赵忠尧赴美购置加速器始末

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  1945年8月6日和9日,美国相继在日本的广岛和长崎投掷原子弹,8月10日,日本天皇宣布无条件投降。抗日战争胜利后,蒋介石和国民党政府秘密开始了研制原子弹的计划,中央研究院、中央大学、北京大学、清华大学和北平研究院也准备开展核物理研究。中央研究院总干事萨本栋向蒋介石提出设立近代物理研究所,开展在二战中兴起的原子能和微波的研究。该方案当时未获批准,批复是“近代物理研究所可先筹划设计,暂时缓办”。1946年初,萨本栋兼任中央研究院物理研究所所长后,对该所的研究计划作了重大调整,新设原子核物理和电子学两个方向。其中,原子核物理研究计划的要点是研究“各种原子核受中子或其他高能质点之冲击后分裂情形及其因分裂而产生新原子所生之能量等”。初步计划以国币210亿元,即美金50万元,从美国订购一台静电加速器。但是,萨本栋最终只筹到5万美金。1946年6月30日,美国在太平洋的比基尼岛进行原子弹试验,邀请英、法、苏、中四个同盟国各派两名代表前去参观。国民党政府起初准备派两位官员去,萨本栋提议应该有一名物理学家参加。外交部部长王世杰要求中央研究院和军政部各派一名观察员,萨本栋推荐了时任中央大学教授兼物理研究所研究员的赵忠尧。他托付赵忠尧在参观试爆后滞留美国,了解核物理研究方面的最新进展,设法购买用于核物理研究的实验设备。
  1925年夏,赵忠尧从东南大学毕业,此时清华学校正在筹设大学部,聘请叶企孙前往任教。“由于我在东南大学曾担任他的助教,准备物理实验,两人相处很好,他便邀我和施汝为一同前往清华。叶企孙教授为人严肃庄重,教书极为认真,对我的教学、科研都有很深的影响”。叶企孙很关心他的成长,对他“既使用又培养”。1927年,赵忠尧赴美国加州理工学院,师从密立根(R.A.Millikan)教授,1930年获得哲学博士学位。1928年他和英国、德国的几位物理学家同时发现了硬?酌射线在通过重元素时的反常吸收。1930年他首先观察到伴随着硬?酌射线在重元素中的反常吸收,还存在一种特殊辐射。这是正负电子的湮灭辐射的首次实验证据。1932年初,他应叶企孙之聘回清华大学物理系任教授,率先在中国大学里开设了核物理课程,并且主持建立了中国的第一个核物理实验室。他进行了一系列?酌射线与核的相互作用和中子物理等前沿的、开创性的核物理实验研究工作,在五年里他与合作者有三篇论文发表在《自然》(Nature)杂志上。1937年抗战爆发后,他到云南大学任教一年,1938年回西南联大物理系任教。尽管西南联大的物质条件十分困难,他还与张文裕用盖革计数器作了一些宇宙线方面的研究工作。1945年冬,他应中央大学校长吴有训的邀请,赴重庆担任中央大学物理系主任。当时吴有训与萨本栋商议决定,中央大学和中研院合作开展核物理研究,由赵忠尧负责筹建原子核物理实验室。1946年夏,中央大学复员回南京后,物理系新设了核物理课程,进行核物理人才的培养。1948年夏,中央研究院物理研究所从上海枫林桥迁到南京九华山,开始建造原子核物理实验室。在这种筹划中,赵忠尧作为当时中国物理学界做原子核物理实验研究的领军人物,是赴美参观原子弹试爆、考察核物理进展和采购器材的最佳人选。
  虽然宇宙射线和放射性元素射出的?琢粒子、β粒子和?酌射线,都能用来研究原子核,然而加速器是实验室中唯一可以随意控制的各种大量高能粒子和射线的来源。因此,加速器成为研究核物理不可或缺的工具。要在国内开展核物理实验研究,起初至少要有一台加速器。当时美国的静电加速器已经有工业产品,订购一台完整的2兆电子伏的静电加速器要40万美金以上,显然萨本栋筹到的资金不可能购买任何完整的设备。给赵忠尧的资金是“准备用于购买核物理器材的五万美金和以后托管购买其他学科器材的经费七万美金”。他个人的生活费用实报实销,实际上没有薪给。由于经费紧张,他在吃住方面尽量节省,每年开支两千美金,远远低于当时公派出国人员每年一万美金的生活水平。此外,他手上只有回国的航空旅费和头三个月出差费的节余而已。在当时的情况下,经济上的制约是决定性的因素。赵忠尧与友人多次商讨后,认为唯一可行的办法只能是,自行设计一台静电加速器,购买国内难于制造的部件,然后运回国内自行组装。这样不仅可以达到目的,还可以节省一部分资金,用于购买其他的核物理器材。随后,中央研究院也同意了赵忠尧的计划。但是,这是条极为费时费力的路。为此赵忠尧放弃了核物理实验研究,钻研工程技术上的问题,专注于静电加速器的研制。当时有些人笑他是“傻瓜”,放着出国后搞研究的大好机会不用,却把时间用在不出成果的事上。也有些人劝他:“加速器不是你的本行,干什么白白地耗费自己的时间精力呢?”然而,他深信建造加速器对于中国发展自己的核物理研究有着决定性的意义,不管别人怎么说他都不为所动。叶铭汉后来回忆说:“赵老师认为,一个人在国外做出成绩,对于提高中华民族的科学文化水平,对于国家的富强,作用不大。只有在国内建立核科学的实验基地,才能在国内开展研究工作,培养人才。为此,他认为个人做出牺牲是值得的。”
  赵忠尧首先联系了麻省理工学院物理系的范德格喇夫(R.J.Van de Graaff),他正在装置一台高气压型静电加速器。1931年,范德格喇夫发明了产生高电压的动带型静电起电机,在此基础上图佛(M.A.Tuve)等人很快建成了静电加速器。1935年,范德格喇夫为他的静电起电机申请并获得了发明专利。二战后,范德格喇夫拿到洛克菲勒基金的资助,在麻省理工学校新建一台高压型静电加速器。赵忠尧想参加的正是他负责的这个项目。然而,1946年10月,范德格喇夫和朋友创办了专门生产加速器的美国高压工程公司(HVEC)。出于商业利益和保密的考虑,他不接受外人学习静电加速器。赵忠尧只好转到麻省理工学院电机系的静电加速器实验室,学习静电加速器的发电部分和加速管的制造。该实验室主任屈润普(J.G.Trump)对他十分热心友好,让他利用实验室的资料设计静电加速器,并给他介绍了另一位专家,帮助他解决问题。实验室里有一台已退役的大气型静电加速器,准备拆除作为废物处理。屈润普对赵忠尧说,这些部件可以无偿送给你,拿回去对你们组装一台加速器,也许还是有用的。他欣然接受了。后来,在国内建造的700千电子伏静电加速器上就是用这套赠送的绝缘支柱搭建起来的,其他部件都是在中国研制的。   1947年春,赵忠尧转去华盛顿卡内基研究所的地磁实验室(DTM)学习离子源技术。实验室主任图佛是建造静电加速器的先驱之一,1933年,他建造了世界上最早的静电加速器,并且在上面进行了很多核反应实验。那里有两台质子静电加速器和一台回旋加速器在工作,图佛对赵忠尧非常友好,和他说不要太客气,可以多在加速器上爬爬,弄弄设备。当时毕德显正准备回国,赵忠尧邀请他多呆半年,一起继续静电加速器的设计。毕德显于1927年夏考入齐鲁大学物理系,1932年毕业于燕京大学物理系后入该校研究生院学习,1934年毕业后留校任教。1939年夏到昆明西南联大无线电研究所工作,主要研究飞机导航和保密电话等。1940年夏赴美国斯坦福大学电机系学习,1941年夏获硕士学位转入加州理工大学物理系攻读博士学位。1944年夏获博士学位后留在该校的火箭理论研究组工作,半年后应聘到美国无线电公司(RCA)新产品试制部,从事微波通信设备等研究与制造。他有电子技术方面的实践经验,静电加速器的发电系统主要由他设计。他和赵忠尧还共同完成了静电加速器的机械设计,两人亲自绘制了相关的设计图纸。最后,他们合作完成了2.5兆电子伏静电加速器的设计。毕德显随即启程回国,经赵忠尧的推荐,1947年秋回国后,他到中央大学物理系任教授,主要开设无线电课程。
  静电加速器的设计完成之后,在加工方面又遇到很多困难。为了寻觅厂家定制加速器部件,1947年冬赵忠尧重返麻省理工学院,到该校的宇宙线研究室工作。该研究室主任罗西(B.Rossi)是意大利人,待人十分和气,欢迎他来工作。当时他联系定做加速器的各种部件,需要四处打听情况,麻省理工学院附近有很多朋友可以帮忙。加速器上的机械设备,都是特种型号,每种用量不大,加工精度要求又高,好的工厂很忙,不愿接受这种吃力不讨好的小交易,而小厂的加工水平又不够。他为此奔走多日,有时一天要跑十几个地方。最后,他联系到波士顿一个制造飞机零件的加工厂,要价比较合理,加速器的运转部分、绝缘柱和电极就在该厂制造。此外,他还定做了各种器材。例如,加速管的绝缘圈是派莱克斯(Pyrex)玻璃圈,当时国内还不生产,他就在那里定了货,准备回国后自己研制加速管用。为此,他又学习了粘接加速管的技术。与此同时,他还替中央大学定制了一台50cm多板云雾室,并且购买了与之配套的照相设备。加上核物理实验及电子学器材,都是用那点儿有限的资金购置的。在此期间,他曾在几个加速器、宇宙线实验室义务工作,从中获得了学习与咨询的方便。他组装了那台50cm多板云雾室,并且作了宇宙线实验。他的义务劳动还换得了一批代制的电子学仪器和其他零星器材,节约了购置设备的开支。例如,宇宙线研究室主任罗西专门派一位无线电技师为他焊接制造了八套供核物理实验用的电子线路。1948年冬,赵忠尧完成了采购任务。为了设计加速器和定制某些部件,采购核物理实验各种器材,他前后整整花了两年时间。
  赵忠尧原定在结束采购任务后立即动身回国。此时国民党政府已经非常危急,国内的战局急剧变化,所以他决定暂缓动身,等局势稳定以后,回国参加和平建设。而且,他感到自己缺少在加速器上作实验的经验,决定在美国再多呆些时间,多学一些必要的实验技术。加州理工学院有两台中等大小的静电加速器,具备研究核反应所需的重粒子和β谱仪,正适合于他借鉴学习的需要。1949年春,他到该校的开洛辐射实验室工作,实验室主任劳瑞岑(Louriesen)原籍丹麦,待他相当诚恳。赵忠尧参加了在静电加速器上进行的核反应实验,完成了三篇论文:《氘轰击铍所产生的高能?酌射线》、《质子轰击氟所产生的低能?琢粒子》和《质子轰击氟所产生的?琢粒子和?酌射线的角分布》。这三篇论文都发表在《物理学评论》(Physical Review)杂志上,它们所研究的问题都是当时核反应研究的前沿。与此同时,赵忠尧开始做回国的准备工作,将采购的器材托运回国。他最初联系了一家与国民党有关的轮船公司,货已经存到了该公司租用的库房中。后来他担心这样有可能运不回大陆,又设法将货取出来,重新联系了一家美国的运输公司。然而,联邦调查局已经盯上了这批仪器设备,没有通知他就到仓库开箱检查,并且派人到加州理工学院去调查。幸好杜曼(Dumand)教授为人正直,说这些东西都是一般的器材,与制造原子弹毫无关系。但是,联邦调查局仍然扣去了部分器材。其中有四套供核物理实验用的电子线路,是罗西主任专门派人为他焊接制造的,让他感到特别可惜。中华人民共和国成立后,在中美两国开始对立之前,到1950年初中美之间仍然是通航的。他定制的这批器材装了大小三十多箱,利用这段通航的间隙期装船起运。被扣下的部分器材后来没有检查出任何问题,联邦调查局又把它们运回加州理工学院。中美恢复通信后,加州理工学院的朋友给他来信说,器材由他们暂时代为保管,中美建交后就寄给他。多年后赵忠尧在回忆中写道:“回想定制器材的前前后后,若没有这些国外同行的帮助和支援,这件事是很难办成的。”
  在采购的器材托运回国后,1950年春赵忠尧准备回国,此时中美之间的通航已经中断,只能取道香港。经过一番周折后,1950年8月底,他乘威尔逊总统号从洛杉矶启程。9月12日,轮船经过日本横滨时,他与罗时钧、沈善炯三人被驻日美军扣留,随后被关进了巢鸭监狱。台湾当局派人到日本动员他们去台湾或者回美国,都遭到他们明确地拒绝。10月底,美军又将他们送到台湾当局驻日代表团软禁了两周。对此,中国政府和科学界发表强烈抗议,得到了国际舆论的广泛关注和国际科学界同行的有力声援。近代物理研究所的所长吴有训和副所长钱三强联名致信郭沫若院长,说明赵忠尧是本所聘用的研究员,申请院方按照当时研究员的最高薪每月1300斤小米,给他的家眷按薪金的70%发放生活补助费,直到他到所工作为止。此申请迅即获得郭沫若的批准。11月15日,赵忠尧等人获释归国。11月27日抵达香港,次日通过边界回到祖国。新华社、《人民日报》及全国各大报都发了专题报道和专访文章。一路上,广州、上海、南京的科学家和政府文化教育部门的负责人都亲自到车站迎接,并举行欢迎大会。1951年1月17日,赵忠尧到达北京。政务院副总理兼中科院院长郭沫若主持举行了欢迎宴会,有李四光、竺可桢、吴有训、斐文中、钱三强等数十人参加。赵忠尧“感到祖国一切都是新的,又受到了热烈的欢迎。自己向来未曾经过大的场面,又惭愧没有为人民做过多少事情,心情很是兴奋与不安,只想尽快投入到具体的工作中去,为新中国的科学发展出力”。
  1951年1月,赵忠尧到近代物理研究所后,立即成立了静电加速器组,开始加速器的研制工作。为了取得经验、掌握技术和培养科研人员,首先利用他带回国的那台退役的静电加速器的绝缘支柱,建造一台在大气中工作的700千电子伏静电加速器。1953年底静电加速器出质子束,初步建成。1953年10月,近代物理研究所更名为物理研究所。1954年1月,物理研究所在中关村的新大楼建成,全所从东皇城根甲42号迁往新址。物理研究所大楼是中国科学院建成的第一座现代化的实验大楼,是中国原子核科学研究发育成长的摇篮,后来习惯上被称作原子能楼。大楼西边是静电加速器大厅,赵忠尧的办公室在一楼,挨着静电加速器大厅这边。700千电子伏静电加速器在搬迁后,重新安装并作改进,1955年建成。1954年开始2.5兆电子伏高气压型静电加速器的研制,1958年建成。在赵忠尧的领导下,通过这两台加速器的研制,中国的加速器技术迈出了第一步,培养了一批加速器的科技人才。并且,还发展了真空技术、高电压技术和离子源技术。以静电加速器为基础,赵忠尧又主持建立了核物理实验室。在他的指导和直接参与下,开展了中国最早用加速器的核物理实验,培养了一大批实验研究人才。如今这两台加速器都已经退役。1958年,700千电子伏静电加速器被赠送给中国科学技术大学,供教学实验和学生学习使用。现在它被安放在中国科学技术大学的博物馆里。2.5兆电子伏静电加速器后来改作应用工作,一直用到2000年前后。现在它还封存在原子能楼的静电加速器大厅里。
  致谢:本文的写作得到了叶铭汉院士的鼓励和支持,叶先生对本文初稿作了审阅和修改。中国科协《叶铭汉院士学术成长资料采集工程》课题提供了资助。特此致谢!
  (作者单位:中国科学院大学)
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