知名人物 谢家麟人物简介
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知名人物 谢家麟人物简介
·谢家麟
谢家麟,加速器物理学家。建成当时能量最高的医用加速器;负责研制成我国第一台可向高能发展的电子直线加速器;领导建成北京正负电子对撞机;还研制成自由电子激光振荡器。为我国加速器的设计、制造和发展做出了突出的贡献。
谢家麟于1920年8月8日在哈尔滨出生。原籍河北省武清县。父亲谢良佐毕业于天津政法学院,后因闻东北地方富裕,找事容易,遂借了路费,携妻赴哈谋生。经过一段艰苦奋斗的过程,成为当地知名律师,经济上也跨入中产之家的行列。在那里生育子女9人,谢家麟排行第二。
在哈时期,他父亲与李大钊曾有诗词唱和,日本侵略军侵占东北后,常受日本宪兵骚扰查问,全家因而被迫迁居北京。1938年谢家麟从北京汇文中学毕业后,被保送进入燕京大学物理系就读。在大学四年级时,太平洋战争爆发(1941年12月8日),日本侵略军封闭了燕京大学并指令学生转入当时的伪北大。他不愿继续在敌占区读书,遂辗转进入内地。当时凡从敌占区来的学生,都可选择任何一个大学借读。他原来虽然在物理系即将毕业,但却选择了迁至四川乐山的武汉大学航空系,打算从头读起,这当然是受了“科学救国”的影响。他在青少年时期,目睹祖国山河破碎,人民流离失所,就像他同时代的知识分子一样,感到痛心疾首,热血沸腾,迫切希望自己能对抗击侵略、振兴国家有所贡献。这个思想,事实上指导了他以后的一切行动。
在武汉大学借读半年之后,觉得当时该校缺少实验条件,学习偏于空洞,正巧燕京大学已在成都复校,于是又回到燕京大学物理系。1943年初毕业后在中央无线电器材厂桂林总厂的研究室工作,任务之一就是把他在成都毕业论文中研究的负跨导管(transitron)负阻振荡器用于地雷探测器上。这与当时美军使用的地雷探测器原理不同,灵敏度很高。他那时颇以能对抗日有点具体的贡献而感到欣慰。但还未及推广,日军从湖南向广西进犯,全厂撤退,事情就耽搁下来。由桂林撤退后,他与燕京物理系同学范绪篯结为终身伴侣,生活中共同度过坎坷的岁月,事业上也得到妻子无限的帮助。他们生有两子一女。
1944年转赴中央无线电器材厂昆明分厂任职,他的工作之一是研制成功一台高频高压产生器,用以测量高频材料的耐压特性。这可以说是他第一次接触到与加速器有关的工作。在研制过程中,他遇到一个谐振回路中类似磁滞的现象,昼思夜想,到处求教,也没有得到解答,直到20年后他研制电子回旋加速器时,遇到了同样的现象,才使这个长期困扰他的疑团得到解释。
1947年他考取自费留学,只身赴美。先在加州理工学院物理系就读,1948年获硕士学位。这时他很想学点实用的东西,而当时在二战中兴起的微波正在蓬勃发展,斯坦福大学物理系是以微波著名的,因此,他在1948年转学到斯坦福大学,选读以微波为主的一些课程,于1951年获博士学位。
当时中华人民共和国成立不久,他经常与一些加入“留学科协”的同学考虑如何能为新中国建设多做点贡献。遂联合后来在中国科学院计算所工作的范新弼及滞留在美的张念智三人,与中国科学院的钱三强取得联系,采购了一批先进的科研器材,准备回国建立实验室。谢于1951年夏在三人中第一个由旧金山搭船回国。当时满船几百个中国留学生,都兴高采烈地准备回国为祖国建设贡献才智,大有“白天放歌须纵酒,青春结伴好还乡”的激荡心情。
不幸的是,船到檀香山后,谢家麟和另外几位归国学者,被以“所学专业与军事有关”的莫须有的藉口,遭到美国政府扣留。结果,只好再次回到美国。
建成当时能量最高的医用加速器
回美后,他在奥立根州立大学教了一年书,于1952年回到斯坦福大学“微波与高能物理实验室”进行研究。此时芝加哥麦卡瑞司医学中心要求斯坦福大学协助,研制一台世界上尚无的较高能量(45MeV)的医用电子直线加速器,当时认为将能量更高的电子射入人体内部,可对治疗深度肿瘤更为有效。实验室领导推荐他前往主持此事。当时芝加哥大学在西北大学物理系几位教授的主持下,由美国研制加速器的“高压工程公司”承制,也在进行相似的工作。两家很自然地形成竞争的局面,都希望成为世界第一。但两者的实力和条件十分悬殊。谢学的是微波,对多学科综合的加速器只有不多的了解,斯坦福仅答应提供一根加速管和大功率速调管的部件,而一切加工则是由找到的一个化妆品公司(Helen Curtis)的机修车间担任。当时他年轻气盛,就在这困难的局面下,登报招聘了一名助手,毅然边干边学地展开了工作。在建造过程中,解决了许多特殊的、无例可循的设计和调试的问题,如将尺寸为几个毫米的电子束均匀地展开为几十厘米的方法;设计可旋转的散焦磁铁输运系统;解决在复合辐照场下不同能量的中子、射线和电子的测量和控制;高能电子50%致死剂量(LD50%)的测定等等。为了解决这些问题,他一方面领导手下唯一的助手工作,一方面利用所有空余时间,学习了加速器理论和自己原来并不熟悉的磁铁设计、自动控制、核物理实验、决定LD50%的生物实验等等。在这段时期,公司里有一位名叫C.L.劳特(Lottens)的机械工程师,协助他做有关机械方面的设计与安装。此人十分能干,对工程的高速推进起了很大的作用。谢现在回想,深深感觉到一个人得了博士学位之后,在知识的海洋里只不过是一瓢水,关键是要能“边干边学”,才能不断充实、成长。他感谢从斯坦福大学受到的教育,使他有了理论基础和自学能力。在芝加哥两年是他在加速器领域成长最快,收获最多的两年,也是对自己树立了信心的两年。经过两年的奋斗,这台加速器早于芝加哥大学那台建成和投入使用。这在当时芝加哥报纸上曾有大篇幅的报道,这台加速器运行了约30年。1976年曾担任过美国总统科学顾问的斯坦福直线加速器中心主任W.K.H.潘诺夫斯基(Panofsky)访华时,见到谢的第一句话,就是祝贺他做的这台加速器仍在顺利运转。
建成中国第一台可向高能发展的电子直线加速器
1955年秋,谢家麟接到美方通知,要他或在美国作永久居民,或者限期回国,在这二者之间做出选择。他当然毫不迟疑,毅然踏上第二次回国的旅途。回国后,曾承担过三件规模较大的科研工程。第一件是建造一台可向高能发展的电子直线加速器。这个工作包括多种复杂的尖端技术,而当时国内的情况,仍建立在旧中国极端落后、现代工业刚刚起步的基础上,西方对我禁运,苏联对我保密,要用的许许多多器材绝对无法获得,任务的艰巨是难以想象的。结果只能是“吃馒头先种麦子”,为了制造当时世界上科技领域中十分尖端的电子直线加速器,首先要用手摇计算机进行理论设计;要改造车床,用金刚石刀加工尺寸公差为5微米、光洁度为10级的加速管;要用电铸方法制造厚壁波导;还需要做世界上脉冲功率最大一级的速调管来产生微波;要做性能指标超过工业部门产品几十倍的调制器来做速调管的电源;要做调制品关键部件脉冲变压器;要做脉冲变压器铁心的镀膜机,如此等等。不但工作量十分巨大,更重要的是,有许多我们还未掌握的技术关键。大功率速调管在几十万伏特的高压下工作,首先要过高压击穿关;解决之后产生了微波,又出现了微波输出窗击穿关;每次击穿,管子都会暴露大气,导致阴极死亡。在分析原因改进设计之后,要经过几个月的辛勤劳动,才能恢复试验。在这项工作开始之初,领导分配给他十几名大学毕业生,尽管他们以前从不知加速器为何物,但却都能边干边学,百折不回,终于使这台加速器在1964年建成出束,随即投入国防使用。大功率速调管也在4404厂投入生产。当初的青年人,如今都成了不同领域的专家。谢深刻感到,完成这么艰巨的任务,没有与他共事的青年们的无私奉献、艰苦奋斗的精神和对他的极大的信任,是绝不可能的。这台加速器的建成是我国高能加速器的预研。为后来的北京正负电子对撞机的顺利建成奠定了人才和技术的基础。
推动加速器事业在我国的发展,人才培养是根本的问题。这个时期,他还在清华大学任兼职教授,讲加速器课程,并在中国科学院电子所讲速调管课。后来讲稿由赵永翔协助整理,合作出版了《速调管群聚理论》一书。由于这段时期的工作,他获得了三项全国科学大会奖,均排名第一。并于1980年被选为中国科学院学部委员(院士)。
领导建造北京正负电子对撞机
他参与的第二个大型科研工程,是高能加速器的建造。在“文化大革命”末期,我国开始了一个以建造高能质子同步加速器为中心任务的“八七”工程,从全国调集了许多有关专家,组成技术队伍。他被任命为加速器总设计师,领导设计工作。在国内完成初步设计之后,1978年领导决定派谢家麟和钟辉带领10位专家,到美国费米国家实验室(FNAL)进行考察,深化设计。这是他时隔23年之后又一次访美。那里的所长R.威尔逊(Wilson)对中国十分友好。尽管当时中美尚未建交,他还是热情招待,举行上百个专家参加的宴会,双方发表了友好的演讲,还要谢与他一起把五星红旗升到美国费米国家实验室主楼之前。后来又经李政道、袁家骝两教授的安排,考察组部分成员到布鲁克海汶国家实验室(BNL)进行了考察。这年年底,邓小平同志访美,与美国总统卡特签定了中美科技合作协议,其中将高能物理合作列为第一个项目,成立了中美高能物理合作委员会。国家如此重视高能物理事业,为它的发展创造了非常有利的条件,给了高能从业人员以极大的鼓舞。后因工程庞大,投资过多,与我国经济实力不相称而下马。但是,中央决定“高能”不能断线,应寻找投资较少、更为有效的方案,来推动高能物理的实验研究。
承担“八七”工程主要研制任务的是中国科学院高能物理研究所。“八七”工程下马,重新研讨方案,这在高能物理研究所内产生了很大的波动。因为采用何种方案,对我国高能物理发展的前途影响极大。专家们各抒己见,提出了很多想法。统一意见,付诸行动,就成为当时的关键问题。
方案需要改变,牵扯的方面很广,过程也很复杂。首先要听取中国物理学家的意见,同时这是国际合作项目,所以也要征求外国专家的意见。为此,谢家麟与朱洪元在1981年3月和9月两次去美,与在美工作的中国学者和中美高能物理委员会美国成员交换意见,经讨论逐步形成一个新方案,即建造2.2GeV正负电子对撞机。他们的任务就是要摸清此方案的物理目标、技术关键、投资要求、建造周期等关键问题,作为回国讨论的基础。
建造正负电子对撞机的关键问题之一,是作为注入器的电子直线加速器和大功率速调管。谢家麟在60年代初,已领导建成了这种加速器,恰好为北京正负电子对撞机的建造奠定了人才和技术的基础。这在领导决策考虑时,当然是一个有利的筹码。经过科学技术的深入论证和领导的慎重考虑,特别是邓小平高瞻远瞩的决策与支持,并委派以谷羽为首的四人领导小组进行具体领导,北京正负电子对撞机终于作为国家重点被批准上马,经过短期预制,开始了建造的过程。
现在看来,当时的决策是十分正确的。如果仍建质子加速器,则到建成之日,由于打静止靶实验的能区将已被覆盖,很难找到有意义的课题可以研究,势必使我国高能事业处于非常被动的局面。
1981~1986年,在北京正负电子对撞机的论证、设计、预制和建造过程中,谢家麟担任技术领导工作。后被任命为工程经理和中国科学院高能物理研究所副所长,负责领导建造工作。
北京正负电子对撞机是中美两国高能物理的合作项目,1982年谢家麟与张厚英曾受命带领大批专家到美国斯坦福直线加速器中心改进我们在国内完成的初步设计,借鉴斯坦福建造对撞机的先进经验,并在他们的基础上有所提高。在设计工作中,既要吸取他们成功的经验和失误的教训,同时不能脱离我国的具体情况。例如,他们的SPEAR对撞机中,真空盒截面尺寸变化很大,因而阻抗过高,而使亮度受限,谢家麟和他的同事们在研制中就特别强调了真空盒截面的均匀性。又如,以产生正电子的电子能量为例,产生能量愈高,则正电子产额愈大,注入所需要的时间愈短。当然,这是有利的。同时,注入正电子的能量愈高,则束流寿命长,不稳定阈值高,也是有利的。但是北京对撞机的地理环境和投资额定限制了电子直线加速器的总能量,产生正电子的电子能量愈高,则正电子本身的能量愈低,这就可能导致严重的束流积累困难,使对撞机难以有效地工作。当时,美国专家曾建议按照他们有很高能量的电子直线加速器的情况,确定产生能量与注入能量的比例。谢家麟经过深入分析这个问题之后,没有采纳这个建议,做出了适当地提高注入能量的决策,以保证积累,因为产生能量在需要时只要提高少数速调管的功率即可增加。在此期间,谢家麟还对其他一些关键性的技术指标,在中、外专家多种不同意见的情况下,进行了一系列重要的决策,如对于储存环高频加速系统频率的选择;对于磁铁孔径的确定;对直线加速器的能量的选择等。这些决策,不仅要依据对加速器的理论与技术的正确分析和我国工业生产能力与水平的判断,以保证对撞机的性能,同时还必须考虑技术指标、工程进度和经费投入三者之间的相互关系。北京正负电子对撞机在领导大力支持和工作人员奋力拚搏下,终于在1988年建造成功,其峰值亮度达到了美国同类对撞机(SPEAR)的4倍以上。实验物理学家已经用它对τ粒子的质量进行了精确的测定,取得了重要的成果。对撞机能有这样高的亮度,有力地说明了设计上的一些关键性的决策是正确的。吸取他人成功的经验和失误的教训,我们的研制工作才能取得“青出于蓝而胜于蓝”的结果。科学与技术从来都是后人在前人的基础上发展的,我国有了对外开放的政策,才使这一切成为可能。
在北京正负电子对撞机的建造过程中,谢家麟经常到研制各分系统的实验室,向工作人员学习,并进行指导。同时招收了两名博士生,分别研究储存环阻抗测量和正电子的产生,它们都直接关系到对撞机的亮度。通过经常与他们一起研究讨论,谢家麟对实际工作取得了较深入的了解。
由于谢家麟在北京正负电子对撞机的设计与建造工作中作出的贡献,在该项成果获得的国家科技进步奖特等奖中他被排名第一。
首创北京自由电子激光装置
自由电子激光的工作原理与常规激光完全不同,它是直接利用电子束团产生辐射。它有如常规激光,产生的光是相干辐射,但常规激光一般在固定的波长工作,而它却可从毫米波到X光在各波带工作,而且它的波长连续可调;它有如同步辐射,可在广阔的波带上工作,但同步辐射是非相干辐射,而它产生的却是相干辐射。另外,自由电子激光的功率潜力巨大。因此它的应用前景十分广阔。自1977年美国斯坦福大学J.麦迪(Madey)教授首次实现自由电子激光振荡器之后,引起科学界很大的震动。科技先进的国家纷纷投入了研制。最初,美国拟用之于“星球大战”,后改由官民合作应用于工业生产。
谢家麟很早就认识到自由电子激光这一新兴学科的巨大应用潜力,从1987年起,他就在全国自然科学基金的资助下,带领一个博士研究生高杰,对使用射频电子直线加速器的自由电子激光最为关键的环节——微波电子枪注入器展开了实验研制。此后,他不顾承担技术风险,争取到国家高技术“863计划”的资助,在庄杰佳、钟世材、李永贵以及他的学生黄永章等人的协助下,逐步扩大队伍,展开了北京自由电子激光装置的全面研制工作。
研制自由电子激光装置的难度很大。自由电子激光的工作需要流强很大、品质极好的电子束流,它的能散度、发射度都必须很小,而稳定性则要求很高。这些技术性能指标,都远远超过一般加速器的要求。因此,虽然国际上建造的自由电子激光装置很多,但已建成的也只约有半数可以使用。
谢家麟深入地研究了自由电子激光的有关理论,并分析了国外装置的特点和国内的具体情况,经过充分考虑,提出了自己的设计方案。他不采用比较成熟的常规次谐波注入器的方案而使用微波电子枪作为注入器。这样,一举满足了发射度和能散度的要求。其技术的整体性能,也是使用常规技术所难以达到的。而且结构简单,造价低廉。
在谢家麟的领导和直接参与下,课题组和协作单位的工作人员经过6年的艰苦努力,终于攻克了一个个技术难关,先后研制成功了低发射度的热阴极微波电子枪;束团宽度压缩装置;高功率宽脉冲微波系统;使用国产钕铁硼永磁材料的高均匀度、低电子轨迹偏移的扭摆磁体,五维三极遥控可调光学谐振腔等等。
经实际考验,上述部件的性能都达到了国际先进水平。在这个基础上,谢家麟和他的同事们进行了安装调试工作。1992年8月,首次观察到自发辐射。1993年5月,自由电子激光装置全部建成。这是继美国和西欧之后,在亚洲第一个出光的红外自由电子激光振荡器。经过改进,于1993年底该装置达到饱和。由于这项工作的贡献,他们获得了1995年中国科学院科技进步奖特等奖,国家科技进步奖二等奖,谢家麟均排名第一。作为国际上公认中国自由电子激光研究取得成就的表征,一年一度的自由电子激光国际会议决定于1997年8月在北京举行,并由谢家麟和“863”计划首席科学家杜祥琬担任主席。
除研制成上述4个规模较大的加速器外,他还进行过一些其他专题研究。他和他的学生张仁善共同发展了一种自适应前馈控制方法,现正与美国和意大利的实验室合作开发它的广阔应用前景;对热阴极微波电子枪进行系统深入的研究。1995年中韩科技合作的第一个项目,就是这方面的技术合作。
谢家麟热爱科学,更热爱祖国。1955年他在美负责建造成功一台加速器之后,本可以获得开展多方面科研的机会,获得优厚的生活待遇与社会地位,但他毅然放弃这一切,选择了回国参加社会主义祖国建设的道路。1960年,他搁置了自己正在为之奋斗的30MeV电子直线加速器和大功率速调管的工作,从头学起,全身心地投入国防任务中子管的研制。1991年他在美参加自由电子激光合作研究后准备回国时,合作单位的所长曾派秘书婉转说明希望他能留下,他当即婉言谢绝。在谢家麟心中只有科学和祖国,他为科学奋斗一生,为祖国奋斗一生,而祖国在他心中的情怀犹如慈母一般浓重。他科研生涯中最大的感触是,由于条件限制,虽然成果不一定居国际的最前沿,但有了这些工作,可以提高国家的威望,使别国不敢轻视。
在他的科研活动中,他曾到美、英、德、法、意、瑞、日、韩等国的主要研究所访问、讲学,结识了很多世界著名的加速器专家,并从他们的经验中吸取了营养。根据各方面实践经验,使他形成了这样一个概念:在科研领域中,理论与实际密不可分;一个专业与另一个专业密不可分;在科学研究的大系统中,各方面都是相互影响、彼此联系的,应当尽可能避免“见木不见林”的考虑问题方式;避免割裂理论、模拟计算和实验的工作方法。因此,他一贯主张,作为当代的科学家应当一专多能、手脑并用。
谢家麟是一个不善交际、埋首工作,不善辞令、讲求实际的人。他在领导研制中子管期间,除了努力工作完成任务外,虽然占用了他两年时间,至今几乎无人知道他曾参加过这项工作。在他担任北京正负电子对撞机研制时,他在完成方案论证、技术设计、预制研究、土建规划、工程已经完成部分安装之际,深感自己年纪大和种种汇报、会议的负担,力不从心,因而提出辞职,将位置让给年轻的接班人,毫不眷恋职位。他只愿回到科研队伍,做点具体工作。几十年来,他从不向领导提个人的要求。
谢家麟现在已是耄耋高龄。他认为他的科研成就是同事们和领导的大力支持以及时代提供的机遇才取得的。他个人得到的荣誉除了上述各奖外,还有何梁何利科技进步奖,胡刚复实验物理奖等;他还曾被选任中国带电粒子加速器学会理事长、中国高能物理学会副理事长等职。他常感到社会给予自己的很多,而自己的贡献很少。因此虽到古稀之年,仍旧不停地拼搏。“老牛自知黄昏近,不待扬鞭自奋蹄”。这正是他晚年心情的写照。
简 历
1920年8月8日 出生于哈尔滨,原籍河北武清。
1943年~ 毕业于燕京大学物理系,获学士学位。
1943~1947年 在中央无线电厂研究室工作。
1947~1948年 赴美留学,获加州理工学院物理系硕士学位。
1948~1951年 获斯坦福大学物理系博士学位。
1951~1952年 在奥里根州立大学物理系任教。
1952~1953年 在斯坦福大学“微波及高能物理实验室”任副研究员。
1953~1955年 在芝加哥麦卡瑞斯医学研究中心任加速器研制负责人。
1955~1973年 任中国科学院原子能研究所研究员,兼任清华大学工程物理系教授和中国科学院电子学研究所研究员。
1973年~ 中国科学院高能物理所研究员,加速器研究室主任,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,合肥同步辐射加速器工程总顾问,国家“863”高技术计划北京自由电子激光课题负责人。
1980年 当选为中国科学院院士。
主要论著
1 谢家麟.负阻Transitron振荡器研究.全国工程师学会年会论文集,桂林,1943
2 Hsieh C.L(谢家麟).45—MeV medical linear electron accelerator.AIEE/EE,1955,P.1
3 Hsieh C.L,Uhlmann E.M.Experimental evaluation of the physical characteristics of a 45 MeV medical linear electron accelerateor.Radiology,1956,67:263~272
4 谢家麟,顾孟平,秦玖等.10厘米波段三腔大功率速调管.第二届全国真空电子学会会议录,1965
5 谢家麟,赵永翔著.速调管群聚理论.北京,科学出版社,1965
6 谢家麟,汪伯嗣.复合作用注入系统跟踪研究.高能物理与核物理,1975,642~649
7 周立农,谢家麟.一种双周期加速结构.高能物理与核物理,1979,3
8 Xie Jialin(谢家麟).On the choice of positron-Producting energy in linac-injected e±collider.IEEE Trans. on Nuclear Science,1982,32
9 Xie Jialin.BEPC project and its main technical features.The Second China-Japan Joint Symposium on Accelerator for Nuclear Science and Their Application. 1983
10 Xie Jianlin,Zhuang Jiejia,Wang Youzhi et al..Design considerations of the Bei jing Free Electron Laser Project.Nucl.Inst.and Meth.,A,1988,272
11 Xie Jialin,Zhang Renshan. A scheme to compensate the transient beam loading in TW electron linac. International Linear Accelerator Conf.,1990
12 Gao Jie,Xie Jialin. RF gun development at IHEP for BFELP. Nucl. Inst. and Meth. ,A,1991,304
13 Xie Jialin,Zhuang Jiejia,Mao Chensheng et al.. The Undulator for the Beijing Free Electron Laser Project. Nucl. Inst. and Meth. ,A,1991,304
14 Huang Yongzhang,Xie Jialing. Measures to alleviate the back bombardmetn effect of thermionic elctron gun.IEEE Particle Accelerator Conf.1991
15 Xie Jialing,Zhang Renshan.An self-adaptive RF feed forward control system for ATF. Center for Accelerator Physics,BNL CAP-ATF-Tech. 1991,12
16 Xie Jialing,Zhuang Jiejia,Huang Yongzhang et al. ,The Saturaation of the Beijing FEL. Nucl. Insy.Meth,1995,A358
17 谢家麟.微团物理与技术及其应用.中国粒子加速器学会第六次学术报告会论文,1996
18 谢家麟.自由电子辐射与北京自由电子激光.物理,1996,25
19 Tang Chuanxing,Xie Jialin. Beam loading effect of RF linac based FEL with thermionic cathode mlicrowave gun injector. Proc. of International FEL Conf. Rome.1996
20 谢家麟主编.北京正负电子对撞机与北京谱仪.杭州:浙江科学技术出版社,1996
相关参考
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