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中心簡介
 

 

加速器中心既是高能所規模最大的研究部門,也是目前國內人員配備最齊全的加速器工程建設和研究隊伍。它目前承擔了多個國家大型加速器裝置的運行、建造、設計和預研工作,如北京正負電子對撞機(BEPCII)的運行、中國散裂中子源(CSNS)加速器的建造、國家戰略科技先導專項-加速器驅動的次臨界核能系統(ADS)加速器的建造、北京先進光源(BAPS)加速器的預研、國際直線對撞機(ILC)的國際合作等。加速器中心的中長期目標是成為國際上有重大影響力的一流加速器研究機構。除了承擔國家大科學工程加速器裝置的建設和運行外,還致力于發展國際領先的加速器相關學科和關鍵性技術的研究,并同時大力開展應用型加速器設備的研發。 

1 學科方向

 粒子加速器不僅是進行高能物理、原子核物理、生命科學、材料科學等多種基礎科學研究的重要實驗裝置,而且在工農業生產、醫療衛生、工業輻照、航天等領域也有廣泛的應用前景。

 粒子加速器是一門多專業交叉融合的綜合性學科,它涉及到加速器物理和眾多高精尖技術,其中包括射頻微波、電磁場、電源、超高真空、精密機械、電子學、計算機及網絡、自動控制、束流診斷、輻射防護、低溫超導,等等。

 基于大型高能量電子加速器:北京正負電子對撞機和北京譜儀(BEPC/BES)在完成重大升級改造工程(BEPCII)后,已于20099月正式投入運行,它將保證我國在國際粲物理研究領域的領先優勢,在BEPCII上開展的國際合作使其繼續保持世界上重要的高能物理實驗基地之一的地位。除用于高能物理實驗外,BEPCII還大力開展基于同步輻射光的多學科研究,使高能所成為我國重要的同步輻射實驗基地之一,BEPCII重大升級改造工程也大幅度地提高了同步輻射應用的性能。加速器中心正在積極開展擬在十三五啟動建設的國家大科學工程-BAPS的設計和預制研究,以及下一代光源-能量回收型直線加速器(ERL-FEL)的前期研究。ILC是用于高能物理實驗的下一代正負電子直線對撞機,它需要通過國際上各大加速器實驗室的合作來共同研制,加速器中心多年來一直在積極參與該國際合作項目。

 基于高功率質子加速器:質子加速器也是加速器中心的一個重要研究方向。在1980年代成功地建造35 MeV 的強流質子加速器(BPL)的基礎上,近些年來加速器中心利用國家973計劃的支持開展了以ADS基礎研究為目標的強流質子加速器的設計和研制工作,并建成了我國第一臺強流四翼型 RFQ 質子加速器。20089月國家發改委批準和20119月正式開工建設的CSNS工程,也是一個基于高功率質子加速器的大型多學科應用裝置,束流能量和束流功率分別達到1.6 GeV100 kW,它的建成將使我國的高功率質子加速器達到世界先進水平。2010年底啟動的ADS先導專項,其目標是要建成能量達到1.5 GeV和束流功率達到15 MW的連續波超導質子直線加速器,它將使我國有機會在世界上率先建成大型連續波質子直線加速器。 

2)學科特點

粒子加速器是一門多學科交叉的重要研究方向,既有基礎科學的特性,也有工程學科的特性,綜合性很強。加速器物理是粒子物理和核物理專業的重要研究方向,既有很強的理論研究特點,也有為大型加速器工程服務的設計和應用特性。加速器技術涉及到很多工科專業,但又具有與加速器工程相關的特殊要求,譬如極高場水平和高精度的電場和磁場、高穩定性和高可靠性的電源和高頻功率源等等,是一般工業和其它科學研究所不要求的。

加速器研究注重理論與實際相結合,既強調工程建設又強調理論和技術創新。對一些特殊設備的研制,常常能帶動國內相關技術和工藝的發展。 

3)主要科研任務

  • 北京正負電子對撞機運行

為保持和發展BEPCt-粲物理研究的世界領先地位,高能所自2000年起開始BEPC升級改造工程(即BEPCII工程)的設計研究,2003年底BEPCII工程完成全部立項過程,并開工建設,20097月完成竣工驗收。BEPCII采用了當今世界上最先進的雙環交叉對撞技術,設計對撞亮度比BEPC提高2個數量級,達到1×1033cm-2s-1,是世界上在該能區性能最好的高能物理實驗裝置。在BEPCII開展的高能物理研究是高能所當前和今后若干年內的一項艱巨而主要的任務,也關系著我國高能物理事業的前途和發展。BEPCII作為兼用同步輻射光源為北京同步輻射實驗室每年提供若干月份的專門供光和在對撞運行模式時提供兼用光,為中國的廣大同步輻射用戶提供優質的同步輻射光。(參見:http://www.ihep.ac.cn/BEPCII/

BEPCII加速器包括兩個主要部分:一臺能量為2.5 GeV的電子直線加速器(包括正電子源)和一個由雙環組成的儲存環(見下圖)。BEPCII運行的主要任務是為高能物理實驗和同步輻射應用提供穩定和可靠的束流,同時,也要通過不斷的努力提高對撞亮度并使之達到設計指標。

  • 中國散裂中子源工程建設

近二十年來,利用中子散射技術開展物質結構的多學科研究已成為國際上極具潛力的發展方向,特別是在基于強流質子加速器的散裂中子源發展起來以后,更是吸引了主要科技發達國家的注意。國家發展和改革委員會在20089月正式批準了中國散裂中子源工程的立項裝置投資16.7億元,裝置所在地政府廣東省和東莞市另提供配套經費5億元,并無償提供1000畝土地和七通一平基礎建設條件。高能所作為法人單位與中科院物理所合作承擔了該項目的設計和建造任務。CSNS一期工程計劃建造一臺80MeV的負氫離子直線加速器后接一臺1.6GeV的快循環同步加速器,重復頻率為25Hz,平均束流功率達到100kW,用于轟擊重元素靶,通過散裂過程得到通量達到2.5×1016 n/cm2/s的中子,再經過慢化后傳輸到最多達20臺的中子散射譜儀上進行中子散射實驗,并可以開展基于質子束本身、白光中子源和μ子源的應用。CSNS為多期建設的工程,設計時預留可將平均束流功率提升到200kW 甚至500kW 的升級空間,這也將是國際上前三、四名的水平,一期工程預計2018年建成。(參見:http://csns.ihep.ac.cn/

CSNS加速器是一臺高功率質子加速器,是國內設計和建造的第一臺大型質子加速器,無論在加速器物理還是關鍵加速器技術上都有很多挑戰,特別是快循環同步加速器相關的技術在國際上也是很有挑戰性的。加速器中心承擔CSNS加速器的全部設計和建造任務。

  •  ADS先導專項高功率質子加速器的建設 

ADS先導專項是中國科學院組織針對我國核能可持續發展中“核廢料安全處置”的瓶頸問題提出來的并組織實施的國家科技戰略先導項目,由中科院的3個研究所(近代物理研究所、高能物理研究所和等離子體物理研究所)為主以及其它多個研究所和大學共同承擔。ADS嬗變核廢料是一種非常先進的技術路線,目前國際上仍處在研究階段,很多關鍵技術問題有待解決,需要通過長期的努力才能實現。ADS先導專項的總體目標是,到2032年左右,建成具有安全性、經濟性和可持續發展的ADS嬗變示范系統,使我國先進核能領域的自主創新能力進入世界領先行列。專項第一階段(2011-2015)重點開展ADS嬗變系統相關的強流質子加速器、鉛鉍冷卻反應堆和鉛鉍靶系統等的關鍵技術研究,并開展ADS嬗變系統原型裝置的設計研究和評估,同時將建立加速器、核物理、反應堆工程、放射化學、核能材料科學等公共研究平臺及配套設施。(參見http://ads.ihep.ac.cn/

ADS質子加速器是一臺高流強、中等能量的質子直線加速器,它基于超導加速結構,連續波運行。因為它具有極高的束流功率并且需要極高的運行可靠性,比目前國際加速器界所能達到的水平要高出很多,需要通過大量的預制研究來開發其中的很多關鍵性技術,如CW型的RFQ加速器、低β超導腔和中β超導腔、由多個超導腔和聚焦元件等組成的大型低溫恒溫器、關鍵性元件失效的快速診斷和調整技術、大規模高功率固態功率源等。加速器物理也與傳統的脈沖型直線加速器很不相同,它特別強調了冗余設計和在線快速補償,以滿足加速器的極高可靠性要求,對束流的控制精確度也有很高的要求,以達到非常低的束流損失率。加速器中心負責ADS加速器的2臺注入器預研方案之一(注入器I)和主加速器的設計和研制。

 

  • 北京先進光源的設計和預研

同步輻射光源影響科學技術發展的廣度和深度是迄今為止任何一種其他科學裝置所不能企及的,已得到科技界和各國政府的廣泛認同。進入二十一世紀以來,我國迅速發展的科研體量和迅速提高的科研水平,對高性能的同步輻射專用光源提出了越來越多的需求,以開展多學科的科學研究。上海光源成功建設并取得了很好的研究成果,進一步促進了人們對建設新的高性能光源的興趣。從地域因素來看,中國幅員廣闊,也需要支撐科學研究的同步輻射裝置具有合理的分布,最大限度地滿足各地用戶的需求。基于上述原因,在北京地區建設一臺能量為5GeV,發射度為1nm-rad的高性能、高能量、高亮度同步輻射裝置北京先進光源(BAPS),已獲得國內科技界的認可。BAPS的設計性能將優于世界上已有的和正在建設的第三代同步輻射光源,并在較大程度上可以與世界上現有的ESRFAPSSpring-83個高能光源進行比較,最高可用X射線能量達300keVBAPS在待建的國家重大科學工程中具有最高的優先級,預計在十三五期間啟動工程建設。

BAPS包括四個主要部分:一臺能量為250MeV電子直線加速器,一臺把束流從250MeV加速到5GeV的增強器,一臺5GeV的電子儲存環,以及幾十條束線和相應的實驗裝置。直線加速器和增強器位于儲存環內側,其環外則保留了今后發展硬X射線自由電子激光和ERL等先進光源的余地。未來北京先進光源示意圖如下所示。加速器中心負責BAPS加速器的設計、預研和今后的工程建設任務。

  •  基于能量回收型直線加速器的自由電子激光項目(ERL-FEL)前期預研

 基于高能量直線加速器的自由電子激光(X-ray Free Electron Laser,簡稱XFEL)和基于能量回收型直線加速器(Energy Recovery Linac,簡稱ERL)的光源,同屬于第四代光源。高能所成立了ERL-FEL研究組以開展相關的前期研究,并提出了基于超導直線加速器同時用于XFELERL的“一機兩用”設想,期望其能作為北京光源將來向第四代光源發展的方向之一。由于ERLXFEL涉及一系列加速器物理和技術的前沿,包括多股束流的匯合、分離和小發射度的束流性能的保持等加速器物理問題,以及小發射度光陰極電子槍、連續波運行的超導高頻腔、高精度定時和同步、束流診斷和插入件等加速器技術問題。為了有效地開展ERL-FEL前期的技術積累和關鍵樣機的研制,加速器中心提出了ERL-FEL試驗裝置的設計和建設,如下圖所示。它由兩臺電子束注入器、一臺 35MeV超導直線加速器、兩個TBA磁鐵結構和一臺1.5m長波蕩器構成。

 

4)主要研究方向和重點發展的技術 

加速器物理的創新性研究

除了服務于大型加速器工程的加速器物理設計和研究外,加速器中心也開展一些加速器物理的自由探索,發展我國自己的加速器理論和加速器研究計算機程序,對提高高能所的加速器理論水平和對國際上加速器物理學科的發展做出我們的貢獻。 

新加速原理的研究

激光等離子體加速是一種新型的加速原理,其加速梯度可以達到傳統射頻加速結構的1000倍以上。基于超短超強脈沖的激光尾波場加速器具有尺寸小,造價低,建設周期短,運行費用少等優點。隨著激光技術的不斷發展,脈寬更短、聚焦功率密度更大的激光器不斷涌現,這使利用激光等離子體相互作用產生高能粒子源、新型輻射源成為可能。加速器中心也積極參加這項研究的國內外合作。 

超導射頻技術的研究

超導射頻技術是未來加速器技術發展的一個極為重要的方向,無論是電子型加速器還是質子/離子型加速器,無論是直線加速器還是環形加速器都依重于超導射頻技術的發展。我們目前所承擔的幾個加速器工程也需要和將需要超導射頻技術的支持。我們將通過既結合于大科學工程的建設也相對獨立地發展相關的基礎技術的方法來在高能所發展超導射頻技術。 

超導磁鐵技術的研究

超導磁鐵在加速器中的應用越來越普遍,尤其在高能加速器中更是不可或缺的。還有一些特殊的組合型超導磁鐵如對撞區超導磁鐵,需要將不同的多極磁場線圈繞在同一個支撐管道上。超導磁鐵技術的發展研究包括:磁場計算方法、線圈繞制工藝、導線定位與固定、環氧固化、低溫測試、磁場測量、數字失超保護系統及自動繞線機等。 

高亮度電子槍技術的研究

高亮度電子槍是ERL核心設備之一,其品質基本決定了整個 ERL 的束流品質。光陰極直流高壓電子槍 DC–Gun)在加速電壓足夠高時(≥ 500 kV),有利于克服空間電荷效應,確保束流的小發射度。同時,采用高重復頻率、短脈沖激光入射到高量子效率的半導體光陰極上,可產生高平均流強和短束長的電子束。光陰極DC–Gun在國外多個ERLFEL項目中均是技術攻關的重點,加速器中心也在所創新基金的支持下積極開展這項研究工作。 

新型微波加速結構的研究

加速器中心在常溫電子直線行波加速結構的研究方面具有國際先進水平,包括對新型加速結構的探索和研究。從結構形式上研究對稱耦合和非對稱耦合的加速結構,也進行偏轉腔和邊耦合腔的加速結構研究;從工作頻段上,研究X-波段、C-波段、S-波段和L-波段的加速結構。 

正電子源技術的研究

國際直線對撞機(ILC)正電子源是ILC國際合作組目前重點開展的預研項目之一。由于其技術上的困難和重要性,至今技術路線也沒最終確定。除了作為基本方案的基于波蕩器的極化正電子源外,基于Compton背散射的極化正電子源也作為備份,兩條技術路線在并行地開展。加速器中心積極參與國際合作,重點開展Compton背散射正電子源的實驗研究和理論研究工作。 

束流測量技術的發展

束流測量技術涉及了精密機械、快慢電子學、光學、微波、真空以及加速器物理等多種學科。現代加速器如第四代光源、國際直線對撞機、強流質子加速器等向著低發射度、短束長以及強流等方向發展,它們對束測技術的高要求以及依賴現代工業和科技的進步,推動了束測技術的快速發展,具體體現在激光技術、寬帶高頻快電子學技術以及無阻攔探測技術和各種反饋技術在束測領域的應用和快速發展。 

磁場測量技術的發展

磁場測量技術主要包括霍爾點測技術、旋轉線圈測量技術、平移線圈測量技術和張力線測量技術,也包括穩態磁場和交流磁場的測量。加速器的發展對磁鐵的設計和制作的精度要求越來越高,因此磁場測量技術也必須不斷向高精度、高穩定度的方向發展。研究提高磁場測量精度的措施如探頭的精度、數據采集系統的精度、探頭的運動精度和空間定位精度等,以及提高磁場測量穩定性的措施如實驗室溫度、冷卻水溫度和磁測電源的穩定性等。

5)各專業組的主要研究課題 

  • 加速器物理

  BEPCII穩定運行和對撞亮度提高中的儲存環物理問題研究

  BEPCII電子直線加速器的物理問題研究

  CSNS質子直線加速器中的物理設計和研究

  CSNS快循環同步加速器中的物理設計和研究

  ADS超導直線加速器的物理設計和研究

  BAPS加速器的物理設計和研究

  ERL加速器物理設計

  國際直線對撞機ILC中的物理設計和研究

  包括新加速原理在內的加速器物理前沿課題研究 

  • 射頻技術

  各種類型超導腔(BEPCIIADSILC)的運行、研制和超導實驗室建設

  電子直線加速器常溫加速結構的研究

  電子直線加速器電真空功率源的研究(脈沖和連續波)

  固態功率源的研究(脈沖和連續波)

  數字低電平控制系統的研究(脈沖和連續波,不同加速結構,電子和質子)

  RFQ射頻腔的研究(脈沖和連續波)

   質子直線加速器射頻腔(DTL)的研究

  質子直線加速器射頻功率源的研究

  快循環同步加速器鐵氧體加載腔的研究

  快循環同步加速器射頻發射機的研究

  功率傳輸系統(功率耦合器、同軸線和波導、環形器)的研究

  射頻和微波測量技術研究 

  • 電源技術

  諧振網絡型電源(懷特電源)技術

  快速變化的線性電源

  高精度、大電流直流穩流電源

  高壓大功率脈沖電源

  開關型穩流電源

  高電壓和大電流的精密測量技術

  數字電源技術 

  • 磁鐵技術

  各種常規磁鐵、注入引出特種磁鐵

  用于同步輻射的扭擺磁鐵、波蕩器

  快循環諧振磁鐵

  超導磁鐵技術

  磁場測量技術 

  • 真空技術

  壓強低于10-9Pa的超高真空獲取

  超高真空測量、檢漏技術

  大型陶瓷真空管道及 RF 屏蔽的制造工藝

  低二次電子發射涂層(TiN)的工藝研究

  低阻抗真空盒、真空部件的研究

  • 計算機及控制技術

  控制系統體系結構和系統集成技術的研究

  智能前端控制器和現場總線技術

  數據庫技術

  網絡通信技術

  高精度定時觸發技術 

  • 束流測量與診斷技術

  新的測量原理和技術

  微弱信號檢測和快脈沖電子學

  各種束流參數和特性的測量技術

  束流反饋技術 

  • 低溫技術

  低溫制冷技術

  低溫恒溫器技術

  低溫傳輸技術

  低溫分配技術

  低溫控制技術 

  • 機械設計與準直測量

  各種復雜結構的加速器部件機械結構設計與研制

  遠控卸裝技術

  構成大系統的加速器設備準直測量技術 

  • 劑量監測與輻射防護

  輻射場分析及輻射屏蔽設計

  場所、環境輻射劑量監測及個人劑量監測

  人身安全聯鎖保護技術

  感生放射性研究

  加速器環境影響評價

6)與國內外加速器實驗室的合作 

加速器中心與國外許多著名的加速器實驗室保持著密切的合作關系,如 SLACORNLBNLFNALLBNLANLJLABCERNDESYIN2P3INFNRALKEKJ-PARCKAERI等等。經常性派遣科研人員和研究生去這些實驗室進行學術交流和進修,也通過合作方式承擔這些實驗室的一些課題;同時,也邀請許多國際加速器專家擔任我們工程項目的評審專家和顧問,以及邀請國際加速器界的同行來訪、開展學術交流。

在國內,除了與兄弟研究所或大學開展形式多樣的學術交流和互相幫助外,近期,加速器中心還重點與中科院近代物理研究所合作承擔ADS先導專項高功率質子加速器的設計、預研和建造工作。

參與 ILC 國際直線對撞機的國際合作,在總體設計、阻尼環設計、束流動力學、超導加速腔技術和正電子源技術等多方面參與設計和合作。

在國際合作技術開發項目中,承擔并完成了韓國同步輻射加速器加速管,美國 SSCPEP-IISPEAR3NSLS-II和日本KEKBATF2J-PARC的磁鐵設計和磁場測量,目前承擔了烏克蘭KIPT的能量為100 MeV和平均流強為1 mA的高功率電子直線加速器以及德國EXFL大型恒溫器的批量制造。

與國內的一些國家實驗室和科研機構及大學開展合作和承擔橫向委托項目,如上海光源工程、合肥光源升級工程、蘭州重離子加速器冷卻儲存環工程中一些設備的設計和制造。

 

 
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