加速器多项关键技术攻克并转入技术设计阶段

2021-08-03 16:37:36

“作为中国下一代加速器,环形正负电子对撞机(CEPC)的设计与预研进展顺利,计划2022年完成技术设计报告。”近日,在高能同步辐射光源高端学术论坛上,中科院高能物理研究所所长、中科院院士王贻芳表示,在CEPC预研项目支持下,研究人员攻克了超导高频腔、速调管、等离子体加速注入器、探测器等多项关键核心技术。

超导高频腔是现代粒子加速器的“心脏”,可以通过极高的能量效率给带电粒子加速。“未来10年,国内对超导高频腔的需求在1000只以上。但是,我国超导高频腔长期依赖进口,国内只有少量样腔。”王贻芳说。

王贻芳介绍,在CEPC预研项目支持下,1.3吉赫兹超导高频腔已经达到了国际最好水平,未来不仅可以用在CEPC上,还可以用在上海自由电子激光装置、日本国际直线对撞机上。此外,650兆赫兹双腔体的超导腔也达到预期指标。

速调管可以给超导高频腔供应微波能量,是现代加速器的核心关键部件,在广播电视发射、雷达、工业方面也有广泛应用。我国自上世纪50年代开始研制加速器使用的大型速调管,但如今仍然依赖进口。

王贻芳介绍,目前国内速调管的微波能量只有80千瓦,寿命在1万小时,只能实现50%的效率,而国际水平能达到1000千瓦能量、10万小时寿命和60%的效率,“我们的目标是实现1000千瓦能量、10万小时寿命,并达到80%的效率”。

“目前,速调管的第一支样管已经研制成功,指标达到了设计要求,可用于散裂中子源等国内大科学装置,第二支样管也已经开始加工,以满足CEPC高效率的要求。”王贻芳说。

CEPC在预研中还提出了以传统方案保底、将等离子体加速技术用于加速器的方案。“国际上等离子体加速研究还在实验室阶段,没有真正用于加速器。目前我们的模拟研究已经证明方案可行、束流质量能够满足要求,一些验证试验也将完成。”王贻芳说。

CEPC在探测器预研方面也取得了一些进展。“例如硅像素探测器方面,CEPC的目标是达到3至5微米的分辨率,目前我们研制的硅像素探测器主要指标已经达到或超过国外产品。”王贻芳说。

一直以来,粒子物理学家通过加速器让粒子对撞产生出新物理现象来检验或挑战粒子物理的基本模型。然而,随着粒子物理研究的深入,对加速器的能力提出了更高要求。“现在全世界的高能物理学家都在研究下一代大型加速器。”王贻芳说。

从上世纪90年代起,日本科学家就开始研究国际直线对撞机,目前正在组织预研实验组,计划在10年之内开始建设。

欧洲核子中心(CERN)从2013年开始讨论未来加速器计划,2019年发布了从环形正负电子对撞机升级到强子对撞机的计划,预计2028年开始建设正负电子对撞机,并于2038年运行,造价约为100亿欧元。2020年6月,CERN在“欧洲粒子物理发展计划”中提出,粒子物理发展的首要目标是建设正负电子希格斯工厂。

“美国也在讨论一个全新的未来加速器发展计划,很有可能会在缪子对撞机上有一些新想法。”王贻芳说。

2012年9月,我国高能物理学家提出了下一代加速器方案——环形正负电子对撞机—超级质子对撞机。2018年11月,CEPC研究工作组发布了概念设计报告,并转入技术设计阶段。

“我们的目标不再是在世界粒子物理领域占有‘一席之地’,而是要站在‘舞台中央’。”王贻芳说。

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