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中心简介
2009-10-30 | 浏览次数:|【

 

加速器中心既是高能所规模最大的研究部门,也是目前国内人员配备最齐全的加速器工程建设和研究队伍。它目前承担了多个国家大型加速器装置的运行、建造、设计和预研工作,如北京正负电子对撞机(BEPCII)的运行、中国散裂中子源(CSNS)加速器的建造、国家战略科技先导专项-加速器驱动的次临界核能系统(ADS)加速器的建造、北京先进光源(BAPS)加速器的预研、国际直线对撞机(ILC)的国际合作等。加速器中心的中长期目标是成为国际上有重大影响力的一流加速器研究机构。除了承担国家大科学工程加速器装置的建设和运行外,还致力于发展国际领先的加速器相关学科和关键性技术的研究,并同时大力开展应用型加速器设备的研发。 

1 学科方向

粒子加速器不仅是进行高能物理、原子核物理、生命科学、材料科学等多种基础科学研究的重要实验装置,而且在工农业生产、医疗卫生、工业辐照、国防、航天等领域也有广泛的应用前景。

粒子加速器是一门多专业交叉融合的综合性学科,它涉及到加速器物理和众多高精尖技术,其中包括射频微波、电磁场、电源、超高真空、精密机械、电子学、计算机及网络、自动控制、束流诊断、辐射防护、低温超导,等等。

基于大型高能量电子加速器:北京正负电子对撞机和北京谱仪(BEPC/BES)在完成重大升级改造工程(BEPCII)后,已于20099月正式投入运行,它将保证我国在国际粲物理研究领域的领先优势,在BEPCII上开展的国际合作使其继续保持世界上重要的高能物理实验基地之一的地位。除用于高能物理实验外,BEPCII还大力开展基于同步辐射光的多学科研究,使高能所成为我国重要的同步辐射实验基地之一,BEPCII重大升级改造工程也大幅度地提高了同步辐射应用的性能。加速器中心正在积极开展拟在十三五启动建设的国家大科学工程-BAPS的设计和预制研究,以及下一代光源-能量回收型直线加速器(ERL-FEL)的前期研究。ILC是用于高能物理实验的下一代正负电子直线对撞机,它需要通过国际上各大加速器实验室的合作来共同研制,加速器中心多年来一直在积极参与该国际合作项目。

基于高功率质子加速器:质子加速器也是加速器中心的一个重要研究方向。在1980年代成功地建造35 MeV 的强流质子加速器(BPL)的基础上,近些年来加速器中心利用国家973计划的支持开展了以ADS基础研究为目标的强流质子加速器的设计和研制工作,并建成了我国第一台强流四翼型 RFQ 质子加速器。20089月国家发改委批准和20119月正式开工建设的CSNS工程,也是一个基于高功率质子加速器的大型多学科应用装置,束流能量和束流功率分别达到1.6 GeV100 kW,它的建成将使我国的高功率质子加速器达到世界先进水平。2010年底启动的ADS先导专项,其目标是要建成能量达到1.5 GeV和束流功率达到15 MW的连续波超导质子直线加速器,它将使我国有机会在世界上率先建成大型连续波质子直线加速器。 

2)学科特点

粒子加速器是一门多学科交叉的重要研究方向,既有基础科学的特性,也有工程学科的特性,综合性很强。加速器物理是粒子物理和核物理专业的重要研究方向,既有很强的理论研究特点,也有为大型加速器工程服务的设计和应用特性。加速器技术涉及到很多工科专业,但又具有与加速器工程相关的特殊要求,譬如极高场水平和高精度的电场和磁场、高稳定性和高可靠性的电源和高频功率源等等,是一般工业和其它科学研究所不要求的。

加速器研究注重理论与实际相结合,既强调工程建设又强调理论和技术创新。对一些特殊设备的研制,常常能带动国内相关技术和工艺的发展。 

3)主要科研任务

  • 北京正负电子对撞机运行

为保持和发展BEPCt-粲物理研究的世界领先地位,高能所自2000年起开始BEPC升级改造工程(即BEPCII工程)的设计研究,2003年底BEPCII工程完成全部立项过程,并开工建设,20097月完成竣工验收。BEPCII采用了当今世界上最先进的双环交叉对撞技术,设计对撞亮度比BEPC提高2个数量级,达到1×1033cm-2s-1,是世界上在该能区性能最好的高能物理实验装置。在BEPCII开展的高能物理研究是高能所当前和今后若干年内的一项艰巨而主要的任务,也关系着我国高能物理事业的前途和发展。BEPCII作为兼用同步辐射光源为北京同步辐射实验室每年提供若干月份的专门供光和在对撞运行模式时提供兼用光,为中国的广大同步辐射用户提供优质的同步辐射光。(参见:http://www.ihep.ac.cn/BEPCII/

BEPCII加速器包括两个主要部分:一台能量为2.5 GeV的电子直线加速器(包括正电子源)和一个由双环组成的储存环(见下图)。BEPCII运行的主要任务是为高能物理实验和同步辐射应用提供稳定和可靠的束流,同时,也要通过不断的努力提高对撞亮度并使之达到设计指标。

  • 中国散裂中子源工程建设

近二十年来,利用中子散射技术开展物质结构的多学科研究已成为国际上极具潜力的发展方向,特别是在基于强流质子加速器的散裂中子源发展起来以后,更是吸引了主要科技发达国家的注意。国家发展和改革委员会在20089月正式批准了中国散裂中子源工程的立项装置投资16.7亿元,装置所在地政府广东省和东莞市另提供配套经费5亿元,并无偿提供1000亩土地和七通一平基础建设条件。高能所作为法人单位与中科院物理所合作承担了该项目的设计和建造任务。CSNS一期工程计划建造一台80MeV的负氢离子直线加速器后接一台1.6GeV的快循环同步加速器,重复频率为25Hz,平均束流功率达到100kW,用于轰击重元素靶,通过散裂过程得到通量达到2.5×1016 n/cm2/s的中子,再经过慢化后传输到最多达20台的中子散射谱仪上进行中子散射实验,并可以开展基于质子束本身、白光中子源和µ子源的应用。CSNS为多期建设的工程,设计时预留可将平均束流功率提升到200kW 甚至500kW 的升级空间,这也将是国际上前三、四名的水平,一期工程预计2018年建成。(参见:http://csns.ihep.ac.cn/

CSNS加速器是一台高功率质子加速器,是国内设计和建造的第一台大型质子加速器,无论在加速器物理还是关键加速器技术上都有很多挑战,特别是快循环同步加速器相关的技术在国际上也是很有挑战性的。加速器中心承担CSNS加速器的全部设计和建造任务。

  •  ADS先导专项高功率质子加速器的建设 

ADS先导专项是中国科学院组织针对我国核能可持续发展中“核废料安全处置”的瓶颈问题提出来的并组织实施的国家科技战略先导项目,由中科院的3个研究所(近代物理研究所、高能物理研究所和等离子体物理研究所)为主以及其它多个研究所和大学共同承担。ADS嬗变核废料是一种非常先进的技术路线,目前国际上仍处在研究阶段,很多关键技术问题有待解决,需要通过长期的努力才能实现。ADS先导专项的总体目标是,到2032年左右,建成具有安全性、经济性和可持续发展的ADS嬗变示范系统,使我国先进核能领域的自主创新能力进入世界领先行列。专项第一阶段(2011-2015)重点开展ADS嬗变系统相关的强流质子加速器、铅铋冷却反应堆和铅铋靶系统等的关键技术研究,并开展ADS嬗变系统原型装置的设计研究和评估,同时将建立加速器、核物理、反应堆工程、放射化学、核能材料科学等公共研究平台及配套设施。(参见http://ads.ihep.ac.cn/

ADS质子加速器是一台高流强、中等能量的质子直线加速器,它基于超导加速结构,连续波运行。因为它具有极高的束流功率并且需要极高的运行可靠性,比目前国际加速器界所能达到的水平要高出很多,需要通过大量的预制研究来开发其中的很多关键性技术,如CW型的RFQ加速器、低β超导腔和中β超导腔、由多个超导腔和聚焦元件等组成的大型低温恒温器、关键性元件失效的快速诊断和调整技术、大规模高功率固态功率源等。加速器物理也与传统的脉冲型直线加速器很不相同,它特别强调了冗余设计和在线快速补偿,以满足加速器的极高可靠性要求,对束流的控制精确度也有很高的要求,以达到非常低的束流损失率。加速器中心负责ADS加速器的2台注入器预研方案之一(注入器I)和主加速器的设计和研制。

  • 北京先进光源的设计和预研

同步辐射光源影响科学技术发展的广度和深度是迄今为止任何一种其他科学装置所不能企及的,已得到科技界和各国政府的广泛认同。进入二十一世纪以来,我国迅速发展的科研体量和迅速提高的科研水平,对高性能的同步辐射专用光源提出了越来越多的需求,以开展多学科的科学研究。上海光源成功建设并取得了很好的研究成果,进一步促进了人们对建设新的高性能光源的兴趣。从地域因素来看,中国幅员广阔,也需要支撑科学研究的同步辐射装置具有合理的分布,最大限度地满足各地用户的需求。基于上述原因,在北京地区建设一台能量为5GeV,发射度为1nm-rad的高性能、高能量、高亮度同步辐射装置北京先进光源(BAPS),已获得国内科技界的认可。BAPS的设计性能将优于世界上已有的和正在建设的第三代同步辐射光源,并在较大程度上可以与世界上现有的ESRFAPSSpring-83个高能光源进行比较,最高可用X射线能量达300keVBAPS在待建的国家重大科学工程中具有最高的优先级,预计在十三五期间启动工程建设。

BAPS包括四个主要部分:一台能量为250MeV电子直线加速器,一台把束流从250MeV加速到5GeV的增强器,一台5GeV的电子储存环,以及几十条束线和相应的实验装置。直线加速器和增强器位于储存环内侧,其环外则保留了今后发展硬X射线自由电子激光和ERL等先进光源的余地。未来北京先进光源示意图如下所示。加速器中心负责BAPS加速器的设计、预研和今后的工程建设任务。

  •  基于能量回收型直线加速器的自由电子激光项目(ERL-FEL)前期预研

 基于高能量直线加速器的自由电子激光(X-ray Free Electron Laser,简称XFEL)和基于能量回收型直线加速器(Energy Recovery Linac,简称ERL)的光源,同属于第四代光源。高能所成立了ERL-FEL研究组以开展相关的前期研究,并提出了基于超导直线加速器同时用于XFELERL的“一机两用”设想,期望其能作为北京光源将来向第四代光源发展的方向之一。由于ERLXFEL涉及一系列加速器物理和技术的前沿,包括多股束流的汇合、分离和小发射度的束流性能的保持等加速器物理问题,以及小发射度光阴极电子枪、连续波运行的超导高频腔、高精度定时和同步、束流诊断和插入件等加速器技术问题。为了有效地开展ERL-FEL前期的技术积累和关键样机的研制,加速器中心提出了ERL-FEL试验装置的设计和建设,如下图所示。它由两台电子束注入器、一台 35MeV超导直线加速器、两个TBA磁铁结构和一台1.5m长波荡器构成。

 

4)主要研究方向和重点发展的技术 

加速器物理的创新性研究

除了服务于大型加速器工程的加速器物理设计和研究外,加速器中心也开展一些加速器物理的自由探索,发展我国自己的加速器理论和加速器研究计算机程序,对提高高能所的加速器理论水平和对国际上加速器物理学科的发展做出我们的贡献。 

新加速原理的研究

激光等离子体加速是一种新型的加速原理,其加速梯度可以达到传统射频加速结构的1000倍以上。基于超短超强脉冲的激光尾波场加速器具有尺寸小,造价低,建设周期短,运行费用少等优点。随着激光技术的不断发展,脉宽更短、聚焦功率密度更大的激光器不断涌现,这使利用激光等离子体相互作用产生高能粒子源、新型辐射源成为可能。加速器中心也积极参加这项研究的国内外合作。 

超导射频技术的研究

超导射频技术是未来加速器技术发展的一个极为重要的方向,无论是电子型加速器还是质子/离子型加速器,无论是直线加速器还是环形加速器都依重于超导射频技术的发展。我们目前所承担的几个加速器工程也需要和将需要超导射频技术的支持。我们将通过既结合于大科学工程的建设也相对独立地发展相关的基础技术的方法来在高能所发展超导射频技术。 

超导磁铁技术的研究

超导磁铁在加速器中的应用越来越普遍,尤其在高能加速器中更是不可或缺的。还有一些特殊的组合型超导磁铁如对撞区超导磁铁,需要将不同的多极磁场线圈绕在同一个支撑管道上。超导磁铁技术的发展研究包括:磁场计算方法、线圈绕制工艺、导线定位与固定、环氧固化、低温测试、磁场测量、数字失超保护系统及自动绕线机等。 

高亮度电子枪技术的研究

高亮度电子枪是ERL核心设备之一,其品质基本决定了整个 ERL 的束流品质。光阴极直流高压电子枪 DC–Gun)在加速电压足够高时(≥ 500 kV),有利于克服空间电荷效应,确保束流的小发射度。同时,采用高重复频率、短脉冲激光入射到高量子效率的半导体光阴极上,可产生高平均流强和短束长的电子束。光阴极DC–Gun在国外多个ERLFEL项目中均是技术攻关的重点,加速器中心也在所创新基金的支持下积极开展这项研究工作。 

新型微波加速结构的研究

加速器中心在常温电子直线行波加速结构的研究方面具有国际先进水平,包括对新型加速结构的探索和研究。从结构形式上研究对称耦合和非对称耦合的加速结构,也进行偏转腔和边耦合腔的加速结构研究;从工作频段上,研究X-波段、C-波段、S-波段和L-波段的加速结构。 

正电子源技术的研究

国际直线对撞机(ILC)正电子源是ILC国际合作组目前重点开展的预研项目之一。由于其技术上的困难和重要性,至今技术路线也没最终确定。除了作为基本方案的基于波荡器的极化正电子源外,基于Compton背散射的极化正电子源也作为备份,两条技术路线在并行地开展。加速器中心积极参与国际合作,重点开展Compton背散射正电子源的实验研究和理论研究工作。 

束流测量技术的发展

束流测量技术涉及了精密机械、快慢电子学、光学、微波、真空以及加速器物理等多种学科。现代加速器如第四代光源、国际直线对撞机、强流质子加速器等向着低发射度、短束长以及强流等方向发展,它们对束测技术的高要求以及依赖现代工业和科技的进步,推动了束测技术的快速发展,具体体现在激光技术、宽带高频快电子学技术以及无阻拦探测技术和各种反馈技术在束测领域的应用和快速发展。 

磁场测量技术的发展

磁场测量技术主要包括霍尔点测技术、旋转线圈测量技术、平移线圈测量技术和张力线测量技术,也包括稳态磁场和交流磁场的测量。加速器的发展对磁铁的设计和制作的精度要求越来越高,因此磁场测量技术也必须不断向高精度、高稳定度的方向发展。研究提高磁场测量精度的措施如探头的精度、数据采集系统的精度、探头的运动精度和空间定位精度等,以及提高磁场测量稳定性的措施如实验室温度、冷却水温度和磁测电源的稳定性等。

5)各专业组的主要研究课题 

  • 加速器物理

  BEPCII稳定运行和对撞亮度提高中的储存环物理问题研究

  BEPCII电子直线加速器的物理问题研究

  CSNS质子直线加速器中的物理设计和研究

  CSNS快循环同步加速器中的物理设计和研究

  ADS超导直线加速器的物理设计和研究

  BAPS加速器的物理设计和研究

  ERL加速器物理设计

  国际直线对撞机ILC中的物理设计和研究

  包括新加速原理在内的加速器物理前沿课题研究 

  • 射频技术

  各种类型超导腔(BEPCIIADSILC)的运行、研制和超导实验室建设

  电子直线加速器常温加速结构的研究

  电子直线加速器电真空功率源的研究(脉冲和连续波)

  固态功率源的研究(脉冲和连续波)

  数字低电平控制系统的研究(脉冲和连续波,不同加速结构,电子和质子)

  RFQ射频腔的研究(脉冲和连续波)

   质子直线加速器射频腔(DTL)的研究

  质子直线加速器射频功率源的研究

  快循环同步加速器铁氧体加载腔的研究

  快循环同步加速器射频发射机的研究

  功率传输系统(功率耦合器、同轴线和波导、环形器)的研究

  射频和微波测量技术研究 

  • 电源技术

  谐振网络型电源(怀特电源)技术

  快速变化的线性电源

  高精度、大电流直流稳流电源

  高压大功率脉冲电源

  开关型稳流电源

  高电压和大电流的精密测量技术

  数字电源技术 

  • 磁铁技术

  各种常规磁铁、注入引出特种磁铁

  用于同步辐射的扭摆磁铁、波荡器

  快循环谐振磁铁

  超导磁铁技术

  磁场测量技术 

  • 真空技术

  压强低于10-9Pa的超高真空获取

  超高真空测量、检漏技术

  大型陶瓷真空管道及 RF 屏蔽的制造工艺

  低二次电子发射涂层(TiN)的工艺研究

  低阻抗真空盒、真空部件的研究

  • 计算机及控制技术

  控制系统体系结构和系统集成技术的研究

  智能前端控制器和现场总线技术

  数据库技术

  网络通信技术

  高精度定时触发技术 

  • 束流测量与诊断技术

  新的测量原理和技术

  微弱信号检测和快脉冲电子学

  各种束流参数和特性的测量技术

  束流反馈技术 

  • 低温技术

  低温制冷技术

  低温恒温器技术

  低温传输技术

  低温分配技术

  低温控制技术 

  • 机械设计与准直测量

  各种复杂结构的加速器部件机械结构设计与研制

  远控卸装技术

  构成大系统的加速器设备准直测量技术 

  • 剂量监测与辐射防护

  辐射场分析及辐射屏蔽设计

  场所、环境辐射剂量监测及个人剂量监测

  人身安全联锁保护技术

  感生放射性研究

  加速器环境影响评价

6)与国内外加速器实验室的合作 

加速器中心与国外许多著名的加速器实验室保持着密切的合作关系,如 SLACORNLBNLFNALLBNLANLJLABCERNDESYIN2P3INFNRALKEKJ-PARCKAERI等等。经常性派遣科研人员和研究生去这些实验室进行学术交流和进修,也通过合作方式承担这些实验室的一些课题;同时,也邀请许多国际加速器专家担任我们工程项目的评审专家和顾问,以及邀请国际加速器界的同行来访、开展学术交流。

在国内,除了与兄弟研究所或大学开展形式多样的学术交流和互相帮助外,近期,加速器中心还重点与中科院近代物理研究所合作承担ADS先导专项高功率质子加速器的设计、预研和建造工作。

参与 ILC 国际直线对撞机的国际合作,在总体设计、阻尼环设计、束流动力学、超导加速腔技术和正电子源技术等多方面参与设计和合作。

在国际合作技术开发项目中,承担并完成了韩国同步辐射加速器加速管,美国 SSCPEP-IISPEAR3NSLS-II和日本KEKBATF2J-PARC的磁铁设计和磁场测量,目前承担了乌克兰KIPT的能量为100 MeV和平均流强为1 mA的高功率电子直线加速器以及德国EXFL大型恒温器的批量制造。

与国内的一些国家实验室和科研机构及大学开展合作和承担横向委托项目,如上海光源工程、合肥光源升级工程、兰州重离子加速器冷却储存环工程中一些设备的设计和制造。

 


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