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中國科學(xué)院高能物理研究所 粒子物理是研究物質(zhì)最微觀組元及其相互作用的學(xué)科，是70年來最基礎(chǔ),、最重要的前沿科學(xué)之一,。幾百年來，對最小物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究引領(lǐng)著科學(xué)發(fā)展的不斷深入,，是許多新領(lǐng)域,、新理論和新技術(shù)的源頭和推動(dòng)力。2012年希格斯粒子發(fā)現(xiàn)以后,，粒子物理面臨著重大轉(zhuǎn)折：一方面標(biāo)準(zhǔn)模型得到完全的驗(yàn)證,；另一方面理論和實(shí)驗(yàn)的研究都表明這不是終點(diǎn)，必然存在比標(biāo)準(zhǔn)模型更為基礎(chǔ)的物理原理,。精確研究和測量希格斯粒子的性質(zhì)是公認(rèn)的尋找新物理的最佳突破口(Physics Briefing Book, https:///abs/1910.11775),。為此，中國科學(xué)家于2012年9月首先提出環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)，并可以在相同隧道中升級為超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)的設(shè)想,。CEPC的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)周長為100km，質(zhì)心能量優(yōu)化在240GeV,，在無需硬件改動(dòng)的前提下,，可在Z(91GeV)和WW(~165GeV)能區(qū)高亮度運(yùn)行。此后,，在發(fā)現(xiàn)更高能量粒子實(shí)驗(yàn)的線索以及技術(shù)成熟條件下,，利用同一條隧道建造~100TeV質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī)(SppC)，直接尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理現(xiàn)象,，理解宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì),，揭示宇宙演化的奧秘，探索更基礎(chǔ)的物理規(guī)律,。粒子對撞機(jī)的工作原理是將兩束動(dòng)量相反的粒子束團(tuán),，在加速器內(nèi)加速到接近光速后進(jìn)行碰撞，現(xiàn)將涉及的前沿技術(shù)介紹如下,。一,、環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)中的前沿技術(shù)超導(dǎo)高頻系統(tǒng)主要作用是為正、負(fù)電子束流提供能量,。主要包括超導(dǎo)腔,、主耦合器、調(diào)諧器,、高階模(HOM)耦合器和吸收器,、恒溫器等部件。其中,，超導(dǎo)腔是核心部件,，除為粒子提供能量，還為束流提供縱向聚焦力,；主耦合器負(fù)責(zé)將微波饋入超導(dǎo)腔,；HOM耦合器和吸收器負(fù)責(zé)超導(dǎo)腔內(nèi)高階模的導(dǎo)出和吸收；調(diào)諧器用于補(bǔ)償超導(dǎo)腔運(yùn)行時(shí)的頻率擾動(dòng),；恒溫器則為超導(dǎo)腔提供約零下271℃(2K)的低溫環(huán)境,。CEPC超導(dǎo)高頻系統(tǒng)包括兩部分：對撞環(huán)40個(gè)11米長的650MHz超導(dǎo)高頻模組，每個(gè)模組含6只650MHz2-cell腔,，如圖1所示,；以及增強(qiáng)器12個(gè)12米長的超導(dǎo)高頻模組，每個(gè)模組含8只1.3GHz9-cell腔,。 
圖1 CEPC 650 MHz超導(dǎo)高頻模組其中,，高性能超導(dǎo)腔(高Q值、高梯度)是超導(dǎo)高頻領(lǐng)域最核心的技術(shù)。650MHz2-cell和1.3GHz9-cell超導(dǎo)腔如圖2所示,，由高純鈮制成,，設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，超過了當(dāng)前國際上的最高水平,。目前,，氮摻雜和電拋光是研究高性能超導(dǎo)腔的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，CEPC超導(dǎo)高頻團(tuán)隊(duì)通過研發(fā),，取得了重大進(jìn)展,。1.3GHz1-cell超導(dǎo)腔Q值已經(jīng)達(dá)到4.0E10@21MV/m，并希望最終能夠達(dá)到4.0E10@30MV/m國際領(lǐng)先水平,。此外,，還在積極研發(fā)Nb3Sn鍍膜等新技術(shù)作為超導(dǎo)腔的備選方案。 
圖2 650 MHz 2-cell(a)及1.3 GHz 9-cell超導(dǎo)腔(b) 
目前,，射頻超導(dǎo)加速技術(shù)已成為國際加速器的主流核心技術(shù),，該領(lǐng)域的突破，將為上海硬X射線光源的建設(shè),、開展ILC國際合作等奠定基礎(chǔ),，提高我國加速器的國際地位以及國際合作交流的話語權(quán)。功率源系統(tǒng)是加速器重要的組成部分之一,，將市電功率轉(zhuǎn)換為微波功率,，用于束流能量的提高和彌補(bǔ)同步輻射等因素引起束流能量的損失。在百千瓦量級連續(xù)波功率源方面,，速調(diào)管憑借其較高的效率成為CEPC對撞機(jī)首要選擇,。高效速調(diào)管的研發(fā)將在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用CSM,、COM等新的群聚方法逐步實(shí)現(xiàn)80%以上的效率,，比目前國際水平提高20%。國際上對高效率速調(diào)管的研究剛剛起步,，近年成立了合作組織HEIKA(HighEfficiency International Klystron Activity),，目前第一支高效率速調(diào)管處于設(shè)計(jì)階段。為推動(dòng)并實(shí)現(xiàn)我國高功率高效率微波源的設(shè)計(jì),、制造及產(chǎn)業(yè)化,，滿足未來大型加速器及其他行業(yè)的需求，CEPC團(tuán)隊(duì)組建新型高效率微波源研制合作組,。合作組聘請日本KEK和巴基斯坦PINSTECH專家并聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)研究所,、大學(xué)和企業(yè)，采用產(chǎn),、學(xué),、研結(jié)合的方式對CEPC高效率速調(diào)管進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，力爭80%以上的效率，達(dá)到世界先進(jìn)水平,。提高速調(diào)管的效率以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用是緩解高能耗問題的重要突破點(diǎn),。尤其對于國際上提出的大科學(xué)工程,，如CEPC,、FCC、ILC,、CLIC等,，速調(diào)管的成本和效率很大程度上決定了它們的造價(jià)和運(yùn)行成本。此外,，速調(diào)管作為尖端產(chǎn)品,，還可以應(yīng)用于電真空行業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域，有著極其廣泛的用途,，如,，高能加速器裝置,、核聚變研究試驗(yàn)裝置,、國防、醫(yī)用加速器,、工業(yè)輻照加速器,、航空空中道路監(jiān)控雷達(dá)和工業(yè)用微波加熱設(shè)備等。 
加速器磁鐵設(shè)備是環(huán)形對撞機(jī)中種類數(shù)量最多的器件,，其長度約占據(jù)總環(huán)周長的70%~80%,。正負(fù)電子束流先由直線加速器加速到10GeV的能量，然后再由增強(qiáng)器加速到對撞環(huán)所需要的120GeV的能量,。全環(huán)磁鐵系統(tǒng)中包括二極磁鐵,，四極磁鐵，六極磁鐵和校正磁鐵等多種類型,。因此，磁鐵研制的主要方向之一為降低磁鐵造價(jià)和磁鐵功率損耗,。此外,，對于CEPC增強(qiáng)器的二極磁鐵的磁場必須隨著正負(fù)電子能量的增加而同步增加,。當(dāng)直線加速器10GeV的正負(fù)電子束流注入到增強(qiáng)器時(shí)，二極磁鐵的工作磁場為28高斯，當(dāng)正負(fù)電子束流加速到120GeV時(shí),，二極磁鐵的工作磁場為338高斯,。從正負(fù)電子束流性能角度考慮，二極磁鐵的磁場精度和勵(lì)磁重復(fù)性都必須滿足比較高的要求,，但是由于地磁場大約為0.5高斯，以及通用的鐵芯純鐵材料剩磁大約4~6高斯,，對于最低工作磁場只有28高斯的磁鐵來說,，磁場精度和勵(lì)磁重復(fù)性的要求很難達(dá)到。目前在國際上,，高精度二極磁鐵最低工作磁場大約127高斯,，而最低工作磁場為28高斯的高精度交變磁場磁鐵從來沒有成功研制過，其設(shè)計(jì)和研制都極具挑戰(zhàn)性,，如果能夠研制成功,，就能達(dá)到國際先進(jìn)水平。CEPC主環(huán)磁鐵大部分二極磁鐵和四極磁鐵采用雙孔徑磁鐵的方案,，相比單孔徑磁鐵方案,，可降低約50%的磁鐵功率損耗。雙孔徑四極磁鐵需要解決兩個(gè)孔徑內(nèi)磁場的耦合干涉問題,；同時(shí)磁鐵長度長,，高階場要求高。我們需要優(yōu)化磁鐵設(shè)計(jì),，最佳的解決與物理,、真空系統(tǒng)之間的問題。完成預(yù)研后,，將使我國在高精度磁鐵研制和測量上走在國際前列,，也將帶動(dòng)我國一批傳統(tǒng)機(jī)加企業(yè)成為高精度、自動(dòng)化,、數(shù)字化和智能化方向的高新企業(yè),。CEPC的束流軌道由數(shù)萬個(gè)元件構(gòu)成，其中包括各種磁場約束元件,、電場加速元件,、束流探測元件和真空設(shè)備等。要保證直徑僅有幾十微米的粒子束沿設(shè)計(jì)軌道運(yùn)行和加速,，在設(shè)計(jì)的位置上實(shí)現(xiàn)對撞,、出光，提高束流的壽命和品質(zhì),，就必須對所有元件的位置精度提出嚴(yán)格要求,，使其實(shí)際束流軌道與理論設(shè)計(jì)束流軌道的幾何誤差小于要求的限差,。CEPC對撞環(huán)周長為100km，要求相鄰元件間的橫向,、高程位置精度優(yōu)于0.1mm,，要在如此大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)如此高的元件定位精度，這給CEPC準(zhǔn)直工作提出了難度極高的挑戰(zhàn),，為此我們開展了三維定向平差數(shù)據(jù)處理技術(shù),、大地水準(zhǔn)面精化、視覺測量儀的研究,。目前國際各大加速器裝置在測量數(shù)據(jù)處理方面普遍采用平面方向和高程方向數(shù)據(jù)分開平差計(jì)算的方法,，在原理上存在模型缺陷，不利于提高數(shù)據(jù)處理精度,。在大地水準(zhǔn)面精化方面,，目前只有CERN開展了大地水準(zhǔn)面精化研究，建立了CERN的大地水準(zhǔn)面精化模型,，垂線偏差小于1秒,。我國尚未開展過用于大型加速器裝置的大地水準(zhǔn)面精化研究,。在測量儀器方面,，CERN和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室將攝影測量系統(tǒng)應(yīng)用于大型探測器的組裝測量，我國在加速器攝影測量方面目前還處于實(shí)驗(yàn)探索階段,。國外多個(gè)加速器實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合HEXAGONMETROLOGY,ETALON,ELTOS等多家儀器行業(yè)領(lǐng)頭公司成立了多國聯(lián)合研究組織PACMAN,，開展了多方面的研究，包括將攝影測量方法引入到全站儀中建立可自動(dòng)化瞄準(zhǔn)識(shí)別的高精度測角網(wǎng)絡(luò)Microtriangulation,、基于激光干涉測量的多路激光測量系統(tǒng)FSI,。國內(nèi)對準(zhǔn)直測量新儀器的研究一直處在停滯階段。未來,，三維定向平差研究成果可以應(yīng)用于所有大型工程測量中多站搭接測量數(shù)據(jù)的平差處理,，提高數(shù)據(jù)處理精度，完成后將達(dá)到國際領(lǐng)先水平,。大地水準(zhǔn)面是一項(xiàng)基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)研究,，可以為其他測量工作提供起算基準(zhǔn)，其研究成果在空間科學(xué),、地球科學(xué)和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,，完成后將達(dá)到國際一流水平。視覺測量儀,，如圖4所示,，是一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，可以滿足目前廣泛存在的高效高精度測量需求,。以上研究將有助于我國在大尺度(千米以上)高精度準(zhǔn)直技術(shù)方面走在國際前列,。 
圖4 視覺測量儀(a)及五面體靶標(biāo)(b)真空系統(tǒng)是加速器的基礎(chǔ)工程,，束流只有在真空環(huán)境中運(yùn)行，才能保持足夠的壽命,。加速器真空系統(tǒng)由真空盒,、波紋管、同步輻射光吸收器,、閥門,、真空獲得和測量等設(shè)備組成。在設(shè)計(jì)真空盒時(shí),，除了要滿足真空方面的性能要求外,，還要滿足束流動(dòng)力學(xué)的要求。在CEPC真空系統(tǒng)預(yù)研階段進(jìn)行了6米長鋁合金和無氧銅彎轉(zhuǎn)真空盒的研制,，解決了真空盒擠壓成型和焊接等技術(shù)難題,。通過彎轉(zhuǎn)真空盒預(yù)研，實(shí)現(xiàn)了真空盒材料,、擠壓成型和焊接工藝國產(chǎn)化,。RF屏蔽波紋管的主要功能是用于補(bǔ)償真空盒的熱脹冷縮，減小整個(gè)束流管道的阻抗,。NEG(Non-EvaporableGetters)鍍膜是由歐洲核子研究中心(CERN)發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù),，在LHC上，約有1200根真空盒進(jìn)行了NEG鍍膜,，總長約6千米,。NEG薄膜可以壓縮電子倍增和束流導(dǎo)致的壓強(qiáng)上升，并且提供線性抽速,。通過預(yù)研掌握真空盒內(nèi)表面鍍吸氣劑膜工藝方法,，達(dá)到與CERN同樣的技術(shù)水平，為CEPC的100千米真空盒鍍膜打下基礎(chǔ),。圖5為鍍膜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，等離子體放電和膜的微觀結(jié)構(gòu)。 
圖5 鍍膜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),、等離子體放電和膜的微觀結(jié)構(gòu)鋁真空盒的擠壓成型技術(shù)可用于工程上復(fù)雜鋁真空室的制造,，鋁和不銹鋼復(fù)合板的研制可以取代進(jìn)口材料。鍍吸氣劑膜技術(shù)已在新型太陽能熱板中起到隔熱功能,，大大提高熱轉(zhuǎn)化效率,。另外，吸氣劑膜在真空器件和半導(dǎo)體工業(yè)也可得到應(yīng)用,。CEPC將采用超導(dǎo)腔加速器方案,，運(yùn)行環(huán)境為2K。低溫系統(tǒng)布局圖如圖6所示,，東,、西兩側(cè)共有4個(gè)超導(dǎo)腔低溫站點(diǎn),，每個(gè)站點(diǎn)配有一臺(tái)制冷功率為[email protected]的氦低溫制冷機(jī)，為超導(dǎo)腔提供穩(wěn)定可靠的低溫環(huán)境,。南,、北兩側(cè)有兩個(gè)磁鐵低溫站點(diǎn)，對撞區(qū)超導(dǎo)磁鐵提供4.5K的低溫環(huán)境,，為每個(gè)對撞區(qū)提供[email protected]的制冷能力,。 
圖6 CEPC-SppC低溫系統(tǒng)布局圖大型低溫系統(tǒng)集成以及安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行是CEPC建設(shè)的關(guān)鍵,。低溫系統(tǒng)涉及氦制冷機(jī),、2KJT換熱器、冷壓縮機(jī),、高性能低溫傳輸管線,、精密測量系統(tǒng)(流量、溫度,、壓力,、液位等)，高性能恒溫器設(shè)計(jì),、低漏熱絕熱支撐等多類型關(guān)鍵部件和技術(shù),。CEPC低溫系統(tǒng)的預(yù)研，將是我國首次實(shí)現(xiàn)大學(xué)低溫系統(tǒng)的搭建,。大型低溫技術(shù)在超導(dǎo)加速器裝置、熱核聚變裝置,、宇宙深低溫環(huán)境模擬,、氫氣液化和儲(chǔ)運(yùn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是大科學(xué)工程,、航空航天,、新能源等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)設(shè)備，是國家綜合競爭力的重要體現(xiàn),。束測系統(tǒng)被稱為加速器的“眼睛”,，能夠提供束流在真空管道中的位置,、束流強(qiáng)度、束團(tuán)橫向截面,、束團(tuán)長度和束流損失等信息,，此外還有束流反饋系統(tǒng)用于抑制束流不穩(wěn)定性。束測系統(tǒng)基本組成包括探測器,、前端電子學(xué),，系統(tǒng)電子學(xué)以及局域網(wǎng)，完成束流測量,、處理和數(shù)據(jù)共享,。束測設(shè)備分布在隧道，本地站和中央控制室,。束測系統(tǒng)重點(diǎn)解決束流位置測量電子學(xué)長期穩(wěn)定等關(guān)鍵問題,。通過電路板精確控溫系統(tǒng)，在線校正技術(shù)等實(shí)現(xiàn)電子學(xué)長期穩(wěn)定運(yùn)行,。其中,，電路板精確控溫系統(tǒng)，在線校正技術(shù)更可推廣至民用領(lǐng)域,，對于高精度測試測量儀器的穩(wěn)定運(yùn)行和在線校正提供解決方案,；超高真空陶瓷穿墻件可以廣泛應(yīng)用于類似的真空系統(tǒng)中，用于信號提取和饋入,，對于提升國內(nèi)陶瓷金屬化技術(shù)水平,，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級等有重要作用。通過束流反饋系統(tǒng)的預(yù)研,，完成束流反饋系統(tǒng)電子研制和調(diào)試,，實(shí)現(xiàn)反饋系統(tǒng)的國產(chǎn)化，抑制束流不穩(wěn)定性,，實(shí)現(xiàn)CEPC大流強(qiáng)對撞,，提高對撞亮度。CEPC預(yù)研完成后,，束流位置測量電子學(xué)控制精度好于0.1℃/hr,，電子學(xué)穩(wěn)定度10μm/day。超高真空穿墻件真空漏率小于1.3×10-10Pa·m3/s,，耐800V高壓,，達(dá)到最好商業(yè)產(chǎn)品水平。束流反饋電子學(xué)通過與專注于反饋系統(tǒng)研制的Dimtel公司進(jìn)行國際合作提升自身的水平,，與國際接軌,。CEPC直線加速器的主要功能是為增強(qiáng)器提供10GeV正負(fù)電子，總長度約1.2千米,。如圖7所示,，主要構(gòu)成有電子槍,、聚束系統(tǒng)、直線加速段,、正電子源,、電子旁路傳輸線等部分組成。在整個(gè)直線加速器中發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)：一個(gè)是用于提升電子能量的行波加速管,，另一個(gè)是正電子源的重要組成部分磁號,。加速管是將微波能量轉(zhuǎn)換為電子能量的慢波結(jié)構(gòu)。磁號則在脈沖電源的作用下,，提供6~0.5特斯拉的脈沖磁場,，它產(chǎn)生的磁場在5mm之內(nèi)上升到最大值并在100mm內(nèi)急劇下降，用于將4GeV,，單束團(tuán)電荷量要達(dá)到10nC的高能電子束打靶產(chǎn)生的小橫向尺寸,、大發(fā)散角的正電子束轉(zhuǎn)換到大橫向尺寸、小發(fā)散角正電子束,，便于后續(xù)的俘獲和加速,。 
國際上先進(jìn)的常溫直線加速器以韓國浦項(xiàng)10GeVS波段常溫直線加速器為代表，其在高功率測試臺(tái)上測得的加速梯度為30MV/m,。通過CEPC預(yù)研,，我們目前已完成的加速管在高功率測試臺(tái)上加速梯度已大于30MV/m，達(dá)到國際同類結(jié)構(gòu)的平行水平,。此后,，將進(jìn)一步開展帶束流平均梯度驗(yàn)證。對于CEPC正電子源,，與其設(shè)計(jì)參數(shù)接近的是日本KEK研究機(jī)構(gòu)SuperKEKB直線加速器中的正電子源系統(tǒng),，項(xiàng)目組與KEK的相關(guān)人員緊密合作，目前已成功完成CEPC正電子源所需磁號的研制,，達(dá)到國際先進(jìn)水平,。加速管是常溫直線加速器的核心部件,，磁號是正電子源必不可少的部分,，該技術(shù)水平的提高，不僅有助于我國加速器水平的提高,，還將有助于我國在國際合作中占有一席之地,。其產(chǎn)業(yè)化，可培育一批企業(yè)走向國際市場,。加速器和探測器的接口(MDI)是對撞機(jī)設(shè)計(jì)里最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一,。它覆蓋了探測器本底、擋板和屏蔽的設(shè)計(jì),、螺線管場補(bǔ)償,、超導(dǎo)磁鐵的設(shè)計(jì),、對撞區(qū)Beampipe的設(shè)計(jì)、輻射防護(hù),、對撞區(qū)的整體設(shè)計(jì)及優(yōu)化以及亮度監(jiān)測等加速器和探測器所有普遍存在的問題,，是衡量加速器和探測器設(shè)計(jì)性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。其中,，磁鐵是核心部件,。目前國際上同類磁體中技術(shù)水平最先進(jìn)的為日本SuperKEKB對撞區(qū)超導(dǎo)四極磁體。國內(nèi)目前在這方面的研究是空白,。CEPC對撞區(qū)超導(dǎo)四極磁體設(shè)計(jì)為帶鐵芯的cos2θ型雙孔徑超導(dǎo)磁體,，兩孔徑中心線夾角為33mrad，結(jié)構(gòu)緊湊,，很好解決了兩孔徑之間的磁場干涉問題,。這是國際上首次提出的兩孔徑帶夾角、共享磁軛cos2θ型雙孔徑超導(dǎo)四極磁體設(shè)計(jì)方案,。其磁場梯度,、長度和技術(shù)復(fù)雜程度均比SuperKEKB對撞區(qū)超導(dǎo)四極磁體要大。預(yù)研完成后,，將系統(tǒng)掌握其設(shè)計(jì),、制造工藝、磁場測量,、失超保護(hù),、低溫測試等關(guān)鍵技術(shù)，使我國在對撞區(qū)超導(dǎo)磁體領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平,。該預(yù)研初步計(jì)劃與俄羅斯BINP實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行,。此外，CEPC MDI遠(yuǎn)程連接位置距探測器厄鐵邊緣距離長,，遠(yuǎn)超北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPC),、日本SuperKEKB及FCC方案，設(shè)計(jì)難度大,。目前建成的對撞機(jī)中,，日本SuperKEKB設(shè)計(jì)比較先進(jìn)且得到成功應(yīng)用，我們將在其基礎(chǔ)并借鑒BEPC的經(jīng)驗(yàn),，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,。預(yù)研完成后，將會(huì)令我國MDI機(jī)械技術(shù)躋身世界前沿,。
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