北京正负电子对撞机(BEPC)是我国第一台基于高能加速器的重大科技基础设施,是“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,在高科技领域又一重大突破性成就”,“为我国粒子物理和同步辐射应用开辟了广阔前景,揭开了我国高能物理研究的新篇章”。改造后的北京正负电子对撞机(BEPCII)是粲物理能区国际领先的双环对撞机,在其建设过程中,高能所坚持以自主创新为主,并与国际先进技术相结合,实现了高水平的集成创新,自主研制的设备超过85%,有力地推动了国内加速器、探测器等高技术的发展。
BEPCII的建造，带动了多项加速器技术的发展和应用，包括高频微波技术、超导低温技术、机械技术、真空技术、控制技术、束流测量技术、磁铁技术、电源技术、辐射防护技术等，将这些技术及相关工艺提高到国际先进水平，一方面在后续的大科学装置如中国散裂中子源（CSNS），加速器驱动次临界系统（ADS）中得到很好应用，另一方面也大大促进了相关工业技术水平的提高。
(1) 超导高频技术
BEPCII储存环超导高频系统是国内加速器界首个投入运行的超导高频系统。2003年系统建设时期,该系统所采用的499.8MHz超导高频腔、250kW大功率速调管、高功率输入耦合器、高次模吸收器、调谐器等重要部件,只能通过进口或联合研制的方式获得。经过工程建设和运行实践，高能所科技人员基本掌握了这种高科技设备的使用与维护,并开展了重要部件的自主设计研制,成功研制出了若干关键部件。这些部件的研制大大提高了科研水平,摆脱了进口依赖,节约了大量外汇,带动了国内相关企业的技术进步。
>> 499.8MHz超导高频腔。2013年自主研制成功的超导高频腔备用腔性能指标达到当时国际同类腔的先进水平，2017年正式在BEPCII上使用，成为国内首个在用户装置上运行的超导高频腔。超导高频腔的自主研制成功标志着我国已经在此领域占有了一席之地，打破了西方先进技术的长期垄断。未来高能同步辐射光源（HEPS）也将采用自行研制的超导高频腔及其配套设备。
>> 高功率输入耦合器。自主研制的高功率输入耦合器在日本测试时，功率达到了连续波的420kW，位于当时国际先进水平，该类型耦合器已应用于ADS先导专项和BEPCII正在运行的超导高频腔上，还可应用于ILC、HEPS，以及CEPC等未来加速器所需的超导高频系统。
>> 高次模吸收器。吸收高次模功率4.4kW以上，吸收效率达到60%以上，达到当时国际先进水平。
>> 调谐器。不仅用于BEPCII的高频系统，还可用于ILC、CEPC等超导加速器。
(2) 束流测量技术
束流测量系统是加速器的重要组成部分之一，被称作加速器的“眼睛”。它由各种精密束流探头、信号处理电子学、数据采集系统等组成，涉及到机、电、光、微波、真空以及加速器物理等多种学科。束流测量系统采用了许多先进技术，主要创新之处包括：
>> 国内首次实现逐束团的束团流强测量（采用长距离光纤映射内存共享技术）。
>> 国内首次实现逐束团束流横向反馈控制。
>> 国内首次实现逐束团束流纵向反馈控制。
>> 国内独家采用8电极BPM同时测量正、负电子束流位置的研究。
>> 国际上首次采用PIN光二极管型束损探测系统研究对撞机探测器的本底。
这其中除了高速、宽带信号处理电子学依赖于进口以外，大量的高精密、高真空束测机械探头都是在国内研制成功，高能所同国内厂家共同攻关，使得我国在高真空机械加工方面跟上了世界先进步伐。
(3) 真空技术
真空系统除了常规的真空盒设计加工外，真空盒内表面镀膜技术在BEPCII的建设期间得到了发展。BEPCII正电子环真空盒内表面需镀约100nm厚的氮化钛膜。国内没有镀膜厂家曾在真空盒内表面镀过氮化钛，厂家试制费用很高。而国外也只有美国SLAC和BNL实验室分别用直流溅射法和直流磁控溅射法在PEP-II和SNS真空盒内表面镀过氮化钛。与PEP-II和SNS的真空盒相比，BEPCII储存环真空盒孔径小、弯转弧度大，因而在真空盒内表面镀氮化钛更具挑战性。高能所充分借鉴国外加速器真空盒内表面镀氮化钛的成功经验，自行设计、研制了真空盒内表面镀氮化钛实验装置，摸索出一套合理的镀膜工艺参数和操作规范，为真空盒的批量镀膜奠定了基础，最终BEPCII储存环正电子环真空盒内表面镀氮化钛的质量达到了国际同类装置的水平。
用直流溅射法在弯转铝真空盒内表面镀氮化钛技术填补了国内空白，并为中国散裂中子源陶瓷真空盒内表面成功地镀氮化钛打下了基础。
对撞区铜真空盒及BPM的焊接，特别是镍铜与无氧铜的焊接非常困难，高能所在工程建设过程中所积累的焊接工艺和经验是一种宝贵的财富，为其他领域的焊接提供了丰富的经验。
(4) 控制技术
EPICS系统是80年代末美国LANL和ANL实验室联合开发的一个开源软件包，用于构建分布式控制系统的体系结构，提供软件开发运行环境，是先进的控制系统集成工具。国际上有100多家实验室、大学、研究机构的项目使用EPICS系统，包括加速器控制系统、高能物理实验数据获取系统、射电天文望远镜和工业过程控制系统等，如美国的LANL、ANL/APS、SLAC/Spear-3、BNL/NSLS-II、FNAL/D0、JLAB/CEBAF、ORNL/SNS、LBNL/ALS、加拿大TRIUMF、欧洲的PSI/SLS、HZB/BESSY-II、DLS/Diamond，DESY、澳大利亚光源AS、日本KEK/KEKB和韩国的PAL/PLS等。
BEPCII控制系统基于EPICS进行开发，系统总体性能达到国际先进水平。其成功研发，提高了系统的标准化程度和可靠性，是EPICS在我国应用的典型范例，得到了国外专家的好评。系统建造中取得了具有创新性的成果，主要有：
1)首次在国内建成了采用VME IOC和标准模型的EPICS控制系统；2)采用先进的PSC/PSI接口部件建成了磁铁电源控制系统，实现了PSC/PSI模块的国产化；3)建成了国内第一个投入运行的事件定时系统；4)建成了国内首个加速器超导低温控制系统；5)研发了具有动态数据导入和查询功能的Oracle数据库系统。上述工作全部纳入了EPICS体系。
高能所还致力于EPICS在中国的推广应用。目前,我国的BEPCII,合肥同步辐射光源NSRL、上海光源SSRF、中国散裂中子源CSNS、ADS先导专项质子直线加速器等大科学工程的加速器控制系统都采用了EPICS系统。中国工程物理研究院流体物理所、中国工程物理研究院应用电子研究所、清华大学工程物理系、哈工大、科院兰州近物所等越来越多的国内实验室和大学加入了EPICS研究的行列。
(5) 注入相关技术
BEPCII注入冲击磁铁采用了一种国际首创的新型的冲击磁铁设计方案,这种方案利用制作在陶瓷板表面上的宽34mm的金属膜,不仅为束流镜像电流提供通路,减小了束流阻抗,而且可以使磁铁的脉冲磁场基本无衰减无畸变的通过,确保了场的均匀性。BEPCII新型的冲击磁铁汇聚了快脉冲磁场、高压、真空和束流物理等方面的难题,研制过程极具挑战性,在研制过程中发展的一些关键技术,对后续的加速器工程和其它相关领域,具有很重要的借鉴意义。
1)大尺寸陶瓷板的制造技术。与中国科学院上海硅酸盐研究所合作攻关,在此过程中形成的大型陶瓷板烧结和加工工艺为国内生产同类产品,如CSNS工程RCS引出冲击磁铁陶瓷板,提供了宝贵的经验。
2)大型陶瓷板镀膜技术。采用制作精细釉膜电阻的方法制作陶瓷板导电膜,这种方法非常适合制作大块陶瓷板上的高精度、高稳定度的导电膜,具有重要的应用价值。
3)高压真空穿墙件焊接技术。高压真空穿墙件的主要技术难点是高压绝缘和真空密封。BEPCII注入冲击磁铁在国内首次实现了无氧铜电极和陶瓷的焊接,不仅使电极的加工难度降低,而且焊接性能好,成功率高。这种在导体材料选用上的突破对于降低高压真空穿墙件的研制难度和造价意义重大,对于国内电真空技术的发展具有促进作用。
4)BEPCII注入冲击磁铁电源,主要采用的创新技术有平衡变压器技术、闸流管逆弧抑制技术、双脉冲触发器和时间漂移调节器,这些技术发展了加速器注入引出快脉冲kicker技术,对CSNS工程和即将建设的HEPS工程具有重要的借鉴意义。
5)平衡变压器技术。BEPCII注入冲击磁铁电源采用平衡变压器技术成功地解决了slotted-pipe型冲击磁铁的双极性供电问题,大大简化了电路结构。平衡变压器是一种从不平衡电路到平衡电路的转换装置,在信号传输技术中应用十分广泛。平衡变压器的研制工作、设计理论和分析方法为将来类似的设计工作提供重要的参考依据,同时也为国内磁性材料的生产商提供了其产品在1MHz工作频率下的宝贵实验数据。
6)闸流管逆弧抑制技术。BEPCII注入冲击磁铁电源采取了阻尼电阻、饱和电抗器来解决闸流管逆弧问题,这种技术目前已用于CSNS/RCS引出kicker电源上。
7)闸流管触发器。自行研制的双脉冲闸流管触发器,实现了设备国产化,为工程节省了经费,并可直接应用于以闸流管作为开关的工程项目中。
(6) 低温技术
低温技术是BEPCII采用的重要技术之一。BEPCII低温系统采用了当今世界上最先进的低温与超导技术,在国内加速器上首次大规模地采用了超导腔、超导插入磁铁和超导探测器磁铁技术,以及相应的氦低温制冷技术。通过BEPCII低温系统的建设,高能所逐步建成了初具规模的实验室,具备了开展低温超导技术工程应用和研究的条件。
BEPCII低温技术推广及实际应用的主要项目包括:BEPCII备用超导腔恒温器的研制、欧洲硬X射线自由电子激光(EXFEL)大型低温恒温器关键技术研究、BEPCII插入磁铁备用电流引线塔的设计和制造,同时这些技术还在ADS先导项目的注入器I低温系统、CSNS低温系统、1.3 GHz超导加速组元和通用水平测试台低温恒温器研制上得到充分的应用等等。
BEPCII建设过程中还发展了机械技术、电源技术、磁铁系统技术,这些技术在基础科研领域及经济、医学、能源等方面都发挥了重要作用。
核探测技术与核电子学是粒子物理、核物理、粒子天体物理等学科的基础,为这些学科开展实验研究提供必备的方法与手段。同时这些技术方法与手段在国民经济、核医学、核能源等方面也有重要应用，起着重要与不可替代的作用。
在BEPCII/BESIII工程建设过程中,核探测技术与核电子学系统走上了国际前沿,有了很大的突破和发展。成功建造完成了具有国际先进水平的CsI(Tl)晶体电磁量能器、小单元氦基气体主漂移室、高精度飞行时间探测器、RPC μ子探测器等新型探测器装置,以及读出电子学系统、触发系统和高速数据获取系统。对“核探测技术与核电子学”学科的发展起到了积极的推动作用。积累的大量探测器、电子学以及触发和数据获取系统设计经验,带动了国内相关研究领域的发展,为建设创新型国家进一步作出贡献。
北京谱仪III-超导磁体
高能所自主研制了北京谱仪III的大型超导磁体,是我国单体最大的超导磁体,内径2.75米、长度3.9米、中心磁场1万高斯。利用研制过程中掌握的一系列关键技术,开展了技术成果转化并实现了产业化。
2009年,研制成功国内首台工业现场使用大型超导磁体——超导除铁器,用于除去混杂到煤炭中的铁磁性杂物。2010年,研制成功场强为1.5特斯拉的人体核磁共振成像超导磁体,作为核心关键部件,促进了国内核磁共振成像整机系统产业的提升。
2012年，研制成功世界首台5.5特斯拉零挥发低温超导磁选机。采用新的技术，大幅降低了液氦运行费，提高了磁选效率，技术性能达到国际领先水平。
超导磁选机成功走出生产线
(1) 核成像技术
核成像是以探测放射性射线的位置与能量为基础的成像技术，高能所以精密检测和分子影像作为核成像技术重点发展方向，开展核成像基础研究、核心技术攻关和系统研制，以创新技术和先进设备服务社会、工业发展和人民健康。
在分子影像技术方面，高能所是国内最早开展分子影像技术研究和设备研制的单位之一。先后研制成功用于科学研究的动物PET、动物PET/CT、动物SPECT/CT和用于临床诊断的乳腺PET、乳腺SPECT、乳腺CT、新型人体全身PET等自主知识产权的分子影像设备，并以自主研制的分子影像设备为基础建立了分子影像研究平台，提供开放服务。在应用加速器技术方面，高能所利用在大科学装置建造与运行过程中所掌握的先进加速器技术，成功研制了多种类型、多种用途的电子加速器，应用于辐射加工、射线检测、放射治疗等领域。在精密检测技术方面，高能所成功研制了多种类型的射线成像系统及关键部件，形成了完整的射线成像设备产品体系。在核安全检查技术方面,高能所针对关键安全、环境健康等领域的需求,开展了射线成像的关键技术研究、核心部件研制和设备系统开发，成果研制了我国首套基于编码孔径成像技术核辐射成像设备，开发了一系列针对不同应用领域的手持式、车载式、便携式、全景式核辐射成像系统，建立了手段全面、性能先进、独具特色的核辐射成像探测平台。
乳腺PET
(2) 辐射防护技术
BEPCII辐射防护技术主要包括剂量监测、人身安全联锁、屏蔽计算、活化监测与分析等。在BEPCII建设过程中,辐射防护系统也进行了全面的技术升级改造。更加完善的防护需求使屏蔽计算及活化分析方法有了长足的进步,也推动了一批相关企业的技术发展与进步。
相关厂家在完成BEPCII人身安全联锁门禁系统的基础上将其应用到了公安部大楼、新浪等项目中,为其取得了良好的经济效益与发展。并为SSRF(上海光源)人身安全联锁系统的设计提供了重要参考和有益经验,同时对CSNS、ADS、未来高能同步辐射光源(HEPS)的辐射防护屏蔽及人身安全联锁系统的设计都有着重要的借鉴和指导意义。
