物理學院重離子物理研究所射頻超導團隊參與的國家「十二五」重大...

近期，「十二五」國家重大科技基礎設施項目「X射線自由電子雷射試驗裝置」通過國家驗收，北京大學作為共建單位，圓滿完成「射頻超導加速單元」的研製任務。項目驗收專家委員會認為，射頻超導加速單元的各項指標均達到或優於批覆的驗收指標，建設單位掌握了射頻超導加速單元關鍵核心技術，取得了一系列重要技術突破，實現了超導腔研製的全國產化，垂直測試加速梯度和無載品質因數達到國際先進水平。這項建設成果有力地推動了我國自由電子雷射領域的發展，為總投資約100億元的「十三五」國家重大科技基礎設施項目「硬X射線自由電子雷射裝置」的立項和建設提供了技術和人才儲備。

「X射線自由電子雷射試驗裝置」項目由中國科學院上海應用物理研究所和北京大學共同建設。北京大學核物理與核技術國家重點實驗室射頻超導加速器團隊承擔了「射頻超導加速單元」分總體的建設任務，主要包括超導腔研製、超導加速單元研製以及超導腔表面處理和垂測裝置的建設。

射頻超導加速技術是加速器領域的高新技術，是強流高能粒子加速器，特別是連續波X射線自由電子雷射所必需的技術。超導加速腔是超導加速器的核心部件。射頻超導團隊在攻克超導腔表面處理關鍵技術的基礎上，研製成功批量大晶粒9-cell超導腔（圖1），僅採用緩衝化學拋光處理及高溫熱處理，6隻超導腔加速梯度全部在25MV/m以上，在16MV/m（硬X射線自由電子雷射裝置預期運行梯度）和2K溫度下，超導腔品質因數在1.6-2.4X10¹⁰（圖2）。按國際慣例，這批超導腔的加速梯度和品質因數在統計意義上均達到了國際先進水平。

圖1：超導腔加速梯度與品質因數

圖2：大晶粒純鈮超導加速腔

自主設計的超導加速單元採用2X9-cell模組，包括功率耦合器、超流氦兩相管道、頻率調諧器、熱輻射屏、磁屏蔽、低電平控制系統等（圖3）。通過對低溫熱導、高精度幅相控制和氦壓穩定控制等的系統研究，完成了超導加速單元的製造、組裝和水平測試，加速梯度達到21.0-23.5 MV/m，靜態熱損為7.5 W，漏熱、低電平控制和水平測試加速梯度等技術指標與國際上同類裝置相當。本項目建成的垂直測試裝置（圖4）在2K溫度下製冷功率超過200 W，垂測杜瓦內剩磁小於5mGs，能夠在2K、1.8K、1.6K溫度下對高品質因數超導腔進行低溫性能測試。

圖3：射頻超導加速單元

圖4：超導腔垂測裝置

目前超導加速單元已經投入運行，可提供10-20MeV的電子束，已用於在國內首次產生高重複頻率THz輻射等實驗研究。基於本項目的技術基礎，射頻超導團隊已經為中國工程物理研究院研製了一臺2X9-cell超導加速器，將用於高能X射線自由電子雷射預製研究。超導腔表面處理和垂測裝置也已投入運行，為本單位和中科院上海高等研究院、高能物理研究所、蘭州近代物理研究所、中國工程物理研究院等單位開展超導腔高溫退火、氮摻雜等前沿研究提供了平臺。射頻超導加速單元的建設也帶動了一批相關高新技術企業的發展，特別是進一步推動了我國的超導腔產業化進程。