潘衛民

中國科學院高能物理研究所

《現代物理知識》

什么是射頻超導(也稱為超導高頻)技術?大家知道，加速器無論大小，都有一個高頻加速系統，是用來給高速的帶電粒子提供動能使其加速或維持其能量的，相當于汽車的發動機，這是加速器的核心系統。這個系統中的核心設備是高頻加速腔，可采用常溫結構，也可采用超導結構，超導結構的腔具有連續波工作時加速梯度較高、束流孔徑較大因而束流性能較好、運行穩定以及對高頻功率要求較低等優點。采用超導腔就涉及到射頻超導技術(或超導高頻技術)。高能物理研究所的射頻超導技術發展歷史并不長，只有二十多年。我們幾乎從零開始，看了一些有限的國外資料，便開始了射頻超導腔的設計和研究。當然，那時還是一張白紙、知之甚少、如履薄冰。二十多年過去了，隨著國家基礎研究的大力投入，特別是基于加速器的國家大科學裝置陸續建設，射頻超導技術得到了迅速發展。高能物理研究所的射頻超導技術的發展經歷了多次的峰回路轉、潮起潮落，一直在波浪前進，隨著國家經濟社會的發展而高潮迭起。展望未來，其前景廣闊而光明，但技術的發展和廣泛應用遠沒有達到頂峰，創新也永無止境，前浪后擁、鏖戰猶酣。

一、起步

高能所在加速器里采用超導高頻腔的想法起始于1995 年，在當時所領導的帶領下，開始了陶-粲粒子工廠的可行性研究。其中，加速器在采用超導高頻腔或是常溫高頻腔的問題上展開了論證。高頻腔的頻率物理上已確定為500 MHz，在國際上這個頻率的腔是主力腔型，這個頻率的高頻功率發射機也是商業產品。但當時我們沒有接觸過任何超導高頻，可以說一無所知，只是在國外的文章上看到一些介紹，略微了解皮毛而已，而使用超導高頻腔是國際上正在建設和正在規劃的大型加速器的首選，超導加速器的采用是未來的發展趨勢。在這種情況下，我們開始了加速器高頻系統的論證，重點論證超導方案，不但論證超導腔本身，還有腔的高功率輸入耦合器及高次模耦合器的方案。經過兩年的調研和方案討論，對超導高頻腔的國際發展動態、研發的難點和挑戰、穩定運行以及運行費用和維護等問題做了深入的調研，以便項目立項和實施后可開展對撞機超導高頻腔的預研工作。

這項論證性研究工作約歷時兩年，后因陶-粲粒子工廠項目的研究終止，超導高頻腔的前期研究也隨之告一段落。后來便開始北京正負電子對撞機重大改造工程的可行性研究。

這里值得一提的是，在上個世紀末和本世紀初，我們就開始了1.5 GHz單cell 超導腔的研發，還投入了一批人力物力與北京大學聯合成立了射頻超導實驗室，我們研發出了1.5 GHz的超導腔，為高能所后續超導腔的快速發展打下了一定的基礎。

二、跟跑

2000 年起隨著北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCII)前期工作的開始，我們也開始了其中的高頻加速系統的論證。高頻系統無論是對于過去的北京正負電子對撞機(BEPC)還是即將開始建設的BEPCII，都是至關重要的系統。其重要性自不必說，從以往的經歷來看，需要克服的困難和出現的問題也比較多，因此從工程領導到研究人員都對其格外重視。當時圍繞著是用超導高頻腔還是用常溫高頻腔的選擇問題展開論證研究。當時的狀況是，超導腔是流行趨勢，也是國際前沿技術，我們沒有真正做過，更沒有用過。專家們也在不斷提問：超導腔和常溫腔比較哪個更省功率?技術挑戰有哪些?你們能不能運行好?等等。我們花了很多時間來做調研和超導高頻系統的預研工作，特別是超導高頻腔的系統工程設計，深感責任重大、如履薄冰。最后，根據考慮論證結果，BEPCII 工程經理部決定選擇超導高頻系統，采用兩個超導高頻腔(如果采用常溫腔則需要六個腔)加速的方案，頻率為500 MHz，這也是國際上用得比較多的工作頻率。當時高能所和日本高能加速器研究機構(KEK)簽署了合作框架協議，日本幫助我們研發500 MHz超導腔，腔的研制交給日本三菱重工，我們不斷地派人去日本KEK學習，重點是學習他們的508 MHz超導腔的設計和運行經驗。研制期間，我們經常去日本三菱重工檢查和學習制造過程及調試方法。經過兩年多的跟蹤學習和實踐，我們也基本掌握了超導腔的選材、加工、調諧、后處理和測試的過程及關鍵環節。2006年，BEPCII的兩套500 MHz超導腔系統完成了系統集成，并在高能所做了測試，結果滿足BEPCII 的要求。這是高能所第一次真正意義上合作研發出的用于實際工程的超導高頻腔，也是中國的第一套用于實際工程的超導腔系統。下面是中日合作的兩套高頻腔系統研發歷程：

? 2002年：完成了調研、技術設計和工程設計;

? 2003年：完成了超導腔的招標;

? 2005年：完成了超導腔的垂直測試;

? 2006 年：完成了超導腔的整體組裝和水平測試——這是國內首次;10 月首次投入BEPCII 運行——國內首次使用!

投入BEPCII 工程后，經過半年左右的束流調試，終于達到了BEPCII 運行要求。2009 年5 月，在1.89 GeV 能量下對撞亮度通過了國家驗收。雖然這是和日本合作研發的超導腔，嚴格意義上說，更多的是日本幫助下完成的腔，但畢竟是中國第一個投入大科學裝置運行的超導腔，有著重要的意義。

從世界上超導腔的運行經驗，特別是與BEPCII同類型的日本KEK 的B 介子工廠(KEKB)超導腔的運行歷程看，超導高頻腔的故障帶有一定的突發性，發生幾率比較高，需要備用腔。因此，在BEPCII轉入運行階段后，我們便開始了500 MHz超導腔的自主研制。如前所述，超導高頻技術是加速器前沿技術，掌握核心部件制造工藝和總體集成技術可突破國外壟斷，這也是我國獨立自主、掌握核心技術的必由之路。500 MHz 射頻超導腔系統包括：500 MHz 超導腔腔體、高功率輸入耦合器、高次模吸收器、恒溫器等關鍵部件。

圖 500 MHz超導高頻腔系統示意圖

經過團隊幾年的刻苦鉆研、拼搏奮進，終于自主完成了高頻腔系統的物理和工程設計，攻克了許多關鍵技術難關，如：旋壓成型、電子束焊接、化學拋光、高壓水噴淋、垂直測試等。取得了一系列突破性進展：

1.完成了兩只500 MHz鈮腔旋壓成型、整腔焊接、表面處理、垂直測試、水平測試;

2. 自主研制的高功率輸入耦合器通過了420kW連續波高頻功率，達到了世界先進水平;

3. 研制的高階模吸收器承載的高頻功率達到了4.4 kW，吸收效率超過60%，達到同類設備的世界水平;

4. 恒溫器完成研制。

2017 年10 月，500 MHz 國產超導腔正式投入BEPCII 運行，在很短的時間內便達到了束流要求，性能優異。近五年過去了，故障率很低，運行狀態良好。每套超導腔系統均可在1.5 MV電壓下900 mA束流運行，高頻功率超過130 kW。“達到了國外同類設備的性能水平，這是國產超導腔首次代替進口超導腔在大科學裝置上實現了長期穩定運行，標志著我國500 MHz超導腔系統技術實現了突破，躋身于世界少數幾個能夠成功研制500 MHz超導腔系統的國家之列”——專家鑒定會結論。

三、創新

我國核電發展要解決燃料穩定供應和廢料安全處置兩大難題，后者也是尚未解決的國際難題。而加速器驅動次臨界嬗變系統(ADS)被認為是理想的長壽命放射性廢物焚燒爐。ADS由加速器、散裂靶和反應堆組成，其原理是利用加速器產生的高能離子轟擊散裂靶產生高通量、硬能譜中子驅動次臨界堆芯運行達到嬗變長壽命核素的目的。

2011 年初，高能物理研究所和近代物理研究所共同擔負起中科院先導專項——ADS加速器的任務，對于加速器來說，最大的難題是低能段連續波加速器。當時，有兩條技術路線可選擇：輪輻超導腔(spoke)加速器和半波長超導腔(HWR)加速器。當時，國際上對HWR超導腔研究得比較多，有研發出來的腔。也有的國家研發過(β值比較高)spoke超導腔，相對來說，β值低的spoke 腔的技術難度較高，但前端由于能量不夠，必須采用β值很低的腔。一些國家后來因難度高改變了技術路線，但spoke腔的腔型和加速效率有比較大的優勢。對于我們來說，這兩條技術路線都沒有基礎，都有不同程度的技術風險，而且先導專項的完成具有時間節點。最后，高能所承擔了spoke 腔的技術路線驗證工作，近代物理所承擔了HWR的技術路線驗證工作。當時的起步是非常艱難的，spoke 腔的設計和研發難度很大。前面提到，它的β值必須很小(β=0.12)，是國際上最小的，這意味著腔的縱向長度很短，這會帶來腔的不穩定等諸多問題。當時，國際上已有的技術對我們是封鎖的。我們專項團隊經過近七年努力，成功研發了具有國際創新性的首個由14 個極低β值輪輻型射頻超導腔系統集成的毫安級連續波超導質子直線加速器，成功實現了10 mA/10 MeV 的設計目標，掌握了系統設計理論和多系統集成及調試方法，成功驗證了ADS輪輻型超導加速器的技術路線，在多項核心技術方面實現了國際性突破，是我國質子超導加速器的一個重要里程碑。研發出的指標領先的極低β值spoke 腔造價是國際報價的二十分之一。這一成果在國際上產生了重要影響，關鍵技術應用于眾多項目上。

正在建設中的高能同步輻射光源是我國的第一個高能光源，也是目前世界最亮的光源，這對光源的高頻系統也提出了很高的要求。光源的高頻系統采用的是166.6 MHz 和500 MHz 的超導高頻腔。特別是166.6 MHz的超導腔，原本是只用于加速質子，在光源里創新性地用于加速電子，做了許多改進，目前已研制成功。目前，首支166.6 MHz超導腔垂測達標;首批166.6 MHz 超導腔高功率耦合器也完成加工制造并測試達標。

四、超越

1.3 GHz 9-cell 超導腔是國際上使用最多的超導腔，廣泛應用于國際直線對撞機(ILC)、環形正負電子對撞機(CEPC)、歐洲X射線自由電子激光(EXFEL)、美國直線加速器相干光源(LCLS-II)、上海硬X射線自由電子激光(SHINE)等加速器上。高性能(高品質因數、高梯度)1.3 GHz 超導腔是國際前沿攻關課題，是國際上幾個大型實驗室競相發展的技術。

2010 年，高能所研制出了第一支1.3 GHz 9-cell超導腔，這是非常重要的一步，但由于當時條件比較簡陋，加速梯度剛剛達到20 MV/m，距離ILC 的加速梯度目標(31.5 MV/m)還有一定差距。此后，研究人員在先進光源研發與測試平臺(PAPS)、CEPC預研項目等經費的支持下，研制了電拋光(國內首臺正式投入使用的實用型超導腔電拋光設備)、預調諧機、光學內窺鏡等多臺關鍵設備，并新建了超導腔測試系統、大型潔凈間等基礎設施，持續改進腔加工和表面處理技術，使得腔加速梯度不斷提高。2020 年，1.3 GHz 9-cell 超導腔經過電拋光處理后，加速梯度達到了35.9 MV/m，達到了國際先進水平，單cell腔的梯度更是接近了理論極限。

在提高加速梯度的同時，我們也在采用各種技術手段提高1.3 GHz 9- cell 超導腔的Q0 值。2013年，美國費米實驗室首先提出了采用氮摻雜(nitrogen doping)的方法提高超導腔Q0 值，并應用于LCLS-II 的1.3 GHz 9-cell 超導腔上。高能所緊隨其后，也開展了氮摻雜技術的研究，在1.3 GHz 1-cell 超導腔上取得了不錯的實驗結果：Q0值最高達到了4.5×1010@16 MV/m。與國內外很多實驗室一樣，經過氮摻雜處理后的1.3 GHz 1-cell 超導腔，Q0雖然提高了，但Eacc下降了很多，而且穩定性差、成品率不高。因此，氮摻雜工藝不敢輕易用在1.3GHz 9-cell腔上。

怎么辦?正當我們為如何提高1.3 GHz 9-cell超導腔的品質因數而感到彷徨時，得知日本的高能加速器研究機構(KEK)的1.3 GHz 1-cell 超導腔經過中溫退火處理后，Q0得到了大幅提升，同時Eacc下降也不多。于是，我們也立即開始摸索著開展了1.3 GHz 1-cell 超導腔的中溫退火實驗，并取得了成功。在此基礎上，我們快馬加鞭、創新工藝，將中溫退火方法創新性地應用于9-cell 超導腔上，取得了巨大的成功，在國際上首次成功實現了1.3 GHz 9-cell 超導腔的中溫退火工藝和小批量超導腔的試制，超導腔的品質因數((3.6-4.2)×1010@16 MV/m)達到了1.3 GHz 9-cell 超導腔的國際領先水平。這項成果發表在國際學術期刊《超導科技》上。腔的水平測試也取得了成功，取得了出色的結果。基于此，大連化物所的1.3 GHz 超導腔模組委托了高能所研發。

此外，環形正負電子對撞機(CEPC)的650MHz超導腔采用電拋光處理后，最高加速梯度達到了41.6 MV/m，而經過中溫退火處理后，在22 MV/m的加速梯度下，品質因數超過了8×1010，達到了P 波段(0.23~1 GHz)超導腔的國際領先水平。

高能所在1.3 GHz和650 MHz超導腔上開展的高加速梯度和高品質因數關鍵技術研究，為我國自主建設CEPC和X射線自由電子激光(XFEL)裝置、參與國際直線對撞機(ILC)和未來環形對撞機(FCC)等國際大科學工程合作奠定了重要基礎。特別是，在國際上首次創新使用中溫退火工藝于1.3 GHz 9-cell 腔，取得了重大突破，腔的品質因數大幅提升，一躍達到和超過了國際最好水平，“性能均超過了上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)、美國直線相干光源二期能量升級項目(LCLS-II-HE)的超導腔設計指標，平均品質因數優于LCLS-II-HE摻氮超導腔。該成果為我國高Q值1.3 GHz 9-cell 超導腔的批量制造奠定了堅實基礎，也為我國建設國際領先的高重頻自由電子激光裝置和未來高能正負電子對撞機提供了新的工藝方案”(鑒定會專家意見)。成果已轉入正式批量應用于國內大型超導加速器。

圖 高能所1.3 GHz 9-cell超導腔測試結果(左)、美國1.3 GHz 9-cell超導腔測試結果(右)

五、結束語

在陳和生所長、王貽芳所長以及老一輩科學家的關懷和領導下，高能物理研究所射頻超導走過了二十多年的風風雨雨，從剛開始的白手起家、跌宕起伏，經歷了從無到有、由弱到強，到后來的蓬勃興起、發展壯大——成立了射頻超導與低溫研究中心，由實驗室摸索到整套技術掌握，再到整個射頻超導模組集成，投入大科學裝置使用，趕超世界一流水平，最后到成果支撐于國家基于加速器的大科學裝置。盡管如此，我們深知，這是暫時的領先，前面還有很長的路，還有更多的創新，我們不敢懈怠，仍在努力，想著在國際賽道上跑得更快、更遠。

審核編輯：湯梓紅