星期五, 04 07月 2025 10:30

国内首台大型超导加速设备-高品质因数超导腔

中国科学院高能物理研究所潘卫民团队联合PAPS,成功研制出国际领先的高品质因数1.3 GHz 9-cell超导加速模组。该模组创新应用中温退火工艺,其品质因数(Q值)和综合性能全面超越当前国际最高设计指标(美国LCLS-II-HE),拥有完全自主知识产权。同时,团队自主研发的500 MHz超导腔系统已在BEPCII上稳定替代进口运行7年,性能世界领先。这些突破标志着我国全面掌握高性能超导腔核心技术,跻身世界前列,并成功应用于多项国家重大科技基础设施(如SHINE, S3FEL, CEPC等),打破了国外垄断,大幅降低加速器建造和运行成本,有力支撑了我国大科学装置建设和前沿科学研究。

核心突破与创新:

  1. 1.3 GHz模组性能卓越: 该模组总长12米,由8只1.3 GHz 9-cell超导腔串联构成。其核心创新在于成功将中温退火技术应用于该型超导腔。测试结果显示:
    • 品质因数(Q值):处于国际领先水平,显著优于美国LCLS-II及其升级项目LCLS-II-HE(当前国际最高设计指标)的掺氮工艺模组性能。
    • 加速梯度:达到国际一流水平
    • 整体性能:模组的总腔压、总热负荷以及8只超导腔的平均加速梯度和Q值,全面超越LCLS-II/LCLS-II-HE的设计指标。
    • 意义:极高的Q值意味着运行能耗极低,可大幅节省加速器的建造和运行成本。该成果拥有完全自主知识产权。
  2. 500 MHz超导腔系统成功国产化: 团队自主研发的国内首个500 MHz超导高频腔系统,性能指标达世界领先,并成功应用于北京正负电子对撞机(BEPCII),稳定替代进口设备运行7年。这是国内唯一长期稳定运行于大科学装置的国产超导腔系统,表明我国全面掌握了该技术,跻身世界少数能研制国家之列。其技术积累支撑了后续世界首台极低β轮辐超导腔及强流质子加速器的研制(被国外誉为“里程碑”),服务于加速器驱动嬗变装置、散裂中子源二期等国家重大科技基础设施。

广泛应用与深远影响:

  • 国内急需: 该1.3 GHz超导加速模组技术已被我国在建和规划的重大科技基础设施(如上海SHINE装置、深圳S3FEL装置、未来CEPC对撞机等)列为关键需求。
  • 国际影响: 相关技术(包括1.3 GHz和650 MHz超导腔)已被我国高重频自由电子激光装置、CEPC以及国外超导加速器设计方案采用。
  • 战略意义: 此项关键技术的攻克与国产化,标志着中国在粒子加速器核心器件领域实现高水平科技自立自强,打破了国外垄断,显著降低加速器造价与运行成本,为前沿大科学装置建设提供了强有力的自主保障。
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