国家“863”计划支持,谢家麟领衔组织开展北京自由电子激光装置(BFEL)的研制。

“经过近8年努力,北京自由电子激光装置于1993年5月实现了受激辐射,第一次输出了激光。同年,实现了饱和振荡,中国率先在亚洲建成了自由电子激光装置,使我国成为继美国及西欧之后又一个实现红外自由电子激光饱和振荡的国家。”中科院高能所研究员张闯介绍。

我国在这一高技术领域的重大突破受到国内外科技界的广泛重视,该项目荣获了中科院科技进步奖特等奖。

然而,有多少人知晓,在这项高技术的突破中,谢家麟为国家节省了多少研究经费?

中科院高能所研究员王书鸿介绍,在解决BFEL成败的关键技术中,如热阴极微波电子枪、高精度波荡器和光学谐振腔等,由于建造经费很有限,预算只有国外同类装置的1/10。谢家麟就“变废为宝”,只要其他设备上能拆的就拆。其中,束流输运线上的聚焦磁铁、电源、某些真空设备等,都是从相关研究室一些不再用的设备上“调用”。用于压缩束团长度,以提高峰值流强的α磁铁,是用所内闲置的四极磁铁改造而成的。BFEL的整体基础,来源于那台30MeV电子直线加速器。尽管BFEL是一台新建设备,其装置上却保留了许多老设备的部件。

回国服务是“雪中送炭”

“1986年6月,我清华毕业后报考了谢先生的博士。谢先生给我定的博士论文题目是用于北京自由电子激光装置的微波电子枪的理论与实验研究。我研究工作的起点是从谢先生到美国斯坦福大学直线加速器中心访问带回来的一张草图开始的。”中科院高能物理所研究员高杰介绍。

作为一名研究生,高杰时常到谢家麟家里去讨论问题,从微波技术到阴极材料,从粒子动力学到实验技术,谢家麟常常以介绍美国国家实验室的科学家这一方式来讲解自由电子激光原理和加速器物理。在这段时间里,无论是通过谢先生的介绍,还是与国外科学家的面对面讨论,高杰强烈意识到,做好科研工作,国际视野、国际交流与国际合作极为重要,且必不可少。

高杰告诉记者,他的研究工作很快取得进展,与谢先生制定的正确技术路线有直接关系。在实验方面,谢先生强调把东西做出来最为重要。高杰的研究工作除了理论设计,就是画图纸,跑材料,找工厂,出差,联系合作伙伴,安装,实验,失败,再实验,再失败,再实验……

1989年4月,高杰作为访问学者到巴黎法国国家科研中心直线加速器研究所工作。1992年高杰获得了博士学位,1996年又获得了该中心的大博士学位,课题是未来高能正负电子直线对撞机相关加速器物理研究,并成为法国国家科研中心的终身研究员。

1996年夏,经北京大学陈佳洱校长的推荐,高杰收到李政道教授的邀请信,到中国高等科学与技术中心作为期3天的报告。报告会的第一天,当他看到谢家麟和陈佳洱骑着旧自行车赶到会场时,有一种说不出的感动。

“待在国外是‘锦上添花’,回国服务是‘雪中送炭’。”见到弟子,谢家麟说。

这句话,一直在高杰心中回荡。2004年底,高杰放弃了法国国家科研中心的终身研究员职位,成为中国科学院的一名“百人计划”研究员,回到了中科院高能所。

提起这一选择,他说:“我觉得能归国报效国家是一件很幸运和幸福的事情,出国是必要的,回国是必然的,回来为国家做事,心理上很踏实,有一种归属感。”

谢家麟在国家最困难的时候回国了,他的学生在他的召唤声中回国了……

如今,谢家麟已91岁高龄。他著书总结自己的一生,书名为《没有终点的旅程》。他说:“作为一个在科技领域徜徉了半个世纪以上的工作者,在人生之旅到站之前,觉得有责任把自己的足迹记录下来,把自己的经历告诉青年人。这些可以作为他们人生道路的参考,或许能够增添他们前进的勇气和信心。”

谢家麟

中国科学院院士,杰出的加速器物理及技术专家。1943年毕业于燕京大学物理系,1951年在斯坦福大学获博士学位,回国途中受阻。1955年他冲破重重阻力回国,先后在中国科学院原子能研究所和高能物理所工作。曾任高能所副所长、“八七工程”加速器总设计师、北京正负电子对撞机工程经理等职。1980年当选为中国科学院院士。先后获国家科技进步奖特等奖、国家科技进步奖二等奖、全国科学大会奖、中国物理学会胡刚复物理奖、何梁何利科技进步奖等。

他的名字是和以下科技成就连在一起的:世界第一台能量最高的医用加速器、中国第一台可向高能发展的电子直线加速器、北京正负电子对撞机、北京自由电子激光、国际合作“前馈控制”、新型辐照应用加速器……其中三项是世界原创、三项填补国内空白。

获奖情况

1985年

《世界大科学数据库》的创建个人奖

1987年

30兆电子伏电子直线加速器

全国科学大会奖

1989年

中国科学院荣誉章个人奖

1989年

北京正负电子对撞机

中科院科技进步奖特等奖

1990年

北京正负电子对撞机和北京谱仪

国家科学技术进步奖特等奖

1994年

北京自由电子激光装置

中科院科技进步奖特等奖

1995年

北京自由电子激光装置

国家科学技术进步奖二等奖

1995年

何梁何利基金

科学与技术进步奖个人奖

1995年

对我国射频电子直线加速器的开创与发展的贡献

第四届胡刚复物理奖个人奖

2001年

国家高技术863-410主题

项目重要贡献先进个人

2005年

《院士科普书系》“加速器与科学创新”

国家科学技术进步奖二等奖

谢家麟擅写诗词,以下作品可以概括表现其人生足迹:

青年时代意气风发:

一心烧炼人笑痴,满箱密件是顽石。

春风蜜月谁为伍,火炭风箱度乱时。

归国受阻怒发冲冠:

峭壁夹江一怒流,小舟浮水似奔牛。

黄河横渡混相似,故国山河入梦游。

十年浩劫忧心如焚:

飒飒秋风到古城,残花剩柳尽凋零。

漏迟夜长人不寐,依稀闻得晓鸡鸣。

成就伟业豪情万丈:

十年磨一剑,锋利不寻常。

虽非干莫比,足以抑猖狂。

展望未来充满希望:

老来藉会到凉州,千古烟霞眼底收。

绿被兰山左氏柳,雄关嘉峪古城头。

黄沙漠漠丝绸路,白雪凝凝川水流。

石室宝藏观止矣,跃登天马莫淹留。

(原载于《中国科学报》 2012-02-20 B2 人物)

(责任编辑:侯茜)
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