基于文獻(xiàn)計(jì)量和主題模型的對(duì)撞機(jī)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

李華東 伊惠芳，2 劉細(xì)文*，，2

（1.中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院圖書情報(bào)與檔案管理系，北京 100190）

對(duì)撞機(jī)是進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)、研究物質(zhì)最基本結(jié)構(gòu)和相互作用規(guī)律的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（簡(jiǎn)稱重大設(shè)施）。自20世紀(jì)60年代意大利建造第一臺(tái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)以來(lái)，全世界共建造了二十多臺(tái)類型不同、能量各異的對(duì)撞機(jī)，其中包括電子對(duì)撞機(jī)、質(zhì)子對(duì)撞機(jī)、重離子對(duì)撞機(jī)以及電子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)等，對(duì)撞能量覆蓋了 MeV到 TeV量級(jí)［1］。

高能物理的發(fā)展與對(duì)撞機(jī)技術(shù)的進(jìn)步息息相關(guān)。高能物理研究的深入促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，但同時(shí)也導(dǎo)致設(shè)施本身的工程復(fù)雜度越來(lái)越高，對(duì)技術(shù)水平的要求越來(lái)越嚴(yán)苛。對(duì)承擔(dān)大科學(xué)工程建設(shè)運(yùn)行的國(guó)家及組織機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，巨大的成本投入、潛在的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)［2］、復(fù)雜的外部環(huán)境等都是可能影響決策方向的重大問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)是否建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)的問(wèn)題展開了激烈辯論［3-7］，重點(diǎn)圍繞美國(guó)與歐洲的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、領(lǐng)域發(fā)展的未來(lái)前景、總體資金投入及學(xué)科經(jīng)費(fèi)分配等幾大方面。客觀來(lái)說(shuō)，這類辯論對(duì)國(guó)家科技方向把握與政策制定大有裨益［8，9］，但對(duì)上層管理者而言，做出決策的首要前提是對(duì)事物本身有足夠全面的認(rèn)知。為此，王貽芳等［10］從重大設(shè)施在科學(xué)發(fā)展中的地位與作用出發(fā)，回顧了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況，并著重就對(duì)撞機(jī)的重要價(jià)值與展望規(guī)劃做了論述；婁辛丑［11］從高能物理發(fā)展、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)、工程溢出效益等方面說(shuō)明了中國(guó)建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Circular Electron-Positron Collider，CEPC）的必要性；岳崇興等［12］對(duì)即將運(yùn)行或正在設(shè)計(jì)中的未來(lái)對(duì)撞機(jī)做了簡(jiǎn)要介紹，并以此梳理了高能物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)。不過(guò)，以上工作多是從高能物理的角度出發(fā)，較少涉及對(duì)撞機(jī)背后的工程技術(shù)。大型對(duì)撞機(jī)是一項(xiàng)投入巨大的工程項(xiàng)目，對(duì)項(xiàng)目的前期論證來(lái)說(shuō)，科學(xué)研究前景是首要考量因素。除此之外，系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外研究所關(guān)注的對(duì)撞機(jī)技術(shù)主題及演化趨勢(shì)，對(duì)于研發(fā)人員把握技術(shù)熱點(diǎn)與發(fā)展方向、優(yōu)化未來(lái)設(shè)施技術(shù)方案、逐步實(shí)現(xiàn)技術(shù)趕超，管理人員全面深入認(rèn)識(shí)設(shè)施、合理制定相關(guān)政策規(guī)劃等有重要價(jià)值。對(duì)此，靳松等［13］對(duì)CEPC和超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)中前沿技術(shù)進(jìn)行了介紹。然而，該文具有較強(qiáng)的針對(duì)性，本文希望從更為全面的技術(shù)角度進(jìn)行分析。

專利和論文是發(fā)明創(chuàng)造和科研成果的即時(shí)、集中載體。本文在分析相關(guān)專利和論文年度、國(guó)家、機(jī)構(gòu)分布的基礎(chǔ)上，利用主題模型，探析最近三十年來(lái)與對(duì)撞機(jī)技術(shù)相關(guān)的專利和論文的主題構(gòu)成；分析論文主題演化趨勢(shì)，并引入信息熵來(lái)度量論文主題的差異性、均衡性程度變化。最后，根據(jù)研究結(jié)論提出了幾點(diǎn)政策建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究所用專利和論文數(shù)據(jù)分別來(lái)自Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫(kù)的 DII（Derwent Innovations Index）和核心合集。數(shù)據(jù)檢索日期為2021年7月28日，限定時(shí)間范圍為1991—2020年。共檢索到論文12623篇，專利3914條。

專利檢索式：ts＝（（“particle physics”or“high energy physics”or“Particle*Field*”or“heavy ion collider”or“l(fā)arge hadron collider”or“Beijing Electron positron Collider”or“collider physics”or“accelerat*physics”or“particle accelerator”or“particle collider”or“higgs”）or（（“radio*frequenc*”） and （collider or accelerator））or（“superconducti*”and（collider or accelerator））or（（vacuum ormagnetic*or beam or cool*or track*or detect*or data or control or circuit or klystron or amplifier ormonitor or trigger or pixel or calorimet*or track or cryoge*or jet or scintillat*or project*or dipole or Quadrupole）and（collider or“particle accelerat*”）））

論文檢索式：TS＝collider not（WC＝Physics，Particles & Fields）

1.1 數(shù)據(jù)分布

1.1.1 年度分布

近30年，對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的全球發(fā)文量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中1998—2008年的增速最快，近10年（2009—2019）的增速明顯放緩；中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)文量整體呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)（圖1）。

圖1 對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域論文年發(fā)文量Fig.1 Annual Number of Papers Published in the Field of Collider Technology

圖2展示了對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的年度專利申請(qǐng)量。1996年之前，全球申請(qǐng)量基本維持在110件以上（1992年有89件）；1996年之后開始減少，且在隨后的10年里基本處于波動(dòng)狀態(tài)；2008年后，專利申請(qǐng)的態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)好，數(shù)量開始明顯增加并整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。中國(guó)在對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量走勢(shì)較為單調(diào)，2008年之前很少，且未見明顯增幅，整體技術(shù)發(fā)展仍處于摸索實(shí)踐中；2008年之后呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，并于2019年達(dá)到了當(dāng)年全球?qū)＠暾?qǐng)量的一半。

圖2 對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠晟暾?qǐng)量Fig.2 Annual Number of Patent Applications in the Field of Collider Technology

1.1.2 國(guó)家分布

圖3展示了對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量Top15的國(guó)家（由于存在國(guó)家間合作發(fā)表論文的情況，所以將圖3中論文數(shù)相加大于檢索到的發(fā)表論文總數(shù)）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1991—2020年，其共發(fā)表論文10701篇，占對(duì)撞機(jī)領(lǐng)域總發(fā)文量的89.32%。其中，美國(guó)在該領(lǐng)域的研究體量較大，發(fā)文量占總發(fā)文量的37.44%，約是排名第二位的瑞士發(fā)文量的2倍。中國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)表論文1438篇，全球排名第6，居于前列，但其發(fā)文量?jī)H占美國(guó)1/3左右，仍存在較大差距。

圖3 對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)文量Top15國(guó)家（1991—2020）Fig.3 Top 15 Countries on the Number of Papers in the Field of Collider Technology（1991-2020）

圖4展示了1991—2020年間，對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前15位的國(guó)家/地區(qū)。發(fā)表論文量Top15中的瑞士、意大利、波蘭、西班牙、巴西等國(guó)并未進(jìn)入專利申請(qǐng)量Top15，而未在發(fā)文量Top15中出現(xiàn)的羅馬尼亞、新西蘭、澳大利亞躋身專利申請(qǐng)量的前15之列，但數(shù)量較少。此外，日本的專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)超美國(guó)（第2），約是其1.5倍。相比于論文的發(fā)表情況，中國(guó)在專利申請(qǐng)方面的表現(xiàn)更好，排名第三，但與日本相比仍有較大差距。

圖4 對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量Top15國(guó)家（1991—2020）Fig.4 Top 15 Countries on the Number of Patents in the Field of Collider Technology（1991-2020）

1.1.3 機(jī)構(gòu)分布

對(duì)論文的機(jī)構(gòu)歸屬進(jìn)行清洗后，本文統(tǒng)計(jì)了在對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量前20的機(jī)構(gòu)（圖5）。排在第一位的是歐洲核子研究中心，與第二名美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校拉開了較大差距。意大利國(guó)家核物理研究院和俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所分別處于第3、7位。美國(guó)機(jī)構(gòu)占據(jù)了榜單中的大多數(shù)位置（共有14個(gè)）。中國(guó)的中科院高能物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)分列榜單的19、20名。

圖5 論文發(fā)表量Top20機(jī)構(gòu)Fig.5 Top 20 Institutions on the Number of Papers

對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排在前20位的機(jī)構(gòu)（圖6）中，日本企業(yè)無(wú)論在申請(qǐng)量排名還是企業(yè)數(shù)量（10個(gè)，占比50%）都有明顯優(yōu)勢(shì)，這表明日本在對(duì)撞機(jī)技術(shù)研發(fā)上的雄厚實(shí)力。其中，東芝公司專利申請(qǐng)量最高，達(dá)到201件，隨后是三菱電機(jī)株式會(huì)社。專利申請(qǐng)量排名前5位的機(jī)構(gòu)中，4位為日本企業(yè)，德國(guó)西門子股份公司排在第4位。美國(guó)企業(yè)有6個(gè)上榜。中國(guó)有兩家機(jī)構(gòu)出現(xiàn)在榜單中，分別為中國(guó)臺(tái)灣精材科技股份有限公司（第7位）和中國(guó)原子能研究院（第13位）。

圖6 申請(qǐng)專利數(shù)Top20機(jī)構(gòu)Fig.6 Top 20 Institutions on the Number of Patents

1.2 技術(shù)方法

1.2.1 主題模型

本文分別利用LDA主題模型和Content-LDA模型對(duì)論文和專利進(jìn)行主題識(shí)別。LDA主題模型［14］將文本看成詞頻向量，將文本信息轉(zhuǎn)化為易于建模的數(shù)字信息，以無(wú)指導(dǎo)學(xué)習(xí)的方法從文本中發(fā)現(xiàn)隱含的語(yǔ)義維度“Topic”。其核心公式如下：

Content-LDA模型［15，16］是一個(gè)包含詞/IPC、主題和文檔的三層貝葉斯概率模型，每一篇完整的文檔-詞/IPC均可抽取為文檔-主題與主題-詞/IPC分布的形式。相比于LDA主題模型，引入IPC作為詞匯語(yǔ)境的Content-LDA模型能夠更好地增強(qiáng)主題的表征能力。其公式如下：

1.2.2 主題強(qiáng)度

主題強(qiáng)度描述的是某時(shí)間窗口內(nèi)主題的活躍程度。同一時(shí)間窗口下，主題強(qiáng)度值越大，代表主題受到的關(guān)注度越大，熱度越高。主題強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

1.2.3 主題演化

主題演化是在主題識(shí)別的基礎(chǔ)上通過(guò)分析不同階段的主題來(lái)揭示文檔集合中包含的主題內(nèi)容過(guò)渡，以了解研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。本文以對(duì)稱KL（又稱JS距離）［17］來(lái)量化主題間的演化關(guān)聯(lián)。此外，為了分析不同主題間的差異性、均衡性程度，引入信息熵的概念來(lái)揭示不同時(shí)間段下的主題演化情況（信息熵是一種可用于測(cè)度系統(tǒng)內(nèi)部差異或穩(wěn)定性的指標(biāo)，信息熵值越大，主體間的結(jié)構(gòu)差異性越來(lái)越大，主題內(nèi)容更加多樣［18］）。主題信息熵計(jì)算公式為

其中，N為主題下的關(guān)鍵詞數(shù)量，pi為第i個(gè)關(guān)鍵詞數(shù)量占比。

2 主題分析

2.1 專利主題

本文下載的3914條專利數(shù)據(jù)共涉及三千余個(gè)IPC分類代碼。利用Context-LDA模型對(duì)專利進(jìn)行主題抽取，輔助以困惑度指標(biāo)及人工判別后，共從51個(gè)候選主題中得到了31個(gè)主題：半導(dǎo)體傳感器、電容器與電感器、超導(dǎo)裝置、轉(zhuǎn)向磁體、束流存儲(chǔ)環(huán)、陰/陽(yáng)極導(dǎo)體、真空系統(tǒng)、粒子脈沖與電子電路、真空與磁體、加速電壓系統(tǒng)、超導(dǎo)管、電容電阻室、惰性氣體與超導(dǎo)磁體、探測(cè)器與逕跡系統(tǒng)、束流加速、閃爍探測(cè)器、能量控制模塊、粒子源、真空電極、半導(dǎo)體閘流管、束流系統(tǒng)與加速腔、光學(xué)系統(tǒng)與晶體管、加速系統(tǒng)電極電路、加速器燈絲電源、電壓系統(tǒng)、加速器射頻腔、磁體線圈、天線與插口、導(dǎo)向裝置、隔熱絕緣部件、束流注入。

利用式（3），得出這些主題的強(qiáng)度區(qū)間為0.00931～0.02285。以這些主題的強(qiáng)度平均值0.01533作為閾值，得到表1中的專利熱點(diǎn)主題。

表1 專利熱點(diǎn)主題及其強(qiáng)度Tab.1 Patents Hot Topics and Their Intensities

這些熱點(diǎn)主題大致可分為與加速過(guò)程直接相關(guān)的電極電路、電壓系統(tǒng)、射頻腔、加速腔主題，起基礎(chǔ)支撐作用的超導(dǎo)裝置、隔熱絕緣部件、真空系統(tǒng)、磁體/超導(dǎo)線圈主題，與束流相關(guān)的注入、加速、粒子源主題，以及與控制過(guò)程相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)與晶體管、半導(dǎo)體傳感器主題。

2.2 論文主題

分析不同階段的論文主題及其演化情況時(shí)，為了使不同時(shí)段內(nèi)的論文數(shù)盡可能平均，本文共劃分了6個(gè)時(shí)間段（圖7）。以每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的論文為分析對(duì)象進(jìn)行主題分析。利用LDA主題模型，輔助以困惑度指標(biāo)確定大致主題數(shù)，再經(jīng)人工解讀得到各時(shí)段的主題和熱點(diǎn)主題（表2）情況。

圖7 論文分時(shí)段劃分Fig.7 Papers Separated by Time

從表2可以看出，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的論文主題既有不同的技術(shù)構(gòu)成（如超導(dǎo)磁體、探測(cè)器、逕跡系統(tǒng)等），又包括高能物理的領(lǐng)域名詞（如希格斯物理、標(biāo)準(zhǔn)模型、高階計(jì)算等），這印證了對(duì)撞機(jī)作為專用型重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其技術(shù)發(fā)展始終與高能物理前沿研究緊密相關(guān)。

2.2.1 主題演化

以JS距離來(lái)量化主題間的演化關(guān)聯(lián)（相似度）。主題間的相似度越高，具有演化關(guān)聯(lián)的可能性越大。對(duì)于六個(gè)時(shí)間段，選定相似度閾值分別為 0.15、0.18、0.18、0.12、0.12。繪制的主題演化?；鶊D如圖8所示，圖中每個(gè)標(biāo)簽的高度表示該主題與前后主題的關(guān)聯(lián)程度，每個(gè)主題詞后的數(shù)字與表2中的序號(hào)對(duì)應(yīng)，表示所處時(shí)間段。

圖8 1991—2020年論文主題演化Fig.8 Evoluation of Paper Topics during 1991-2020

表2 論文主題和熱點(diǎn)主題Tab.2 Topics and Hot Topics of Papers

從主題演化情況可以看出，有關(guān)對(duì)撞機(jī)技術(shù)的論文主題數(shù)呈現(xiàn)增加—穩(wěn)定—減少的趨勢(shì)。1991—2000年的5個(gè)主題體現(xiàn)了三類信息：LHC實(shí)驗(yàn)最關(guān)注的高能物理領(lǐng)域（標(biāo)準(zhǔn)模型、希格斯物理和重味夸克）、美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的超導(dǎo)磁體裝置，以及直線對(duì)撞機(jī)技術(shù)。2001—2006年，新出現(xiàn)了一些技術(shù)主題，如監(jiān)視系統(tǒng)、探測(cè)器、觸發(fā)系統(tǒng)、束流系統(tǒng)等。2007—2010年，主題數(shù)進(jìn)一步增加，同時(shí)表現(xiàn)出了對(duì)LHC的高關(guān)注度（22個(gè)主題中過(guò)半數(shù)與之相關(guān)）。此時(shí)出現(xiàn)的新技術(shù)主題包括像素探測(cè)器、對(duì)撞系統(tǒng)和束流腔、超導(dǎo)與超流氦、逕跡系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、閃爍計(jì)數(shù)器、粒子源等。2011—2014年，論文主題數(shù)保持穩(wěn)定，但內(nèi)容出現(xiàn)了明顯變化，新出現(xiàn)的技術(shù)主題包括LHC與μ子系統(tǒng)、反應(yīng)事例分析程序、粒子識(shí)別、概念設(shè)計(jì)與模擬、前端電子學(xué)、數(shù)據(jù)處理程序、時(shí)間投影室、電源系統(tǒng)與存儲(chǔ)裝置、尾場(chǎng)加速器等。2015—2017年里，論文主題數(shù)減少，且?guī)缀跛兄黝}都與LHC相關(guān)。此時(shí)較受關(guān)注的技術(shù)主題有直線對(duì)撞機(jī)、量熱儀、存儲(chǔ)環(huán)、逕跡系統(tǒng)等，與之同時(shí)出現(xiàn)的物理領(lǐng)域則有標(biāo)準(zhǔn)模型、暗物質(zhì)、頂夸克、希格斯等。此外，還出現(xiàn)了與LHC升級(jí)相關(guān)的主題。2018—2020年，與LHC相關(guān)的主題仍然占據(jù)最大比重。此時(shí)的技術(shù)主題中與上一階段聯(lián)系較為緊密的有LHC升級(jí)與低溫系統(tǒng)、超導(dǎo)裝置與速調(diào)管、μ子物理實(shí)驗(yàn)等。

結(jié)合主題演化分析及表2的熱點(diǎn)主題可以看出，LHC在最近30年的對(duì)撞機(jī)發(fā)展中占據(jù)核心地位，這與整個(gè)高能物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展相一致。在這六個(gè)階段中，伴隨著LHC的建設(shè)（1994—2008）、運(yùn)行（2009—2013、2015—2018）和升級(jí)（2018—2020）［19］，相關(guān)論文主題呈現(xiàn)出了不同的特點(diǎn)，最明顯的一點(diǎn)是對(duì)撞機(jī)技術(shù)發(fā)展始終圍繞著高能物理領(lǐng)域的需求。三十年來(lái)，持續(xù)受到高關(guān)注的高能物理領(lǐng)域是標(biāo)準(zhǔn)模型、希格斯物理，后期關(guān)注度凸顯的是頂夸克物理與高階計(jì)算領(lǐng)域。在技術(shù)方面，超導(dǎo)磁體、逕跡系統(tǒng)、量熱儀持續(xù)受到關(guān)注。此外，與數(shù)據(jù)處理、信號(hào)分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等軟件技術(shù)相關(guān)的主題也是研究重點(diǎn)。需要指出的是，2011—2014年間出現(xiàn)了尾場(chǎng)加速主題，這是未來(lái)對(duì)撞機(jī)發(fā)展的可能技術(shù)方向，但或許由于其遠(yuǎn)未成熟且技術(shù)挑戰(zhàn)較大［20］，后續(xù)研究的關(guān)注點(diǎn)又轉(zhuǎn)移到了其他主題。直線對(duì)撞機(jī)主題分別在1991—2000和2015—2017階段顯現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的可能原因是LHC建設(shè)前，直線對(duì)撞機(jī)是重要的發(fā)展方向。隨著LHC的建設(shè)運(yùn)行，對(duì)撞機(jī)技術(shù)的發(fā)展也在重點(diǎn)圍繞LHC展開，而在LHC的運(yùn)行后期，科學(xué)家對(duì)其他類型（環(huán)形對(duì)撞機(jī)之外）對(duì)撞機(jī)的探索使直線對(duì)撞機(jī)重新進(jìn)入了研究視野。一個(gè)新興熱點(diǎn)主題是2018—2020階段出現(xiàn)的CEPC/FCC探測(cè)器與（偶極）磁體主題，其中CEPC（環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)）和FCC（未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)）是目前仍處于提案階段的未來(lái)設(shè)施，這表明學(xué)術(shù)界對(duì)更高能量、更優(yōu)性能對(duì)撞機(jī)的關(guān)注。

2.2.2 主題信息熵

從圖8可以看出，不同時(shí)間段內(nèi)的論文數(shù)有一定起伏，這也造成了不同時(shí)段的主題數(shù)變化會(huì)受到論文數(shù)據(jù)量的影響。為了彌補(bǔ)該不足，本文計(jì)算6個(gè)時(shí)間段的論文主題信息熵。圖9繪制了熵值隨時(shí)間的變化情況。

圖9 論文主題的信息熵演化Fig.9 Evolution of Information Entropy of Paper Topics

結(jié)合表2的論文主題數(shù)和圖9可以看出，在6個(gè)時(shí)間段內(nèi)，主題數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，但主題信息熵整體在持續(xù)增加，這表明與對(duì)撞機(jī)技術(shù)主題相關(guān)的研究呈現(xiàn)更加均衡多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)論與建議

3.1 研究結(jié)論

通過(guò)分析對(duì)撞機(jī)技術(shù)相關(guān)的專利和論文數(shù)據(jù)分布情況、主題及演化過(guò)程，本文得出如下結(jié)論：

1）全球?qū)＠暾?qǐng)量在2008年后快速增加，同時(shí)段的中國(guó)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，年申請(qǐng)量于2019年達(dá)到了全球總申請(qǐng)量的一半。日本是該領(lǐng)域申請(qǐng)專利量最多的國(guó)家，且與排在二、三位的美國(guó)、中國(guó)拉開了較大差距。在申請(qǐng)專利機(jī)構(gòu)方面，以日本的東芝公司和三菱電機(jī)株式會(huì)社為代表的日本企業(yè)占據(jù)了申請(qǐng)量前20機(jī)構(gòu)中的一半，表明日本企業(yè)在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的顯著優(yōu)勢(shì)。

2）全球發(fā)文量和中國(guó)發(fā)文量整體都呈上升趨勢(shì)；美國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)文總量顯著領(lǐng)先于其他國(guó)家，中國(guó)雖然位居前列，但與美國(guó)仍有較大差距；在發(fā)文量排在前20位的機(jī)構(gòu)中，美國(guó)占了14位。不過(guò)，擁有LHC的歐洲核子研究中心是發(fā)文量最高的機(jī)構(gòu)。中國(guó)的中科院高能物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)分處發(fā)文量榜單的最后兩位。

3）對(duì)撞機(jī)技術(shù)相關(guān)專利主題涉及領(lǐng)域眾多，其中熱度較高的有加速系統(tǒng)電極電路、束流注入、超導(dǎo)裝置、隔熱絕緣部件、加速電壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、射頻腔等主題；與LHC相關(guān)的主題在不同時(shí)間段中均是研究熱點(diǎn)，其中熱度較高的技術(shù)涉及磁體與螺線管、探測(cè)器、逕跡系統(tǒng)、束流腔、超導(dǎo)磁體、存儲(chǔ)環(huán)、量熱儀等。上述分析結(jié)果與靳松等論述CEPC中的前沿技術(shù)［13］中有超導(dǎo)高頻技術(shù)、磁鐵系統(tǒng)、真空技術(shù)、低溫技術(shù)、束流注入器等的結(jié)論有一定的重合度，從側(cè)面支持了本文的研究結(jié)果。

4）對(duì)撞機(jī)技術(shù)相關(guān)論文主題數(shù)在30年里的6個(gè)時(shí)間段先增加后減少，但這些主題的信息熵的整體趨勢(shì)表現(xiàn)出了持續(xù)增加的特點(diǎn)，這表明該領(lǐng)域的研究主題朝著更加均衡多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。此外，不同時(shí)間段的論文主題無(wú)明顯演化路徑，這表明不同主題間的聯(lián)系性較強(qiáng)。不過(guò)，作為聚焦性較強(qiáng)的特定研究領(lǐng)域，或許需要更為精確的主題演化識(shí)別方法來(lái)進(jìn)行研究。

5）希格斯物理、頂夸克物理、高階計(jì)算等領(lǐng)域是目前以及未來(lái)高能物理的研究重點(diǎn)，對(duì)撞機(jī)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展是為了能更好地滿足高能物理的研究需求。在LHC正進(jìn)行設(shè)施升級(jí)的背景下，以CEPC、FCC為代表的新提案對(duì)撞機(jī)或許是具有廣闊前景的未來(lái)設(shè)施。

3.2 總結(jié)與建議

對(duì)撞機(jī)的技術(shù)組成具有極高的專業(yè)性與學(xué)科壁壘，為了給政策制定者、一線科研人員等提供深度且客觀全面的對(duì)撞機(jī)技術(shù)信息，本文深入分析了相關(guān)專利和論文的主題情況。在分析專利主題時(shí)，采用了能增強(qiáng)主題語(yǔ)境、提高主題可讀性和辨識(shí)度的的Context-LDA算法，共從近三千條專利數(shù)據(jù)中抽取了31個(gè)主題，在此基礎(chǔ)上計(jì)算主題強(qiáng)度并得到了14個(gè)熱點(diǎn)主題。在對(duì)論文進(jìn)行分析時(shí)，將全部論文按發(fā)表時(shí)間劃分為了6個(gè)部分，利用LDA主題模型對(duì)這6個(gè)時(shí)段內(nèi)的論文進(jìn)行主題分析、熱點(diǎn)主題計(jì)算，研究了不同時(shí)段內(nèi)論文主題的演化情況。為了更直觀地展示全球和中國(guó)的對(duì)撞機(jī)技術(shù)發(fā)展情況，本文分別從專利和論文的年度分布、國(guó)家分布、機(jī)構(gòu)分布等三個(gè)角度做了對(duì)比分析。以上述分析及研究結(jié)論為基礎(chǔ)，本文提出如下幾點(diǎn)政策建議：

1）繼續(xù)提升專利、論文等成果產(chǎn)出效率，縮小與美國(guó)、日本等領(lǐng)先國(guó)家的成果總量差距。中科院高能物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是國(guó)內(nèi)在對(duì)撞機(jī)技術(shù)領(lǐng)域成果最為突出的兩個(gè)機(jī)構(gòu)，與之相比，其他學(xué)?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域應(yīng)銳意進(jìn)取、擴(kuò)大成果。要在擁有排頭機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，形成百家齊放、相互促進(jìn)的研究環(huán)境。

2）加大與對(duì)撞機(jī)相關(guān)的超導(dǎo)裝置、束流系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、逕跡系統(tǒng)、量熱儀等技術(shù)方向的研發(fā)力度。由于對(duì)撞機(jī)技術(shù)牽涉面眾多，且每個(gè)方向都具有極高的專業(yè)性，科研機(jī)構(gòu)或大學(xué)不必事必躬親，而應(yīng)尋求與在不同技術(shù)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的企業(yè)單位合作。在保證合作主導(dǎo)地位的基礎(chǔ)上，釋放企業(yè)主觀能動(dòng)性與研發(fā)效率，在此方面可學(xué)習(xí)歐洲核子研究中心的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)［21］。當(dāng)然，科研機(jī)構(gòu)或大學(xué)也可順勢(shì)而為，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展。

3）希格斯物理、頂夸克物理，以及與高階計(jì)算相關(guān)的精確檢驗(yàn)等領(lǐng)域是學(xué)術(shù)界對(duì)高能物理重點(diǎn)研究方向的共識(shí)，也是突破現(xiàn)有理論框架（粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型），發(fā)現(xiàn)新物理存在的前景方向［22］。為了能更深入、有效地研究這些前沿領(lǐng)域，LHC目前正處于緊張升級(jí)階段，而其后的替代設(shè)施如 FCC、國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（International Linear Collider，ILC）以及中國(guó)的CEPC等也已完成了設(shè)計(jì)規(guī)劃報(bào)告［23］。LHC的存在使歐洲核子研究中心成為當(dāng)之無(wú)愧的國(guó)際高能物理中心，中國(guó)是否建設(shè)大型加速器既是國(guó)內(nèi)科技發(fā)展方向、經(jīng)費(fèi)布局投入的問(wèn)題，也是國(guó)家間科技競(jìng)爭(zhēng)、事關(guān)中國(guó)未來(lái)科技地位的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。在百年未有之大變局的時(shí)代背景下，要加快對(duì)這個(gè)問(wèn)題的系統(tǒng)研判工作，爭(zhēng)取早日落實(shí)發(fā)展規(guī)劃。

致謝本文作者與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的徐慶金研究員進(jìn)行了有益的討論，在此對(duì)徐研究員表示感謝。