北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC)是我國(guó)第一臺(tái)基于高能加速器的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,是“我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后,在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”,“為我國(guó)粒子物理和同步輻射應(yīng)用開辟了廣闊前景,揭開了我國(guó)高能物理研究的新篇章”。改造后的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCII)是粲物理能區(qū)國(guó)際領(lǐng)先的雙環(huán)對(duì)撞機(jī),在其建設(shè)過(guò)程中,高能所堅(jiān)持以自主創(chuàng)新為主,并與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了高水平的集成創(chuàng)新,自主研制的設(shè)備超過(guò)85%,有力地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)加速器、探測(cè)器等高技術(shù)的發(fā)展。
BEPCII的建造，帶動(dòng)了多項(xiàng)加速器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，包括高頻微波技術(shù)、超導(dǎo)低溫技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、真空技術(shù)、控制技術(shù)、束流測(cè)量技術(shù)、磁鐵技術(shù)、電源技術(shù)、輻射防護(hù)技術(shù)等，將這些技術(shù)及相關(guān)工藝提高到國(guó)際先進(jìn)水平，一方面在后續(xù)的大科學(xué)裝置如中國(guó)散裂中子源（CSNS），加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（ADS）中得到很好應(yīng)用，另一方面也大大促進(jìn)了相關(guān)工業(yè)技術(shù)水平的提高。
(1) 超導(dǎo)高頻技術(shù)
BEPCII儲(chǔ)存環(huán)超導(dǎo)高頻系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)加速器界首個(gè)投入運(yùn)行的超導(dǎo)高頻系統(tǒng)。2003年系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期,該系統(tǒng)所采用的499.8MHz超導(dǎo)高頻腔、250kW大功率速調(diào)管、高功率輸入耦合器、高次模吸收器、調(diào)諧器等重要部件,只能通過(guò)進(jìn)口或聯(lián)合研制的方式獲得。經(jīng)過(guò)工程建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐，高能所科技人員基本掌握了這種高科技設(shè)備的使用與維護(hù),并開展了重要部件的自主設(shè)計(jì)研制,成功研制出了若干關(guān)鍵部件。這些部件的研制大大提高了科研水平,擺脫了進(jìn)口依賴,節(jié)約了大量外匯,帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
>> 499.8MHz超導(dǎo)高頻腔。2013年自主研制成功的超導(dǎo)高頻腔備用腔性能指標(biāo)達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際同類腔的先進(jìn)水平，2017年正式在BEPCII上使用，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)在用戶裝置上運(yùn)行的超導(dǎo)高頻腔。超導(dǎo)高頻腔的自主研制成功標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)在此領(lǐng)域占有了一席之地，打破了西方先進(jìn)技術(shù)的長(zhǎng)期壟斷。未來(lái)高能同步輻射光源（HEPS）也將采用自行研制的超導(dǎo)高頻腔及其配套設(shè)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(cè)試時(shí)，功率達(dá)到了連續(xù)波的420kW，位于當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平，該類型耦合器已應(yīng)用于ADS先導(dǎo)專項(xiàng)和BEPCII正在運(yùn)行的超導(dǎo)高頻腔上，還可應(yīng)用于ILC、HEPS，以及CEPC等未來(lái)加速器所需的超導(dǎo)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(dá)到60%以上，達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平。
>> 調(diào)諧器。不僅用于BEPCII的高頻系統(tǒng)，還可用于ILC、CEPC等超導(dǎo)加速器。
(2) 束流測(cè)量技術(shù)
束流測(cè)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(hào)處理電子學(xué)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，涉及到機(jī)、電、光、微波、真空以及加速器物理等多種學(xué)科。束流測(cè)量系統(tǒng)采用了許多先進(jìn)技術(shù)，主要?jiǎng)?chuàng)新之處包括：
>> 國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)逐束團(tuán)的束團(tuán)流強(qiáng)測(cè)量（采用長(zhǎng)距離光纖映射內(nèi)存共享技術(shù)）。
>> 國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)逐束團(tuán)束流橫向反饋控制。
>> 國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)逐束團(tuán)束流縱向反饋控制。
>> 國(guó)內(nèi)獨(dú)家采用8電極BPM同時(shí)測(cè)量正、負(fù)電子束流位置的研究。
>> 國(guó)際上首次采用PIN光二極管型束損探測(cè)系統(tǒng)研究對(duì)撞機(jī)探測(cè)器的本底。
這其中除了高速、寬帶信號(hào)處理電子學(xué)依賴于進(jìn)口以外，大量的高精密、高真空束測(cè)機(jī)械探頭都是在國(guó)內(nèi)研制成功，高能所同國(guó)內(nèi)廠家共同攻關(guān)，使得我國(guó)在高真空機(jī)械加工方面跟上了世界先進(jìn)步伐。
(3) 真空技術(shù)
真空系統(tǒng)除了常規(guī)的真空盒設(shè)計(jì)加工外，真空盒內(nèi)表面鍍膜技術(shù)在BEPCII的建設(shè)期間得到了發(fā)展。BEPCII正電子環(huán)真空盒內(nèi)表面需鍍約100nm厚的氮化鈦膜。國(guó)內(nèi)沒有鍍膜廠家曾在真空盒內(nèi)表面鍍過(guò)氮化鈦，廠家試制費(fèi)用很高。而國(guó)外也只有美國(guó)SLAC和BNL實(shí)驗(yàn)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(nèi)表面鍍過(guò)氮化鈦。與PEP-II和SNS的真空盒相比，BEPCII儲(chǔ)存環(huán)真空盒孔徑小、彎轉(zhuǎn)弧度大，因而在真空盒內(nèi)表面鍍氮化鈦更具挑戰(zhàn)性。高能所充分借鑒國(guó)外加速器真空盒內(nèi)表面鍍氮化鈦的成功經(jīng)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)、研制了真空盒內(nèi)表面鍍氮化鈦實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，最終BEPCII儲(chǔ)存環(huán)正電子環(huán)真空盒內(nèi)表面鍍氮化鈦的質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際同類裝置的水平。
用直流濺射法在彎轉(zhuǎn)鋁真空盒內(nèi)表面鍍氮化鈦技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并為中國(guó)散裂中子源陶瓷真空盒內(nèi)表面成功地鍍氮化鈦打下了基礎(chǔ)。
對(duì)撞區(qū)銅真空盒及BPM的焊接，特別是鎳銅與無(wú)氧銅的焊接非常困難，高能所在工程建設(shè)過(guò)程中所積累的焊接工藝和經(jīng)驗(yàn)是一種寶貴的財(cái)富，為其他領(lǐng)域的焊接提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
(4) 控制技術(shù)
EPICS系統(tǒng)是80年代末美國(guó)LANL和ANL實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)開源軟件包，用于構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提供軟件開發(fā)運(yùn)行環(huán)境，是先進(jìn)的控制系統(tǒng)集成工具。國(guó)際上有100多家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目使用EPICS系統(tǒng)，包括加速器控制系統(tǒng)、高能物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、射電天文望遠(yuǎn)鏡和工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)等，如美國(guó)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(guó)的PAL/PLS等。
BEPCII控制系統(tǒng)基于EPICS進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)總體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。其成功研發(fā)，提高了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度和可靠性，是EPICS在我國(guó)應(yīng)用的典型范例，得到了國(guó)外專家的好評(píng)。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(guó)內(nèi)建成了采用VME IOC和標(biāo)準(zhǔn)模型的EPICS控制系統(tǒng)；2)采用先進(jìn)的PSC/PSI接口部件建成了磁鐵電源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PSC/PSI模塊的國(guó)產(chǎn)化；3)建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)投入運(yùn)行的事件定時(shí)系統(tǒng)；4)建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)加速器超導(dǎo)低溫控制系統(tǒng)；5)研發(fā)了具有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入和查詢功能的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)的推廣應(yīng)用。目前,我國(guó)的BEPCII,合肥同步輻射光源NSRL、上海光源SSRF、中國(guó)散裂中子源CSNS、ADS先導(dǎo)專項(xiàng)質(zhì)子直線加速器等大科學(xué)工程的加速器控制系統(tǒng)都采用了EPICS系統(tǒng)。中國(guó)工程物理研究院流體物理所、中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子研究所、清華大學(xué)工程物理系、哈工大、科院蘭州近物所等越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)加入了EPICS研究的行列。
(5) 注入相關(guān)技術(shù)
BEPCII注入沖擊磁鐵采用了一種國(guó)際首創(chuàng)的新型的沖擊磁鐵設(shè)計(jì)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(chǎng)基本無(wú)衰減無(wú)畸變的通過(guò),確保了場(chǎng)的均勻性。BEPCII新型的沖擊磁鐵匯聚了快脈沖磁場(chǎng)、高壓、真空和束流物理等方面的難題,研制過(guò)程極具挑戰(zhàn)性,在研制過(guò)程中發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù),對(duì)后續(xù)的加速器工程和其它相關(guān)領(lǐng)域,具有很重要的借鑒意義。
1)大尺寸陶瓷板的制造技術(shù)。與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所合作攻關(guān),在此過(guò)程中形成的大型陶瓷板燒結(jié)和加工工藝為國(guó)內(nèi)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(yàn)。
2)大型陶瓷板鍍膜技術(shù)。采用制作精細(xì)釉膜電阻的方法制作陶瓷板導(dǎo)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(dǎo)電膜,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
3)高壓真空穿墻件焊接技術(shù)。高壓真空穿墻件的主要技術(shù)難點(diǎn)是高壓絕緣和真空密封。BEPCII注入沖擊磁鐵在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)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(dǎo)體材料選用上的突破對(duì)于降低高壓真空穿墻件的研制難度和造價(jià)意義重大,對(duì)于國(guó)內(nèi)電真空技術(shù)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。
4)BEPCII注入沖擊磁鐵電源,主要采用的創(chuàng)新技術(shù)有平衡變壓器技術(shù)、閘流管逆弧抑制技術(shù)、雙脈沖觸發(fā)器和時(shí)間漂移調(diào)節(jié)器,這些技術(shù)發(fā)展了加速器注入引出快脈沖kicker技術(shù),對(duì)CSNS工程和即將建設(shè)的HEPS工程具有重要的借鑒意義。
5)平衡變壓器技術(shù)。BEPCII注入沖擊磁鐵電源采用平衡變壓器技術(shù)成功地解決了slotted-pipe型沖擊磁鐵的雙極性供電問題,大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。平衡變壓器是一種從不平衡電路到平衡電路的轉(zhuǎn)換裝置,在信號(hào)傳輸技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛。平衡變壓器的研制工作、設(shè)計(jì)理論和分析方法為將來(lái)類似的設(shè)計(jì)工作提供重要的參考依據(jù),同時(shí)也為國(guó)內(nèi)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
6)閘流管逆弧抑制技術(shù)。BEPCII注入沖擊磁鐵電源采取了阻尼電阻、飽和電抗器來(lái)解決閘流管逆弧問題,這種技術(shù)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(shí)現(xiàn)了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化,為工程節(jié)省了經(jīng)費(fèi),并可直接應(yīng)用于以閘流管作為開關(guān)的工程項(xiàng)目中。
(6) 低溫技術(shù)
低溫技術(shù)是BEPCII采用的重要技術(shù)之一。BEPCII低溫系統(tǒng)采用了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的低溫與超導(dǎo)技術(shù),在國(guó)內(nèi)加速器上首次大規(guī)模地采用了超導(dǎo)腔、超導(dǎo)插入磁鐵和超導(dǎo)探測(cè)器磁鐵技術(shù),以及相應(yīng)的氦低溫制冷技術(shù)。通過(guò)BEPCII低溫系統(tǒng)的建設(shè),高能所逐步建成了初具規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室,具備了開展低溫超導(dǎo)技術(shù)工程應(yīng)用和研究的條件。
BEPCII低溫技術(shù)推廣及實(shí)際應(yīng)用的主要項(xiàng)目包括:BEPCII備用超導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)研究、BEPCII插入磁鐵備用電流引線塔的設(shè)計(jì)和制造,同時(shí)這些技術(shù)還在ADS先導(dǎo)項(xiàng)目的注入器I低溫系統(tǒng)、CSNS低溫系統(tǒng)、1.3 GHz超導(dǎo)加速組元和通用水平測(cè)試臺(tái)低溫恒溫器研制上得到充分的應(yīng)用等等。
BEPCII建設(shè)過(guò)程中還發(fā)展了機(jī)械技術(shù)、電源技術(shù)、磁鐵系統(tǒng)技術(shù),這些技術(shù)在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域及經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、能源等方面都發(fā)揮了重要作用。
核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)是粒子物理、核物理、粒子天體物理等學(xué)科的基礎(chǔ),為這些學(xué)科開展實(shí)驗(yàn)研究提供必備的方法與手段。同時(shí)這些技術(shù)方法與手段在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、核醫(yī)學(xué)、核能源等方面也有重要應(yīng)用，起著重要與不可替代的作用。
在BEPCII/BESIII工程建設(shè)過(guò)程中,核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)系統(tǒng)走上了國(guó)際前沿,有了很大的突破和發(fā)展。成功建造完成了具有國(guó)際先進(jìn)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(shí)間探測(cè)器、RPC μ子探測(cè)器等新型探測(cè)器裝置,以及讀出電子學(xué)系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。對(duì)“核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)”學(xué)科的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。積累的大量探測(cè)器、電子學(xué)以及觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展,為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家進(jìn)一步作出貢獻(xiàn)。
北京譜儀III-超導(dǎo)磁體
高能所自主研制了北京譜儀III的大型超導(dǎo)磁體,是我國(guó)單體最大的超導(dǎo)磁體,內(nèi)徑2.75米、長(zhǎng)度3.9米、中心磁場(chǎng)1萬(wàn)高斯。利用研制過(guò)程中掌握的一系列關(guān)鍵技術(shù),開展了技術(shù)成果轉(zhuǎn)化并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
2009年,研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用大型超導(dǎo)磁體——超導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)為1.5特斯拉的人體核磁共振成像超導(dǎo)磁體,作為核心關(guān)鍵部件,促進(jìn)了國(guó)內(nèi)核磁共振成像整機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升。
2012年，研制成功世界首臺(tái)5.5特斯拉零揮發(fā)低溫超導(dǎo)磁選機(jī)。采用新的技術(shù)，大幅降低了液氦運(yùn)行費(fèi)，提高了磁選效率，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
超導(dǎo)磁選機(jī)成功走出生產(chǎn)線
(1) 核成像技術(shù)
核成像是以探測(cè)放射性射線的位置與能量為基礎(chǔ)的成像技術(shù)，高能所以精密檢測(cè)和分子影像作為核成像技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向，開展核成像基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)研制，以創(chuàng)新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備服務(wù)社會(huì)、工業(yè)發(fā)展和人民健康。
在分子影像技術(shù)方面，高能所是國(guó)內(nèi)最早開展分子影像技術(shù)研究和設(shè)備研制的單位之一。先后研制成功用于科學(xué)研究的動(dòng)物PET、動(dòng)物PET/CT、動(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的分子影像設(shè)備，并以自主研制的分子影像設(shè)備為基礎(chǔ)建立了分子影像研究平臺(tái)，提供開放服務(wù)。在應(yīng)用加速器技術(shù)方面，高能所利用在大科學(xué)裝置建造與運(yùn)行過(guò)程中所掌握的先進(jìn)加速器技術(shù)，成功研制了多種類型、多種用途的電子加速器，應(yīng)用于輻射加工、射線檢測(cè)、放射治療等領(lǐng)域。在精密檢測(cè)技術(shù)方面，高能所成功研制了多種類型的射線成像系統(tǒng)及關(guān)鍵部件，形成了完整的射線成像設(shè)備產(chǎn)品體系。在核安全檢查技術(shù)方面,高能所針對(duì)關(guān)鍵安全、環(huán)境健康等領(lǐng)域的需求,開展了射線成像的關(guān)鍵技術(shù)研究、核心部件研制和設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)，成果研制了我國(guó)首套基于編碼孔徑成像技術(shù)核輻射成像設(shè)備，開發(fā)了一系列針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)、獨(dú)具特色的核輻射成像探測(cè)平臺(tái)。
乳腺PET
(2) 輻射防護(hù)技術(shù)
BEPCII輻射防護(hù)技術(shù)主要包括劑量監(jiān)測(cè)、人身安全聯(lián)鎖、屏蔽計(jì)算、活化監(jiān)測(cè)與分析等。在BEPCII建設(shè)過(guò)程中,輻射防護(hù)系統(tǒng)也進(jìn)行了全面的技術(shù)升級(jí)改造。更加完善的防護(hù)需求使屏蔽計(jì)算及活化分析方法有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,也推動(dòng)了一批相關(guān)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步。
相關(guān)廠家在完成BEPCII人身安全聯(lián)鎖門禁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將其應(yīng)用到了公安部大樓、新浪等項(xiàng)目中,為其取得了良好的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)提供了重要參考和有益經(jīng)驗(yàn),同時(shí)對(duì)CSNS、ADS、未來(lái)高能同步輻射光源(HEPS)的輻射防護(hù)屏蔽及人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有著重要的借鑒和指導(dǎo)意義。
