北京正負電子對撞機(BEPC)是我國第一臺基于高能加速器的重大科技基礎設施,是“我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后,在高科技領域又一重大突破性成就”,“為我國粒子物理和同步輻射應用開辟了廣闊前景,揭開了我國高能物理研究的新篇章”。改造后的北京正負電子對撞機(BEPCII)是粲物理能區(qū)國際領先的雙環(huán)對撞機,在其建設過程中,高能所堅持以自主創(chuàng)新為主,并與國際先進技術相結合,實現(xiàn)了高水平的集成創(chuàng)新,自主研制的設備超過85%,有力地推動了國內加速器、探測器等高技術的發(fā)展。
BEPCII的建造，帶動了多項加速器技術的發(fā)展和應用，包括高頻微波技術、超導低溫技術、機械技術、真空技術、控制技術、束流測量技術、磁鐵技術、電源技術、輻射防護技術等，將這些技術及相關工藝提高到國際先進水平，一方面在后續(xù)的大科學裝置如中國散裂中子源（CSNS），加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）中得到很好應用，另一方面也大大促進了相關工業(yè)技術水平的提高。
(1) 超導高頻技術
BEPCII儲存環(huán)超導高頻系統(tǒng)是國內加速器界首個投入運行的超導高頻系統(tǒng)。2003年系統(tǒng)建設時期,該系統(tǒng)所采用的499.8MHz超導高頻腔、250kW大功率速調管、高功率輸入耦合器、高次模吸收器、調諧器等重要部件,只能通過進口或聯(lián)合研制的方式獲得。經(jīng)過工程建設和運行實踐，高能所科技人員基本掌握了這種高科技設備的使用與維護,并開展了重要部件的自主設計研制,成功研制出了若干關鍵部件。這些部件的研制大大提高了科研水平,擺脫了進口依賴,節(jié)約了大量外匯,帶動了國內相關企業(yè)的技術進步。
>> 499.8MHz超導高頻腔。2013年自主研制成功的超導高頻腔備用腔性能指標達到當時國際同類腔的先進水平，2017年正式在BEPCII上使用，成為國內首個在用戶裝置上運行的超導高頻腔。超導高頻腔的自主研制成功標志著我國已經(jīng)在此領域占有了一席之地，打破了西方先進技術的長期壟斷。未來高能同步輻射光源（HEPS）也將采用自行研制的超導高頻腔及其配套設備。
>> 高功率輸入耦合器。自主研制的高功率輸入耦合器在日本測試時，功率達到了連續(xù)波的420kW，位于當時國際先進水平，該類型耦合器已應用于ADS先導專項和BEPCII正在運行的超導高頻腔上，還可應用于ILC、HEPS，以及CEPC等未來加速器所需的超導高頻系統(tǒng)。
>> 高次模吸收器。吸收高次模功率4.4kW以上，吸收效率達到60%以上，達到當時國際先進水平。
>> 調諧器。不僅用于BEPCII的高頻系統(tǒng)，還可用于ILC、CEPC等超導加速器。
(2) 束流測量技術
束流測量系統(tǒng)是加速器的重要組成部分之一，被稱作加速器的“眼睛”。它由各種精密束流探頭、信號處理電子學、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，涉及到機、電、光、微波、真空以及加速器物理等多種學科。束流測量系統(tǒng)采用了許多先進技術，主要創(chuàng)新之處包括：
>> 國內首次實現(xiàn)逐束團的束團流強測量（采用長距離光纖映射內存共享技術）。
>> 國內首次實現(xiàn)逐束團束流橫向反饋控制。
>> 國內首次實現(xiàn)逐束團束流縱向反饋控制。
>> 國內獨家采用8電極BPM同時測量正、負電子束流位置的研究。
>> 國際上首次采用PIN光二極管型束損探測系統(tǒng)研究對撞機探測器的本底。
這其中除了高速、寬帶信號處理電子學依賴于進口以外，大量的高精密、高真空束測機械探頭都是在國內研制成功，高能所同國內廠家共同攻關，使得我國在高真空機械加工方面跟上了世界先進步伐。
(3) 真空技術
真空系統(tǒng)除了常規(guī)的真空盒設計加工外，真空盒內表面鍍膜技術在BEPCII的建設期間得到了發(fā)展。BEPCII正電子環(huán)真空盒內表面需鍍約100nm厚的氮化鈦膜。國內沒有鍍膜廠家曾在真空盒內表面鍍過氮化鈦，廠家試制費用很高。而國外也只有美國SLAC和BNL實驗室分別用直流濺射法和直流磁控濺射法在PEP-II和SNS真空盒內表面鍍過氮化鈦。與PEP-II和SNS的真空盒相比，BEPCII儲存環(huán)真空盒孔徑小、彎轉弧度大，因而在真空盒內表面鍍氮化鈦更具挑戰(zhàn)性。高能所充分借鑒國外加速器真空盒內表面鍍氮化鈦的成功經(jīng)驗，自行設計、研制了真空盒內表面鍍氮化鈦實驗裝置，摸索出一套合理的鍍膜工藝參數(shù)和操作規(guī)范，為真空盒的批量鍍膜奠定了基礎，最終BEPCII儲存環(huán)正電子環(huán)真空盒內表面鍍氮化鈦的質量達到了國際同類裝置的水平。
用直流濺射法在彎轉鋁真空盒內表面鍍氮化鈦技術填補了國內空白，并為中國散裂中子源陶瓷真空盒內表面成功地鍍氮化鈦打下了基礎。
對撞區(qū)銅真空盒及BPM的焊接，特別是鎳銅與無氧銅的焊接非常困難，高能所在工程建設過程中所積累的焊接工藝和經(jīng)驗是一種寶貴的財富，為其他領域的焊接提供了豐富的經(jīng)驗。
(4) 控制技術
EPICS系統(tǒng)是80年代末美國LANL和ANL實驗室聯(lián)合開發(fā)的一個開源軟件包，用于構建分布式控制系統(tǒng)的體系結構，提供軟件開發(fā)運行環(huán)境，是先進的控制系統(tǒng)集成工具。國際上有100多家實驗室、大學、研究機構的項目使用EPICS系統(tǒng)，包括加速器控制系統(tǒng)、高能物理實驗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、射電天文望遠鏡和工業(yè)過程控制系統(tǒng)等，如美國的LANL、ANL/APS、SLAC/Spear-3、BNL/NSLS-II、FNAL/D0、JLAB/CEBAF、ORNL/SNS、LBNL/ALS、加拿大TRIUMF、歐洲的PSI/SLS、HZB/BESSY-II、DLS/Diamond，DESY、澳大利亞光源AS、日本KEK/KEKB和韓國的PAL/PLS等。
BEPCII控制系統(tǒng)基于EPICS進行開發(fā)，系統(tǒng)總體性能達到國際先進水平。其成功研發(fā)，提高了系統(tǒng)的標準化程度和可靠性，是EPICS在我國應用的典型范例，得到了國外專家的好評。系統(tǒng)建造中取得了具有創(chuàng)新性的成果，主要有：
1)首次在國內建成了采用VME IOC和標準模型的EPICS控制系統(tǒng)；2)采用先進的PSC/PSI接口部件建成了磁鐵電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了PSC/PSI模塊的國產(chǎn)化；3)建成了國內第一個投入運行的事件定時系統(tǒng)；4)建成了國內首個加速器超導低溫控制系統(tǒng)；5)研發(fā)了具有動態(tài)數(shù)據(jù)導入和查詢功能的Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。上述工作全部納入了EPICS體系。
高能所還致力于EPICS在中國的推廣應用。目前,我國的BEPCII,合肥同步輻射光源NSRL、上海光源SSRF、中國散裂中子源CSNS、ADS先導專項質子直線加速器等大科學工程的加速器控制系統(tǒng)都采用了EPICS系統(tǒng)。中國工程物理研究院流體物理所、中國工程物理研究院應用電子研究所、清華大學工程物理系、哈工大、科院蘭州近物所等越來越多的國內實驗室和大學加入了EPICS研究的行列。
(5) 注入相關技術
BEPCII注入沖擊磁鐵采用了一種國際首創(chuàng)的新型的沖擊磁鐵設計方案,這種方案利用制作在陶瓷板表面上的寬34mm的金屬膜,不僅為束流鏡像電流提供通路,減小了束流阻抗,而且可以使磁鐵的脈沖磁場基本無衰減無畸變的通過,確保了場的均勻性。BEPCII新型的沖擊磁鐵匯聚了快脈沖磁場、高壓、真空和束流物理等方面的難題,研制過程極具挑戰(zhàn)性,在研制過程中發(fā)展的一些關鍵技術,對后續(xù)的加速器工程和其它相關領域,具有很重要的借鑒意義。
1)大尺寸陶瓷板的制造技術。與中國科學院上海硅酸鹽研究所合作攻關,在此過程中形成的大型陶瓷板燒結和加工工藝為國內生產(chǎn)同類產(chǎn)品,如CSNS工程RCS引出沖擊磁鐵陶瓷板,提供了寶貴的經(jīng)驗。
2)大型陶瓷板鍍膜技術。采用制作精細釉膜電阻的方法制作陶瓷板導電膜,這種方法非常適合制作大塊陶瓷板上的高精度、高穩(wěn)定度的導電膜,具有重要的應用價值。
3)高壓真空穿墻件焊接技術。高壓真空穿墻件的主要技術難點是高壓絕緣和真空密封。BEPCII注入沖擊磁鐵在國內首次實現(xiàn)了無氧銅電極和陶瓷的焊接,不僅使電極的加工難度降低,而且焊接性能好,成功率高。這種在導體材料選用上的突破對于降低高壓真空穿墻件的研制難度和造價意義重大,對于國內電真空技術的發(fā)展具有促進作用。
4)BEPCII注入沖擊磁鐵電源,主要采用的創(chuàng)新技術有平衡變壓器技術、閘流管逆弧抑制技術、雙脈沖觸發(fā)器和時間漂移調節(jié)器,這些技術發(fā)展了加速器注入引出快脈沖kicker技術,對CSNS工程和即將建設的HEPS工程具有重要的借鑒意義。
5)平衡變壓器技術。BEPCII注入沖擊磁鐵電源采用平衡變壓器技術成功地解決了slotted-pipe型沖擊磁鐵的雙極性供電問題,大大簡化了電路結構。平衡變壓器是一種從不平衡電路到平衡電路的轉換裝置,在信號傳輸技術中應用十分廣泛。平衡變壓器的研制工作、設計理論和分析方法為將來類似的設計工作提供重要的參考依據(jù),同時也為國內磁性材料的生產(chǎn)商提供了其產(chǎn)品在1MHz工作頻率下的寶貴實驗數(shù)據(jù)。
6)閘流管逆弧抑制技術。BEPCII注入沖擊磁鐵電源采取了阻尼電阻、飽和電抗器來解決閘流管逆弧問題,這種技術目前已用于CSNS/RCS引出kicker電源上。
7)閘流管觸發(fā)器。自行研制的雙脈沖閘流管觸發(fā)器,實現(xiàn)了設備國產(chǎn)化,為工程節(jié)省了經(jīng)費,并可直接應用于以閘流管作為開關的工程項目中。
(6) 低溫技術
低溫技術是BEPCII采用的重要技術之一。BEPCII低溫系統(tǒng)采用了當今世界上最先進的低溫與超導技術,在國內加速器上首次大規(guī)模地采用了超導腔、超導插入磁鐵和超導探測器磁鐵技術,以及相應的氦低溫制冷技術。通過BEPCII低溫系統(tǒng)的建設,高能所逐步建成了初具規(guī)模的實驗室,具備了開展低溫超導技術工程應用和研究的條件。
BEPCII低溫技術推廣及實際應用的主要項目包括:BEPCII備用超導腔恒溫器的研制、歐洲硬X射線自由電子激光(EXFEL)大型低溫恒溫器關鍵技術研究、BEPCII插入磁鐵備用電流引線塔的設計和制造,同時這些技術還在ADS先導項目的注入器I低溫系統(tǒng)、CSNS低溫系統(tǒng)、1.3 GHz超導加速組元和通用水平測試臺低溫恒溫器研制上得到充分的應用等等。
BEPCII建設過程中還發(fā)展了機械技術、電源技術、磁鐵系統(tǒng)技術,這些技術在基礎科研領域及經(jīng)濟、醫(yī)學、能源等方面都發(fā)揮了重要作用。
核探測技術與核電子學是粒子物理、核物理、粒子天體物理等學科的基礎,為這些學科開展實驗研究提供必備的方法與手段。同時這些技術方法與手段在國民經(jīng)濟、核醫(yī)學、核能源等方面也有重要應用，起著重要與不可替代的作用。
在BEPCII/BESIII工程建設過程中,核探測技術與核電子學系統(tǒng)走上了國際前沿,有了很大的突破和發(fā)展。成功建造完成了具有國際先進水平的CsI(Tl)晶體電磁量能器、小單元氦基氣體主漂移室、高精度飛行時間探測器、RPC μ子探測器等新型探測器裝置,以及讀出電子學系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。對“核探測技術與核電子學”學科的發(fā)展起到了積極的推動作用。積累的大量探測器、電子學以及觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設計經(jīng)驗,帶動了國內相關研究領域的發(fā)展,為建設創(chuàng)新型國家進一步作出貢獻。
北京譜儀III-超導磁體
高能所自主研制了北京譜儀III的大型超導磁體,是我國單體最大的超導磁體,內徑2.75米、長度3.9米、中心磁場1萬高斯。利用研制過程中掌握的一系列關鍵技術,開展了技術成果轉化并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
2009年,研制成功國內首臺工業(yè)現(xiàn)場使用大型超導磁體——超導除鐵器,用于除去混雜到煤炭中的鐵磁性雜物。2010年,研制成功場強為1.5特斯拉的人體核磁共振成像超導磁體,作為核心關鍵部件,促進了國內核磁共振成像整機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升。
2012年，研制成功世界首臺5.5特斯拉零揮發(fā)低溫超導磁選機。采用新的技術，大幅降低了液氦運行費，提高了磁選效率，技術性能達到國際領先水平。
超導磁選機成功走出生產(chǎn)線
(1) 核成像技術
核成像是以探測放射性射線的位置與能量為基礎的成像技術，高能所以精密檢測和分子影像作為核成像技術重點發(fā)展方向，開展核成像基礎研究、核心技術攻關和系統(tǒng)研制，以創(chuàng)新技術和先進設備服務社會、工業(yè)發(fā)展和人民健康。
在分子影像技術方面，高能所是國內最早開展分子影像技術研究和設備研制的單位之一。先后研制成功用于科學研究的動物PET、動物PET/CT、動物SPECT/CT和用于臨床診斷的乳腺PET、乳腺SPECT、乳腺CT、新型人體全身PET等自主知識產(chǎn)權的分子影像設備，并以自主研制的分子影像設備為基礎建立了分子影像研究平臺，提供開放服務。在應用加速器技術方面，高能所利用在大科學裝置建造與運行過程中所掌握的先進加速器技術，成功研制了多種類型、多種用途的電子加速器，應用于輻射加工、射線檢測、放射治療等領域。在精密檢測技術方面，高能所成功研制了多種類型的射線成像系統(tǒng)及關鍵部件，形成了完整的射線成像設備產(chǎn)品體系。在核安全檢查技術方面,高能所針對關鍵安全、環(huán)境健康等領域的需求,開展了射線成像的關鍵技術研究、核心部件研制和設備系統(tǒng)開發(fā)，成果研制了我國首套基于編碼孔徑成像技術核輻射成像設備，開發(fā)了一系列針對不同應用領域的手持式、車載式、便攜式、全景式核輻射成像系統(tǒng)，建立了手段全面、性能先進、獨具特色的核輻射成像探測平臺。
乳腺PET
(2) 輻射防護技術
BEPCII輻射防護技術主要包括劑量監(jiān)測、人身安全聯(lián)鎖、屏蔽計算、活化監(jiān)測與分析等。在BEPCII建設過程中,輻射防護系統(tǒng)也進行了全面的技術升級改造。更加完善的防護需求使屏蔽計算及活化分析方法有了長足的進步,也推動了一批相關企業(yè)的技術發(fā)展與進步。
相關廠家在完成BEPCII人身安全聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的基礎上將其應用到了公安部大樓、新浪等項目中,為其取得了良好的經(jīng)濟效益與發(fā)展。并為SSRF(上海光源)人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計提供了重要參考和有益經(jīng)驗,同時對CSNS、ADS、未來高能同步輻射光源(HEPS)的輻射防護屏蔽及人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設計都有著重要的借鑒和指導意義。
