北京自由电子激光装置（BEFL）

    1.项目概况

我国从80年代开始自由电子激光的前期研究工作。谢家麟先生主持的北京自由电子激光装置（BFEL）是一台工作在中红外波段的康普顿型自由电子激光振荡器，1994年初实现饱和出光，成为亚洲第一个实现饱和出光的自由电子激光装置。荣获中科院科技进步特等奖，国家科技进步二等奖。

2005年5月，BFEL装置由中关村往玉泉路搬迁和改造，年底完成了安装。

    2.装置布局

BFEL装置布局示意图

加速器（位于中关村） 扭摆器-光腔（位于中关村）

光诊断实验台

1994年，BFEL出光后，王淦昌院士来访BFEL实验室，与部分工作人员合影

    3.应用研究

BFEL吸引上海技物所等十多家单位参与用户实验，约40个课题，分类如下:

• 中红外光电功能材料
• 半导体材料
• FEL诱导化学分子结构变化
• FEL对生物组织作用
• 其它

加速器驱动次临界系统（ADS）装置

我国核电的稳定持续发展必须要解决两个关键问题：一是核燃料的稳定持续供应，二是核废料的安全处置，后者是无法回避并尚未解决的国际难题。加速器驱动次临界系统（ADS）被认为是最有效的降低核废料放射性寿命的途径。

对于ADS加速器来说，最大的难题是低能段连续波加速器（注入器+主加速器前端）。2011年中科院启动了ADS先导专项。在严重封锁的国际环境下，经过七年努力，成功建成了首台具有国际创新性的连续束强流质子加速器。该加速器集成了14个极低Spoke射频超导腔系统，能量10MeV、脉冲流强10mA（脉冲功率100kW）、连续波流强2mA，这是我国质子超导加速器的一个重要里程碑，多项核心技术实现了国际性突破，荣获2019年北京市科学进步奖一等奖。

其后，高能所与中国科学院近代物理研究所共同研发了ADS 25MeV主加速器，成功实现了国际唯一的25MeV质子超导加速器连续波调束，再创国际新高。

ADS加速器总体图

ADS由强流质子加速器、重金属散裂靶和反应堆组成，加速器提供的高能高功率质子束，轰击散裂靶，产生高通量广谱中子，驱动次临界反应堆运行，达到焚烧核废料中长寿命核素的目的。

ADS加速器注入器I连续波RFQ（国际上首台，平均束流功率32kW）

ADS注入器I超导加速器

ADS主加速器Spoke超导腔模组

时任科技部部长万钢参观高能所ADS加速器

达标测试会现场

加速器关键技术研究

    1.1.3GHz超导高频腔及其模组

在国际上首次实现了1.3GHz 9-cell超导腔的中温退火工艺和小批量试制，成功研制国际首台中温退火高Q 1.3 GHz 8x9-cell超导加速模组，垂直测试和水平测试结果均处于国际领先水平，打破了国外技术垄断，使我国高性能9-cell超导腔技术跨入世界前列。

高性能1.3 GHz 9-cell超导腔及垂直测试结果

国际首台中温退火高Q 1.3 GHz 8x9-cell超导加速模组

    2.650MHz超导高频腔及其模组

在国内首次实现大尺寸（频率小于1GHz）超导腔的中温退火、电化学抛光等多项关键技术，为环形正负电子对撞机（CEPC）研发的650MHz超导腔的加速梯度超过40MV/m，创造了国内大尺寸超导腔的最高记录，并达到国际领先水平。该项研究成果入选了国家“十三五”科技创新成就展。成功研制国际首台650MHz超导加速模组。

650MHz超导腔参展国家“十三五”科技创新成就展

650MHz 2x2-cell超导加速模组及束流测试装置

    3.500MHz超导高频腔

BEPCII高频系统采用自主研制的500MHz超导腔，运行在BEPCII设计流强910mA以上，输入功率大于130kW。这是国产超导腔首次代替进口超导腔在大科学装置上实现了长期稳定运行，标志着我国500MHz超导腔系统技术实现了突破，跻身于世界少数几个能够成功研制500MHz超导腔系统的国家之列。

    4.电子枪

热阴极电子枪阴栅组件是长期为国外公司垄断的一项“卡脖子”技术。高能所经过多年的技术攻关，达到了国外同类产品的技术指标，实现了进口产品替代。现已成功应用于BEPCII和HEPS上，也可推广至其他同类装置。

安装于HEPS隧道的电子枪

5.高效率速调管

大型加速器装置能耗极大，实现节能、环保需要理论、技术创新。高能所布局高功率、高效率速调管的研发，目标是能量利用效率国际最高。研发工作持续进行中，目前效率已经达到70%以上，未来目标80%。

首个高效率速调管测试现场

6.铁基高场超导磁体

基于百米铁基超导带材研制出的长尺寸跑道型线圈，在10T的二极磁场下，载流性能相对零磁场下损失小于20%，首次验证了大尺寸铁基超导线圈在高场下应用的可行性和性能优越性；研制的螺线管线圈在最高32T背景磁场下实现60A载流，研制的铁基超导换位电缆载流超过1300A，引领国际最高水平。

首个铁基超导跑道型线圈首个铁基超导换位电缆

探测器技术

1.HEPS硅像素探测器

自主研制X射线二维硅像素探测器，实现了国内同步辐射高端探测器零的突破，攻克了专用集成电路、像素传感器、先进封装工艺等多项关键技术，并全面实现国产化。性能指标达到国际主流产品水平，部分指标达到国际先进水平。

HEPS-BPIX 1.5M硅像素探测器工程样机采用倒装焊和TSV等先进封装工艺

小鱼X射线透射成像图标准粉末晶体CeO₂衍射图样

2.国际合作实验中的半导体探测器研制

参与大型强子对撞机上的ATLAS、CMS、LHCb和国际空间站阿尔法磁谱仪AMS等多个国际实验的探测器升级工作，在探测器模块研制和系统集成中承担了多项重要任务，展示了探测器研制的水平和实力，并培育了大批相关人才。

                          驱动产业应用：成果转移转化

1.核技术及应用

核技术是当前国家发展不可或缺的重要领域，其深刻影响着世界各国的科技进步、经济发展和人民健康，是世界大国必争的战略制高点和优先发展的重要方向。

高能所发挥核探测技术、加速器技术为核心的技术资源优势，以科学研究、医疗卫生、高端制造和公共安全等领域对核技术的应用需求为导向，开展核技术应用领域关键技术研究、核心部件研制和先进设备开发应用，致力于提供“医学影像”、“精密无损检测”和“辐射安全监测”等领域所需的完整核技术解决方案，推动行业发展。

为推进成果工程化和产业化，高能所与济南市人民政府于2019年合作成立济南中科核技术研究院（高能所济南研究部）。研究部具有动物影像开放服务平台、放射性药物转化平台、核医学影像设备研发和测试平台、精密检测实验平台、核应急监测技术服务中心等科研条件，具有乙级放化实验室、各类射线源/装置辐射安全许可等资质，可开展核素生产、探针合成、射线检测及应用等工作。

济南中科核技术研究院

（1）医学领域应用

面向临床前科学研究和临床医学诊断应用，高能所开展正电子发射断层成像（PET）、单光子发射断层成像（SPECT）、X射线断层成像（CT）技术研究及设备研制。

同时，依托在动物成像设备方面的平台优势，高能所研究并建立了多模态、跨物种的动物脑分子影像数据分析方法及软件平台，能够用于大/小鼠、树鼩、恒河猴、食蟹猴的脑成像数据分析。

• 动物PET（PET/CT）成像设备

系列化的动物PET（PET/CT）成像设备，可满足小鼠、大鼠、兔子、猕猴等多类型实验动物的临床前活体成像研究需求，为肿瘤、心脑等疾病的研究、分子探针的开发与药物疗效的评价提供技术支持。

• 全视野动物PET成像系统

成像系统：具有空间分辨率高、灵敏度高、轴向视野大的特点，可单床位完成大/小鼠的全身动态成像，实现药物注射与数据采集同步，精确分析药物代谢过程。

灵长类动物PET成像系统 大鼠全身成像

• 乳腺专用PET

研制出国内首台应用于临床诊断的乳腺专用PET成像系统，已取得国家三类医疗器械注册证，是国际首批进入市场的乳腺专用PET成像系统。系统具有空间分辨率高、灵敏度高的特点，可用于乳腺癌的早期筛查和良恶性鉴别诊断。

可应用于（临床应用）：

乳腺癌高危人群的早期检查；

乳腺肿瘤的良恶性鉴别诊断；

用于术后乳腺肿瘤的复发监测;

放化疗过程中用于评价治疗方案的有效性。

• X射线能谱成像技术

基于光子计数探测器的能谱CT被认为是下一代的CT成像技术，有利于提升图像质量、降低辐射剂量并带来新型的临床应用。

面向生命科学领域的研究需求，高能所研究出动物能谱CT，可针对小型动物的全身结构实现高信噪比的能谱成像，以及身体局部“感兴趣区”实现高分辨率的结构成像。

技术特点

感兴趣区高分辨成像

能量权重成像，有效区分密度接近组织

材料分解和鉴别能力，并以彩色形式表达

银、碘、钆、金等多元素吸收边成像

可对小鼠体内的骨组织、软组织、钆元素识别并单独成像，获得各物质及元素在体内的分布和定量信息

（2）工业领域应用

X射线成像技术能在对检测物体无损伤条件下，以二维或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况，是一种用途广泛的无损检测和无损评估技术。

高能所研制了系列化、全尺度、精密X射线检测设备，广泛应用于古生物研究、复合材料的缺陷检测、汽车电子和芯片封装的质量控制等领域。

• 通用型中高能CT：高穿透性，大型试件检测

450kV工业CT 6MeV加速器射线源CT

• 应用场景灵活、现场快速部署

方舱机械臂CT

微纳能谱CT

• X射线三维分层成像仪

设计了全新的成像模式，解决了大尺寸板状物体高分辨三维成像难题，达到亚微米级空间分辨率。授权十余项国家发明专利。

• 古生物研究

在古生物学研究中，X射线三维分层成像技术是板状化石无损检测的唯一手段，可在不破坏化石标本的前提下，同时获得标本外观形态和内部结构的信息，有效推动化石生物学研究。

发现了1.2亿年前的早白垩热河生物群的两个哺乳形动物新属新种，这是热河生物群中首次发现前爪挖掘型穴居哺乳动物，相关研究成果2021年在线发表于《自然》杂志。

• 汽车电子和芯片封装的质量控制

用于晶圆级封装检测，印制电路板的内部结构成像和尺寸测量，以及板级封装、模块级封装的质量检测，空间分辨率可达到微米甚至亚微米级。

可实现绝缘栅双极型晶体管（IGBT）焊料层气孔智能在线检测，为我国新能源汽车关键部件提供了全新的质量控制手段，在国内IGBT制造龙头企业得到推广。

（3）安全、核能、文保等领域应用

面向核与辐射安全国家重大需求，针对核与辐射应急监测、重大活动核安保、核燃料检测、核工业辐射监测、出入境检验检疫等行业应用需求，开展高灵敏核辐射探测和成像装备研制，实现核辐射“可视化”，实现高端核仪器仪表国产化。

• 车载辐射应急监测系统

快速确定辐射热点三维位置

空中搜寻定位地面辐射热点

区域性辐射污染地图绘制

大气放射性污染气溶胶样品采集