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重离子物理研究所射频超导团队参与的国家“十二五” 重大科技基础设施项目通过国家验收
发布日期:2020-11-20浏览次数:

近期,“十二五”国家重大科技基础设施项目“X射线自由电子激光试验装置”通过国家验收,北京大学作为共建单位,圆满完成“射频超导加速单元”的研制任务。项目验收专家委员会认为:射频超导加速单元的各项指标均达到或优于批复的验收指标,建设单位掌握了射频超导加速单元关键核心技术,取得了一系列重要技术突破,实现了超导腔研制的全国产化,垂直测试加速梯度和无载品质因数达到国际先进水平。这项建设成果有力地推动了我国自由电子激光领域的发展,为总投资约100亿元的“十三五”国家重大科技基础设施项目“硬X射线自由电子激光装置”的立项和建设提供了技术和人才储备。

“X射线自由电子激光试验装置”项目由中国科学院上海应用物理研究所和北京大学共同建设。北京大学核物理与核技术国家重点实验室射频超导加速器团队承担了“射频超导加速单元”分总体的建设任务,主要包括超导腔研制、超导加速单元研制以及超导腔表面处理和垂测装置的建设。

射频超导加速技术是加速器领域的高新技术,是强流高能粒子加速器,特别是连续波X射线自由电子激光所必需的技术。超导加速腔是超导加速器的核心部件。射频超导团队在攻克超导腔表面处理关键技术的基础上,研制成功批量大晶粒9-cell超导腔(图1),仅采用缓冲化学抛光处理及高温热处理,6只超导腔加速梯度全部在25MV/m以上,在16 MV/m(硬X射线自由电子激光装置预期运行梯度)和2 K温度下,超导腔品质因数在1.6-2.4x1010(图2)。按国际惯例,这批超导腔的加速梯度和品质因数在统计意义上均达到了国际先进水平。


1 大晶粒纯铌超导加速腔

2 超导腔加速梯度与品质因数


自主设计的超导加速单元采用2x9-cell模组,包括功率耦合器、超流氦两相管道、频率调谐器、热辐射屏、磁屏蔽、低电平控制系统等(图3)。通过对低温热导、高精度幅相控制和氦压稳定控制等的系统研究,完成了超导加速单元的制造、组装和水平测试,加速梯度达到21.0-23.5 MV/m,静态热损为7.5 W,漏热、低电平控制和水平测试加速梯度等技术指标与国际上同类装置相当。本项目建成的垂直测试装置(图4)在2K温度下制冷功率超过200 W,垂测杜瓦内剩磁小于5 mGs,能够在2K、1.8 K、1.6 K温度下对高品质因数超导腔进行低温性能测试。


目前超导加速单元已经投入运行,可提供10-20 MeV的电子束,已用于在国内首次产生高重复频率THz辐射等实验研究。基于本项目的技术基础,射频超导团队已经为中国工程物理研究院研制了一台2x9-cell超导加速器,将用于高能X射线自由电子激光预制研究。超导腔表面处理和垂测装置也已投入运行,为本单位和中科院上海高等研究院、高能物理研究所、兰州近代物理研究所、中国工程物理研究院等单位开展超导腔高温退火、氮掺杂等前沿研究提供了平台。射频超导加速单元的建设也带动了一批相关高新技术企业的发展,特别是进一步推动了我国的超导腔产业化进程。

3 射频超导加速单元

4 超导腔垂测装置