中科院院士王貽芳： 我國(guó)已攻克下一代加速器多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

■本報(bào)記者 倪思潔

“作為中國(guó)下一代加速器，環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）的設(shè)計(jì)與預(yù)研進(jìn)展順利，計(jì)劃2022年完成技術(shù)設(shè)計(jì)報(bào)告。”近日，在高能同步輻射光源高端學(xué)術(shù)論壇上，中科院高能物理研究所所長(zhǎng)、中科院院士王貽芳表示，在CEPC預(yù)研項(xiàng)目支持下，研究人員攻克了超導(dǎo)高頻腔、速調(diào)管、等離子體加速注入器、探測(cè)器等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。

超導(dǎo)高頻腔是現(xiàn)代粒子加速器的“心臟”，可以通過(guò)極高的能量效率給帶電粒子加速?！拔磥?lái)10年，國(guó)內(nèi)對(duì)超導(dǎo)高頻腔的需求在1000只以上。但是，我國(guó)超導(dǎo)高頻腔長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)只有少量樣腔?！蓖踬O芳說(shuō)。

王貽芳介紹，在CEPC預(yù)研項(xiàng)目支持下，1.3吉赫茲超導(dǎo)高頻腔已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際最好水平，未來(lái)不僅可以用在CEPC上，還可以用在上海自由電子激光裝置、日本國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)上。此外，650兆赫茲雙腔體的超導(dǎo)腔也達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

速調(diào)管可以給超導(dǎo)高頻腔供應(yīng)微波能量，是現(xiàn)代加速器的核心關(guān)鍵部件，在廣播電視發(fā)射、雷達(dá)、工業(yè)方面也有廣泛應(yīng)用。我國(guó)自上世紀(jì)50年代開(kāi)始研制加速器使用的大型速調(diào)管，但如今仍然依賴(lài)進(jìn)口。

王貽芳介紹，目前國(guó)內(nèi)速調(diào)管的微波能量只有80千瓦，壽命在1萬(wàn)小時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)50%的效率，而國(guó)際水平能達(dá)到1000千瓦能量、10萬(wàn)小時(shí)壽命和60%的效率，“我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1000千瓦能量、10萬(wàn)小時(shí)壽命，并達(dá)到80%的效率”。

“目前，速調(diào)管的第一支樣管已經(jīng)研制成功，指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可用于散裂中子源等國(guó)內(nèi)大科學(xué)裝置，第二支樣管也已經(jīng)開(kāi)始加工，以滿(mǎn)足CEPC高效率的要求?！蓖踬O芳說(shuō)。

CEPC在預(yù)研中還提出了以傳統(tǒng)方案保底、將等離子體加速技術(shù)用于加速器的方案?！皣?guó)際上等離子體加速研究還在實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有真正用于加速器。目前我們的模擬研究已經(jīng)證明方案可行、束流質(zhì)量能夠滿(mǎn)足要求，一些驗(yàn)證試驗(yàn)也將完成。”王貽芳說(shuō)。

CEPC在探測(cè)器預(yù)研方面也取得了一些進(jìn)展。“例如硅像素探測(cè)器方面，CEPC的目標(biāo)是達(dá)到3至5微米的分辨率，目前我們研制的硅像素探測(cè)器主要指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品。”王貽芳說(shuō)。

一直以來(lái)，粒子物理學(xué)家通過(guò)加速器讓粒子對(duì)撞產(chǎn)生出新物理現(xiàn)象來(lái)檢驗(yàn)或挑戰(zhàn)粒子物理的基本模型。然而，隨著粒子物理研究的深入，對(duì)加速器的能力提出了更高要求。“現(xiàn)在全世界的高能物理學(xué)家都在研究下一代大型加速器。”王貽芳說(shuō)。

從上世紀(jì)90年代起，日本科學(xué)家就開(kāi)始研究國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)，目前正在組織預(yù)研實(shí)驗(yàn)組，計(jì)劃在10年之內(nèi)開(kāi)始建設(shè)。

歐洲核子中心（CERN）從2013年開(kāi)始討論未來(lái)加速器計(jì)劃，2019年發(fā)布了從環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)升級(jí)到強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃，預(yù)計(jì)2028年開(kāi)始建設(shè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，并于2038年運(yùn)行，造價(jià)約為100億歐元。2020年6月，CERN在“歐洲粒子物理發(fā)展計(jì)劃”中提出，粒子物理發(fā)展的首要目標(biāo)是建設(shè)正負(fù)電子希格斯工廠。

“美國(guó)也在討論一個(gè)全新的未來(lái)加速器發(fā)展計(jì)劃，很有可能會(huì)在繆子對(duì)撞機(jī)上有一些新想法?！蓖踬O芳說(shuō)。

2012年9月，我國(guó)高能物理學(xué)家提出了下一代加速器方案——環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)—超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。2018年11月，CEPC研究工作組發(fā)布了概念設(shè)計(jì)報(bào)告，并轉(zhuǎn)入技術(shù)設(shè)計(jì)階段。

“我們的目標(biāo)不再是在世界粒子物理領(lǐng)域占有‘一席之地’，而是要站在‘舞臺(tái)中央’?！蓖踬O芳說(shuō)。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2021-07-01 第4版 綜合)

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