中國粒子加速器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

唐靖宇，周路平

(1.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院，陜西 西安 710061)

粒子加速器作為一門交叉型的獨立學(xué)科，其本身的發(fā)展非常重要，同時通常也作為實驗研究平臺為其他學(xué)科的發(fā)展提供了非常重要的支持。粒子加速器自20世紀(jì)20年代開始發(fā)展，早期主要作為核物理和粒子物理研究的專用型實驗裝置。但是，近30年以來，它作為用途廣泛的粒子束裝置發(fā)揮著越來越大的作用，特別是以先進光源和先進中子源為代表的多學(xué)科研究平臺是主要發(fā)達國家甚至是發(fā)展中國家競爭的重大研究設(shè)施。粒子加速器在國民經(jīng)濟和生活中也發(fā)揮著越來越大的作用，尤以醫(yī)用加速器的廣泛應(yīng)用為代表。作為物理學(xué)的重要研究方向，束流物理或加速器物理在近些年來發(fā)展較快，尤其是在尾場加速和自由電子激光的理論研究方面；作為核科學(xué)技術(shù)的重要研究方向，加速器技術(shù)的不同專門技術(shù)也獲得了高速發(fā)展，尤其是以超導(dǎo)高頻技術(shù)和超導(dǎo)磁鐵技術(shù)為代表。

我國近20年來見證了加速器的高速發(fā)展，基本上完成了從跟蹤國際水平到與國際先進并行的跨越式發(fā)展。我國提出并牽頭開展國際合作的超級對撞機CEPC (Circular Electron-Positron Collider)-SPPC(Super Proton-Proton Collider)項目是面向未來高能物理發(fā)展的國際標(biāo)志性研究項目，代表了未來粒子加速器發(fā)展的新高度；隨著北京高能光源(HEPS)、上海硬X射線自由電子激光(SHINE)、合肥先進光源(HALF)這3臺4代光源的建設(shè)，我國在先進光源方面將處于國際最先進水平之列；中國散裂中子源(CSNS)、加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)和強流重離子加速器(HIAF)則將我國的質(zhì)子-重離子加速器推進到國際第一梯隊。除了裝置建設(shè)以外，這20年來，我國的加速器理論(束流物理)和加速器技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，處于快速追趕國際先進水平的階段。本文將對我國的粒子加速器發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢作一個簡單介紹。

1 近期發(fā)展和現(xiàn)狀

考慮到加速器的類型、規(guī)模、應(yīng)用方向很寬泛，而且我國在這些不同的加速器方向上有全面的發(fā)展，本文以先進光源、質(zhì)子-重離子加速器、粒子對撞機、應(yīng)用型加速器、加速器物理與技術(shù)這5個方向主線對我國的粒子加速器發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述。

1.1 先進光源

基于高能量高束流品質(zhì)電子加速器產(chǎn)生的電磁輻射性能十分優(yōu)異，有非常廣泛的應(yīng)用。目前主要有兩類裝置，分別是基于電子儲存環(huán)的同步輻射光源裝置(SR)和基于電子直線加速器的自由電子激光裝置(FEL)，通常統(tǒng)稱為先進光源裝置。我國自20世紀(jì)80年代開始發(fā)展先進光源，包括同步輻射光源和自由電子激光，如依托北京正負電子對撞機(BEPC)建造的北京同步輻射裝置(BSRF)、合肥同步輻射裝置(HLS)和北京自由電子激光裝置(BFEL)[1]。其中，BSRF是第1代同步輻射光源或兼用光源；HLS是第2代同步輻射光源或?qū)Ｓ霉庠矗籅FEL則提供紅外波段的自由電子激光，是亞洲首臺FEL，主要是技術(shù)發(fā)展。近20年來，我國的先進光源有非常大的發(fā)展，建成了第3代同步輻射光源——上海光源(SSRF)，并正在建設(shè)多臺第4代光源：HEPS、上海硬X射線自由電子激光(SHINE)和合肥先進光源(HALF)。目前正在運行、建造中的同步輻射光源列于表1、2。除了大型的同步輻射裝置和X射線自由電子激光以外，近年來低束流能量的小型自由電子激光裝置也發(fā)展迅速，覆蓋紅外光和太赫茲波段，也有非常好的應(yīng)用。本文對幾個主要裝置作簡單介紹，而對幾個較小型的裝置僅在表2中列出而不作單獨的介紹。

表1 我國正在運行、建造中的同步輻射光源主要參數(shù)和狀態(tài)Table 1 Parameters and status of SRs in operation and under construction in China

表2 我國正在運行、建造中的自由電子激光裝置主要參數(shù)和狀態(tài)Table 2 Parameters and status of FELs in operation and under construction in China

1) BSRF升級

在2004—2009年的BEPC重大升級改造工程(BEPCⅡ)中，BSRF也同步進行了較大的升級，新建了多條光束線站，并對部分線站進行了改造，現(xiàn)在運行線站達到14條。BSRF提供的同步光覆蓋VUV到硬X射線，作為兼用光源，主要采用Wiggler和彎鐵光源，覆蓋大多光束線站類型和研究領(lǐng)域。BEPCⅡ加速器可以工作在Top-up模式下，也顯著地提高了光源的性能。大部分線站在每年的3個月專用供光期間運行，并有9個線站在對撞運行模式下也能供光。

2) HLS-Ⅱ

HLS自2000年以來已進行了兩次重要的升級，成為HLS-Ⅱ，包括直線加速器、儲存環(huán)和光束線站的性能都有了很大的提高。現(xiàn)在采用800 MeV電子直線加速器、全能量注入，儲存環(huán)Lattice采用更現(xiàn)代的設(shè)計，大幅減小了束流發(fā)射度并提高了流強，并采用Top-up注入[2-3]。同時，光束線站的光源由最初的以彎鐵光源為主變?yōu)橐圆迦爰橹?目前有5條插入件線站，彎鐵有5線6站)，使它成為國際上第2代同步光源中性能最優(yōu)之一，可以認為是2代半光源。受限于其電子束能量，主要覆蓋光子能區(qū)為VUV和軟X射線。部分新建或改造的光束線站也具有很強的國際競爭力，特別是在VUV能區(qū)。

3) SSRF

SSRF由1臺150 MeV的電子直線加速器、1臺3.5 GeV的全能量增能器和1臺周長為432 m的儲存環(huán)組成，如圖1所示。SSRF一期工程建于2004—2009年，首批建成7條光束線站，隨后又通過多方合作增添了8條光束線站。自2016年啟動的SSRF二期工程即將完成16條新光束線站的建設(shè)[4]。作為國際上第3代中能同步輻射光源中的佼佼者，SSRF電子束能量較高，束流發(fā)射度小，采用Top-up注入，可以在不同模式下運行，如通用多束團模式和大電流單束團與束團串混合模式等。SSRF儲存環(huán)采用DBA結(jié)構(gòu)的Lattice，可以提供4個12 m的長直線節(jié)和16個6.5 m長的標(biāo)準(zhǔn)直線節(jié)。SSRF現(xiàn)建有23條插入件光束線和10條彎轉(zhuǎn)磁鐵光束線以及相應(yīng)的53個實驗站，主要光子能區(qū)為硬X射線，兼顧軟X射線和VUV能區(qū)，光束線站科學(xué)應(yīng)用幾乎覆蓋所有主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 SSRF布局圖Fig.1 Layout of Shanghai Synchrotron Radiation Facility

4) HEPS

HEPS由1臺500 MeV的直線加速器、1臺6 GeV的增強器、1臺儲存環(huán)和各級加速器之間的束流傳輸線組成，如圖2所示[5-6]，設(shè)計運行流強為200 mA。HEPS儲存環(huán)采用了7BA的Lattice結(jié)構(gòu)和超大周長(1 360 m)，以獲得接近衍射極限的極小束流發(fā)射度(35 pm·rad)，并提供24個低β直線節(jié)和24個較大β直線節(jié)，長度均為6 m，除了少量幾個用于儲存自身需要的注入、引出和高頻站外，絕大多數(shù)都可以用于光源插入件。HEPS工程于2019年啟動，計劃2025年完成建設(shè)，首批建成14條光束線站，并采用“三步走”的方式，最終建成最多可達90個光束線站。HEPS將是我國首臺第4代同步輻射光源，也是首臺高能光源，其亮度可達1×1022phs·(s·mm2·mrad2)-1，相干性也較3代光源有了量級的提高，建成后將是國際先進光源中的最優(yōu)秀之一，極大地提高我國在該領(lǐng)域的國際地位。

圖2 HEPS園區(qū)效果圖(a)和加速器布局圖(b)Fig.2 Artist view of HEPS campus (a) and layout of accelerator (b)

5) HALF

HALF是國家同步輻射實驗室正在設(shè)計建造的基于衍射極限儲存環(huán)的第4代低能光源，其光子能區(qū)主要覆蓋軟X射線和VUV。HALF由1臺2.2 GeV的全能量直線加速器和周長為480 m的儲存環(huán)組成，布局如圖3所示。儲存環(huán)Lattice采用混合型6BA結(jié)構(gòu)，束流發(fā)射度低至約86 pm·rad，在軟X射線能區(qū)達到衍射極限[7]。其提供的20個長直線節(jié)(5.3 m)和20個中直線節(jié)(2.2 m)，非常有利于建設(shè)不同需求的基于插入件的光束線站。HALF目標(biāo)是世界上最優(yōu)秀的低能區(qū)第4代同步輻射光源[8]。HALF計劃于2023年初開始建設(shè)，并于2027年建設(shè)完成，首批建設(shè)10條光束線和17個實驗站。建成后，HALF將與HEPS和SSRF使我國在高中低能區(qū)均擁有優(yōu)秀的同步輻射光源。考慮到HALF直線加速器的優(yōu)異性能，它今后也有希望發(fā)展為軟X射線自由電子激光的注入器。

圖3 HALF主體裝置布局Fig.3 Layout of HALF main facility

6) SHINE

SHINE由上海科技大學(xué)牽頭負責(zé)、中國科學(xué)院上海高等研究院和上海光學(xué)精密機械研究所共建的我國第一臺位于硬X射線能區(qū)的自由電子激光裝置，包括一臺能量為8 GeV的連續(xù)波超導(dǎo)直線加速器、首批3條波蕩器線和10個實驗站以及用于極端物理條件實驗站的一臺100 PW的超強超短激光器，如圖4所示。SHINE的光子能量覆蓋0.2～25 keV。為了獲得極短束團長度，超導(dǎo)電子直線加速器在采用RF頻率為1.3 GHz的主加速腔基礎(chǔ)上，還采用RF頻率為3.9 GHz的三次諧波腔。SHINE于2018年啟動工程建設(shè)，計劃2025年出光。SHINE在工程上非常有挑戰(zhàn)性，建成后，其在以波長范圍、峰值亮度和平均亮度為代表的綜合性能方面，將處于國際頂尖水平[9-10]。

1.2 質(zhì)子-重離子加速器

質(zhì)子加速器和重離子加速器的特點相近，有些重離子加速器也加速質(zhì)子，經(jīng)常統(tǒng)稱為強子加速器(Hadron Accelerators)，在這里一并介紹。近些年來，我國在大型質(zhì)子-重離子加速器方面也獲得了非常大的發(fā)展，在粒子物理和核物理研究以及多學(xué)科應(yīng)用平臺方面發(fā)揮了非常大的作用。這類加速器在國際上的發(fā)展趨勢或競爭點是提供更高的束流強流或束流功率，我國質(zhì)子-重離子加速器的發(fā)展也符合這個趨勢。這里介紹幾臺主要質(zhì)子-重離子加速器裝置，也有針對未來的加速器研究項目如中國科學(xué)院高能物理研究所的加速器中微子束裝置MOMENT[11]、中國原子能科學(xué)研究院的高功率FFAG加速器[12]等，限于篇幅這里不作介紹。

1) HIRFL和HIAF

蘭州重離子研究裝置(HIRFL)是中國科學(xué)院近代物理研究所自1960年代開始建設(shè)的目前我國規(guī)模最大、能量最高的重離子加速器裝置，共歷經(jīng)了3次大的科學(xué)工程以及數(shù)次升級，主要用于重離子物理和交叉學(xué)科研究。目前，HIRFL主要由超導(dǎo)ECR離子源、1臺扇聚焦回旋加速器(SFC)、1臺分離扇回旋加速器(SSC)、1臺儲存環(huán)主環(huán)(CSRm，周長為161 m)和1臺實驗環(huán)(CSRe，周長為128 m)組成[13]。HIRFL可將鈾核加速至500 MeV/u，或者將碳核加速至高達1 100 MeV/u。

為了在新時期提高我國在重離子核物理方面的國際競爭力，中國科學(xué)院近代物理研究所在廣東惠州正在建造新一代大型重離子加速器——HIAF，用于提供高強度離子束流[14-15]。HIAF于2018年底開始建設(shè)，計劃于2025年建成。HIAF包含1臺第4代超導(dǎo)ECR離子源、1臺100 m長的超導(dǎo)直線加速器、1臺周長569 m的主加速器環(huán)/增強器環(huán)、1臺周長278 m的譜儀環(huán)以及多個實驗終端(低/高能實驗終端、多功能實驗終端以及放射性核束終端)等組成，如圖5所示。其中，離子源既可以運行在CW模式，也可以運行在脈沖模式。以238U35+為例，直線加速器可將其加速至17 MeV/u，而后由增能器加速至834 MeV/u，并進一步傳輸至實驗終端。HIAF建成后，將與目前國際上正在運行和建設(shè)中的幾個主要重離子加速器裝置競爭，如日本RIKEN的RIBF、美國MSU的FRIB和德國GSI的FAIR。HIAF今后也有進一步發(fā)展為電子-離子對撞機(EIcC)的潛力。

圖4 SHINE裝置布局圖(地下裝置，地面SSRF可見)Fig.4 Layout of SHINE (underground, SSRF on ground by side)

圖5 HIAF布局圖Fig.5 Layout of HIAF

2) CSNS

CSNS[16]主要由中國科學(xué)院高能物理研究所設(shè)計建造，由1臺80 MeV的負氫離子直線加速器、1臺1.6 GeV的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、束流輸運線系統(tǒng)、散裂靶以及實驗譜儀或終端系統(tǒng)組成，是一個以中子散射應(yīng)用為主的大型多學(xué)科應(yīng)用實驗平臺。中子散射技術(shù)是與同步輻射技術(shù)相互補的、研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)的一個極為重要的手段，在材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)、化學(xué)等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。CSNS一期工程建設(shè)期是2011年10月—2018年3月，并在2020年達到了設(shè)計質(zhì)子束打靶功率100 kW[17]，目前已穩(wěn)定運行在125 kW。CSNS加速器是我國第一臺大型質(zhì)子加速器，其特點是高重復(fù)頻率(25 Hz)的同步加速器和高束流功率，也是我國第一臺散裂中子源，打靶功率在國際脈沖型散裂中子源中處于第4位。CSNS在一期建設(shè)中就預(yù)留了升級空間，二期升級工程(CSNS-Ⅱ)即將啟動，計劃2028年完成，它將把直線加速器的能量提高到300 MeV，將打靶束流功率提高到500 kW。在一期工程建設(shè)的3臺中子散射譜儀、8臺即將完成建設(shè)的合作譜儀和反角白光中子實驗裝置基礎(chǔ)上，將建成規(guī)劃中的全部22條中子束線和相應(yīng)的譜儀，并增建繆子源實驗終端和質(zhì)子束實驗終端。

3) ADS

ADS是解決核能可持續(xù)性發(fā)展的有效途徑之一，特別是在解決常規(guī)核反應(yīng)堆的核廢料問題方面。其本質(zhì)是通過一臺高流強中能質(zhì)子加速器提供的高功率質(zhì)子束(如0.6～1.5 GeV和10～30 MW)轟擊重核散裂靶，以產(chǎn)生大量的寬譜中子，既誘發(fā)乏燃料核的嬗變，也作為次臨界反應(yīng)堆中子通量的外源中子。自2011年起，中國啟動了ADS發(fā)展計劃(China ADS或C-ADS)，提出了分4步走的計劃[18-19]。在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項支持下，C-ADS第1階段由中國科學(xué)院近代物理研究所和高能物理研究所聯(lián)合開展了超導(dǎo)直線加速器的關(guān)鍵技術(shù)研究，并成功研制了能量為20 MeV、流強為10 mA的連續(xù)波運行的超導(dǎo)直線加速器，這是國際上同類裝置的最高水平。ADS第2階段也已啟動，作為國家十三五建設(shè)的大科學(xué)裝置，在廣東惠州建設(shè)的CiADS工程目標(biāo)是能量為500 MeV、流強為5 mA的連續(xù)波超導(dǎo)直線加速器，打靶功率將達到2.5 MW，工程建設(shè)也包括液態(tài)鉛鉍靶和次臨界反應(yīng)堆；CiADS工程計劃2027年建成。長遠目標(biāo)是實現(xiàn)質(zhì)子束能量大于1 GeV、束流功率15 MW的目標(biāo)，并實現(xiàn)加速器、散裂靶及包含乏燃料的次臨界反應(yīng)堆的耦合運行[20]。

4) CYCIAE-100

CYCIAE-100強流質(zhì)子回旋加速器是中國原子能科學(xué)研究院研發(fā)的CYCIAE系列回旋加速器中的一臺，作為北京放射離子束裝置(BRIF)的主要組成部分，于2014年建成。加速器引出質(zhì)子能量為75～100 MeV，引出最高束流流強520 μA，這也是近年來國內(nèi)束流強度和引出能量最高的緊湊型質(zhì)子回旋加速器。CYCIAE-100的磁鐵半徑約為6 m，采用H-離子源和軸向注入方法，可以同時從兩個方向通過H-剝離方法引出束流；加速器可運行在高流強模式或脈沖模式，以適應(yīng)不同研究的需要[21]。CYCIAE-100作為BRIF的放射性核素產(chǎn)生裝置，可以開展放射束物理的相關(guān)研究，也可以作為獨立裝置開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)測試、基于準(zhǔn)單能中子束和白光中子束的實驗以及同位素生產(chǎn)。

1.3 粒子對撞機

1) BEPCⅡ

BEPC是中國科學(xué)院高能物理研究所在1980年代建造的我國第一臺大科學(xué)裝置和第一臺大型加速器，屬于國際上最早的幾臺粒子對撞機之一，其建造成功也代表了我國加速器領(lǐng)域的重大突破。BEPC對撞質(zhì)心能量為2～5 GeV，由1個全能量直線加速器(最高能量為2.5 GeV)和1個周長為240 m的儲存環(huán)組成，電子和正電子儲存在同一環(huán)中，在唯一的對撞點進行對撞，對撞亮度為1×1031cm-2·s-1，其實驗譜儀BES和升級版BESⅡ曾在Tau-Charm物理方面做出國際一流的工作。為了滿足新的研究需要，中國科學(xué)院高能物理研究所在2004—2009年期間對該對撞機進行了重大升級(BEPCⅡ)，能區(qū)范圍基本不變，但將之前的儲存環(huán)由單環(huán)對撞機改為雙環(huán)對撞機，即電子和正電子分別在各自的環(huán)中循環(huán)，以±11 mrad交叉角對撞，正負電子束團數(shù)增加到100對左右，從而將對撞亮度提高兩個量級，達到1×1033cm-2·s-1[22]，實驗譜儀也升級為BESⅢ。該對撞機是從建成至今都是國際上Tau-Charm能區(qū)亮度最高的對撞機，并建立了BESⅢ國際合作組，共有來自15個國家、83家單位的500多位科學(xué)家參加合作研究。BEPCⅡ建成后運行10多年來已做出許多國際一流的研究成果。在BEPCⅡ設(shè)計建造過程中，也克服了大量加速器物理和技術(shù)上的困難，采用了先進的設(shè)計理念和前沿技術(shù)，促進了我國加速器學(xué)科的發(fā)展。目前，BEPCⅡ正在進行一個小升級工程(BEPCⅡ-U)，以期適當(dāng)提高最高質(zhì)心能量至5.6 GeV并顯著提高在高能量區(qū)的亮度[23]。

2) CEPC和STCF

圖6 CEPC加速器系統(tǒng)布局 (直線加速器、增能器和對撞環(huán))Fig.6 Layout of CEPC accelerator (linac, booster and collider rings)

考慮到BEPCⅡ/BESⅢ將于不久后完成歷史使命并退役，而CEPC是否如期上馬存在明顯的不確定性，我國高能物理界近10年來也在研究一個規(guī)模適中的對撞機項目——STCF (Super Tau-Charm Factory)，繼續(xù)發(fā)揮我國過去幾十年來在Tau-Charm能區(qū)粒子物理方面占據(jù)的優(yōu)勢[27]。STCF的能區(qū)范圍為2～7 GeV，較BEPC稍有擴大，周長約為700 m；但更重要的是STCF比BEPCⅡ的對撞亮度提高了約2個量級，達到(0.5～1)×1035cm-2·s-1，從而在Charm物理、Tau物理、輕強子物理、QCD物理和發(fā)現(xiàn)超出SM的輕粒子等研究方面，處于國際領(lǐng)先位置。在STCF升級階段，還將開展基于極化束的實驗研究，同時它也將延續(xù)BESⅢ良好國際合作的趨勢。

1.4 應(yīng)用型加速器

近30年來，質(zhì)子/重離子加速器應(yīng)用于精準(zhǔn)放射治療的技術(shù)越來越成熟，隨著我國社會發(fā)展水平的快速提高，對這類高端醫(yī)療設(shè)備的需求也在快速增加。目前，國內(nèi)大部分醫(yī)療機構(gòu)仍選擇購買如IBA、VARIAN、MEVION等國外公司提供的加速器設(shè)備；與此同時，國內(nèi)幾個科研單位或公司也在積極開發(fā)相應(yīng)的加速器裝備，如中國科學(xué)院近代物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所等幾家單位主要開發(fā)以同步加速器為基礎(chǔ)的質(zhì)子或重離子加速器治療設(shè)備[28]，而合肥離子醫(yī)學(xué)中心、中國原子能科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)等單位主要開發(fā)以超導(dǎo)回旋加速器為主的質(zhì)子加速器治療設(shè)備。另外，中國科學(xué)院高能物理研究所和中國原子科學(xué)研究院等多家單位也在發(fā)展基于小型強流質(zhì)子加速器的硼中子俘獲治療裝置(BNCT)。可以說，國內(nèi)已基本掌握了這類加速器和主要配套設(shè)備的制造，并開始產(chǎn)業(yè)化運作。

近些年來用于生產(chǎn)放射性同位素的小型醫(yī)用質(zhì)子回旋加速器需求增長也很快，過去長期依賴進口。這種情況正在發(fā)生改變，國內(nèi)多家單位都研發(fā)了能量為10～18 MeV的緊湊型回旋加速器，并正在進行產(chǎn)業(yè)化運作。希望在不久的將來，國產(chǎn)小型醫(yī)用質(zhì)子回旋加速器將打破國外產(chǎn)品壟斷國內(nèi)市場的局面。在各種小型的應(yīng)用型電子直線加速器或靜電加速器方面，我國過去的基礎(chǔ)一直比較好，無論是集裝箱檢測、X射線放療、工業(yè)CT、電子束輻照等，都有比較好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1.5 加速器物理與技術(shù)

在過去十幾年中，我國的加速器物理和技術(shù)研究也取得了很大的進展，幾乎覆蓋所有的加速器物理和技術(shù)方向。其中，大部分工作是圍繞已建成的、正在建設(shè)的或計劃建設(shè)的大型加速器裝置進行的，也有少數(shù)針對未來的加速器和純學(xué)術(shù)性研究的。加速器物理或束流物理是加速器裝置進行設(shè)計的理論基礎(chǔ)，本身也具有很強的物理研究屬性。近些年來，主要的束流物理研究進展體現(xiàn)在高亮度對撞機的物理設(shè)計研究、強流質(zhì)子-重離子加速器的空間電荷效應(yīng)研究和抑制、自由電子激光新模式研究、激光等離子體尾場加速機制研究等。鑒于大型加速器性能對先進技術(shù)的依賴，設(shè)計建造具有國際先進水平的加速器必然要求發(fā)展很多先進的專門加速器技術(shù)。不同類型的加速器所采用的技術(shù)經(jīng)常相差較大，受篇幅限制，這里僅簡單地介紹3個非常重要的技術(shù)進展。

1) 超導(dǎo)RF技術(shù)

國際加速器學(xué)界在本世紀(jì)初將超導(dǎo)RF技術(shù)列為最為需要發(fā)展的重要技術(shù)之一。隨著國際上主流加速器實驗室先后投入重要力量開發(fā)該技術(shù)并開展合作，它從最初僅由個別國際一流實驗室掌握的技術(shù)迅速擴展開來，并且技術(shù)水平獲得了很大的提高，應(yīng)用范圍也大為擴展。我國幾個主要加速器實驗室也及時抓住了這個發(fā)展機會，并同大型加速器工程建設(shè)相結(jié)合，很快就將技術(shù)水平提高到與國際水平相當(dāng)。1990年代，國內(nèi)首先是北京大學(xué)、后來有中國科學(xué)院高能物理研究所開始系統(tǒng)性地開展超導(dǎo)RF腔的研究和實驗室建設(shè)[29]，包括不同類型直線加速器(離子、質(zhì)子、電子)的超導(dǎo)腔研究。隨后，BEPCⅡ啟動對購自日本(KEK腔型)、SSRF對購自德國(CESR腔型)的500 MHz儲存環(huán)超導(dǎo)腔的復(fù)制[30]。而真正大規(guī)模研制超導(dǎo)腔和發(fā)展超導(dǎo)腔技術(shù)則來自ADS先導(dǎo)專項和正在進行的CiADS工程的支持，不僅發(fā)展了質(zhì)子直線加速器不同能區(qū)的超導(dǎo)加速結(jié)構(gòu)，而且低β超導(dǎo)腔(Spoke型和HWR型)的工程應(yīng)用方面還處于國際先進水平[20,31]。SHINE工程和CEPC預(yù)研工作在不同頻率的電子直線加速器和同步加速器的超導(dǎo)腔技術(shù)方面也處于國際前列[32-33]。應(yīng)該可以說，現(xiàn)在我國已有能力自行研制滿足不同類型和規(guī)模加速器的超導(dǎo)腔。

2) 先進磁鐵技術(shù)

近來我國磁鐵技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在如下幾個方面：CSNS工程開發(fā)了快循環(huán)磁鐵技術(shù)，這也是CSNS的關(guān)鍵技術(shù)之一，發(fā)展了如何克服強渦流效應(yīng)的磁鐵設(shè)計、鋁絞線線圈技術(shù)、磁鐵抗振動的系列工藝技術(shù)、耐高感應(yīng)電壓技術(shù)、與電源構(gòu)成White網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、磁鐵非線性電感的補償技術(shù)、抗輻射技術(shù)等。在HEPS和HALF的預(yù)研階段，發(fā)展了4代光源儲存環(huán)磁鐵的相關(guān)技術(shù)，包括縱向梯度磁鐵、極高梯度場磁鐵和對磁鐵的極高加工裝配精度要求等[34-35]。除了超導(dǎo)螺線管或超導(dǎo)線圈外，如在質(zhì)子-離子直線加速器、超導(dǎo)ECR離子源和超導(dǎo)回旋加速器中所采用的常規(guī)的加速器超導(dǎo)磁鐵(如二極磁鐵和四極磁鐵)，雖然在我國還沒有得到規(guī)模化應(yīng)用，但也在發(fā)展過程中，如HIAF工程在放射性束流線上采用了Superferric類型的超導(dǎo)二極磁鐵[36]，中國科學(xué)院高能物理研究所正在發(fā)展強場超導(dǎo)磁鐵技術(shù)以用于LHC升級和未來的SPPC上，特別是擬用于SPPC的基于鐵基超導(dǎo)材料的20 T磁鐵的相關(guān)努力在國際上有引領(lǐng)作用[37-38]。

3) 真空技術(shù)

CSR工程顯著地促進了我國超高真空(10-8Pa或更低壓力)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。而正在建設(shè)的HEPS和HIAF則提出了更苛刻的要求，除了超高真空度外，其真空管道只有20～30 mm的孔徑，還要承受強同步光輻射的影響。在國際上逐漸成熟的真空內(nèi)壁NEG鍍膜技術(shù)成為了第4代同步輻射光源的關(guān)鍵技術(shù)。通過前期技術(shù)跟蹤和這兩個工程的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)制研究，我國基本上掌握了該技術(shù)[39-41]。CSNS工程則發(fā)展了另外一種特殊的真空技術(shù)——大孔徑和超長的陶瓷真空管技術(shù)，涉及大尺寸陶瓷真空管的制造、精確尺寸控制、多單元金屬焊接或玻璃粘接、內(nèi)部鍍TiN膜、端部密封法蘭、RF屏蔽通道等[42]。

2 發(fā)展趨勢

2.1 10年后我國的加速器展望

隨著目前正在建設(shè)的主要加速器裝置SHINE、HIAF、HEPS和CiADS以及即將建設(shè)的HALF項目、CSNS-Ⅱ升級項目都將在10年內(nèi)建成，屆時，我國的加速器裝置總體水平將處于國際前沿水平，無論是先進光子源、散裂中子源，還是重離子加速器和質(zhì)子加速器方面都有很好的體現(xiàn)，與當(dāng)時國際上最先進的同類型裝置具有可比性。它們將支撐我國在廣泛的學(xué)科領(lǐng)域的前沿科學(xué)研究和應(yīng)用研究。

如果在這期間，CEPC項目獲得批準(zhǔn)建設(shè)，這將是對我國加速器事業(yè)的一個重大促進，而且圍繞它建設(shè)的國際實驗室還代表了我國的大科學(xué)裝置真正走向了世界，成為真正的國際科學(xué)中心。多地建造的中小型光源也在建成并投入運行，質(zhì)子-重離子治療加速器更加普及，各種中小型應(yīng)用型加速器將更是全面開花。

2.2 先進加速器技術(shù)

隨著幾臺具有國際先進水平光源的建設(shè)，相關(guān)的加速器技術(shù)如超導(dǎo)高頻技術(shù)、大規(guī)模低溫技術(shù)、高精度常溫磁鐵技術(shù)、NEG鍍膜真空技術(shù)、光源插入件技術(shù)、高精度準(zhǔn)直安裝技術(shù)、高性能電子槍技術(shù)必將得到很大的發(fā)展。而與強流或高功率質(zhì)子-重離子加速器相關(guān)的則是超導(dǎo)直線加速器技術(shù)(尤其是連續(xù)波超導(dǎo)質(zhì)子直線加速器技術(shù))、磁合金加載高頻腔技術(shù)、高亮度負氫離子源技術(shù)、高電荷態(tài)重離子源技術(shù)、快變化超導(dǎo)磁鐵技術(shù)等。

目前，正在為未來加速器(包括CEPC-SPPC)做關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的主要有：高效率速調(diào)管技術(shù)、高Q值-高梯度超導(dǎo)腔技術(shù)、強場超導(dǎo)磁鐵技術(shù)、高能效低溫技術(shù)，它們近些年來也得到了很好的支持。估計今后幾年先進技術(shù)發(fā)展的范圍還將進一步擴大，并將取得國際矚目的進展。這類與國際上先進的加速器實驗室同步開展類似的長周期研發(fā)工作是非常難得的，與之前主要針對即將建設(shè)的加速器裝置所需要的、但在國際上已基本成熟的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研是完全不一樣的，具有顯著的創(chuàng)新性和引領(lǐng)性。

3 激光等離子體尾場加速的快速發(fā)展

常規(guī)的加速器加速梯度有限，而基于強激光和束流驅(qū)動的等離子體或結(jié)構(gòu)尾場在理論上可以獲得10 GV/m以上的加速梯度，尤其是近些年來隨著強激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光等離子尾場加速的理論和實驗在國際上獲得了非常大的發(fā)展，盡管離實際應(yīng)用還有一定的距離，但發(fā)展?jié)摿薮螅瑥拈L遠看，將是粒子加速器的主流發(fā)展方向。基于束流驅(qū)動的尾場加速對實驗條件的要求非常高，我國目前只有清華大學(xué)和中國科學(xué)院高能物理研究所團隊開展此方向的理論與模擬研究[43]，其他單位主要開展激光尾場加速器研究。激光等離子體尾場可實現(xiàn)GV/cm的加速梯度，使建設(shè)規(guī)模更緊湊的加速裝置成為可能，另外，它也有潛力成為優(yōu)秀的輻射源[44]。我國多個單位，以中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所、中國科學(xué)院物理研究所、北京大學(xué)、中國工程物理研究院激光聚變研究中心、上海交通大學(xué)和清華大學(xué)等單位為代表，在這方面緊跟國際發(fā)展趨勢并取得了很好的進展，發(fā)展了有各自特色的激光尾場加速理論，也建設(shè)了相應(yīng)的實驗設(shè)施。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所團隊利用不斷優(yōu)化的200 TW、1 Hz的鈦藍寶石激光器產(chǎn)生的激光尾場，實現(xiàn)了將電子束流加速至667 MeV[45]；2021年，通過激光自聚焦效應(yīng)以及調(diào)控等離子密度，又實現(xiàn)了將電子束流加速至800 MeV，且能散極小[46]。該科研團隊還在全球范圍內(nèi)首次利用其激光尾場加速的490 MeV電子束流穩(wěn)定獲得了27 nm自由電子激光，如圖7所示[47]。清華大學(xué)的科研團隊克服了外部注入正負電子束流時需要極高的時間同步精度、激光束流和尾波尺寸小帶來的匹配難度等困難，成功地實現(xiàn)了以近100%的效率將傳統(tǒng)直線加速器加速的31.3 MeV電子束流耦合至激光尾場加速中[48]。上海交通大學(xué)的科研團隊提出了通過串級激光加速的方式產(chǎn)生GeV能級的高亮度γ射線[49]。北京大學(xué)激光加速器實驗室在使用激光和固體靶加速質(zhì)子方面取得了新的成就，克服了激光加速離子束流的寬能譜、大角散等問題，成功地實現(xiàn)了1%的束流能散[50]，盡管其加速的質(zhì)子束流能量不是很高，但獲得準(zhǔn)單能束流依然是很令人振奮的進展。

圖7 上海光學(xué)精密機械研究所 基于激光尾場加速的自由電子激光裝置Fig.7 Free electron laser based on laser plasma wake field acceleration at SIOM

4 總結(jié)

本世紀(jì)以來，我國的粒子加速器發(fā)展極為迅速，不同類型和應(yīng)用方向的加速器都得到了很好的發(fā)展，從之前的發(fā)展中國家領(lǐng)頭羊到整體上接近世界先進水平，有力地支撐了我國廣泛的前沿科學(xué)研究和國民應(yīng)用。正在建設(shè)的和籌備建設(shè)的大型加速器裝置，將使我國的加速器研究和建造水平更上一層樓。在學(xué)科建設(shè)方面，加速器物理和加速器技術(shù)的不同研究方向也在這期間得到了很大的發(fā)展，目前已進入到發(fā)展原創(chuàng)性的加速器理論或設(shè)計理念以及加速器技術(shù)階段。本文嘗試對20年來我國粒子加速器的發(fā)展作一個全方位的介紹并對未來的發(fā)展作一些展望。

另外，我國臺灣的加速器也發(fā)展得很好，尤其以近年來建設(shè)的TPS同步輻射光源為代表，這里沒有作進一步的介紹。

非常感謝張闖、趙振堂、趙紅衛(wèi)、馮光耀、賈啟卡、鄧海嘯、黃光順、李大章等提供了素材或?qū)ξ闹胁糠謨?nèi)容進行了審核。受作者視野和認知能力所限，本綜述可能很不完整，對一些重要加速器裝置或進展有遺漏或描述不到位，在這里表示歉意。