500MHz超導(dǎo)腔高功率輸入耦合器近日在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研制成功。超導(dǎo)加速器的高頻高功率輸入耦合器是加速器系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其技術(shù)綜合性非常強(qiáng)，涉及微波功率傳輸、低溫學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、真空學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科。強(qiáng)流加速器的瓶頸之一是超導(dǎo)腔高功率輸入耦合器饋送功率的能力，所以其研究和制造一直是國(guó)際加速器高頻領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。
        上世紀(jì)八十年代北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建造期間，中國(guó)開始研制用于對(duì)撞機(jī)高頻加速系統(tǒng)的功率耦合器，1988年研制并開始使用了最大功率為30kW、工作頻率為200MHz的同軸型輸入耦合器，在這一過(guò)程中積累了一定的研制、測(cè)試和使用經(jīng)驗(yàn)。但因國(guó)內(nèi)一直沒有使用500MHz頻段的射頻加速器，所以沒有研制相應(yīng)的高功率輸入耦合器。2003年，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程（BEPCII）正式上馬，其工作頻率為世界通用的500MHz，高頻加速腔采用了超導(dǎo)腔。由于BEPCII高流強(qiáng)（近1A）的設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求超導(dǎo)腔輸入耦合器通過(guò)的連續(xù)波高頻功率達(dá)到140kW以上。由于國(guó)內(nèi)沒有這樣的高功率耦合器產(chǎn)品，也沒有立即制造和研制的技術(shù)儲(chǔ)備，因此依然使用從日本購(gòu)買的兩只高功率耦合器作為BEPCII超導(dǎo)腔的高頻功率耦合裝置。2006年，BEPCII工程儲(chǔ)存環(huán)建造任務(wù)基本完成，中科院高能物理研究所開始考慮將一些關(guān)鍵且價(jià)格昂貴的高頻高功率設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主研制，因高功率輸入耦合器在高頻加速系統(tǒng)中是最為薄弱的設(shè)備之一，是影響B(tài)EPCII束流流強(qiáng)提高的一個(gè)瓶頸，而且價(jià)格高、研制周期長(zhǎng)，于是選擇超導(dǎo)腔高功率輸入耦合器作為突破口進(jìn)行攻關(guān)，經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的技術(shù)路線研究、工藝設(shè)計(jì)研究及無(wú)數(shù)次的反復(fù)試驗(yàn)，終于研制出性能良好的500MHz超導(dǎo)腔高功率輸入耦合器，功率測(cè)試達(dá)到了270kW，這是目前國(guó)內(nèi)達(dá)到的最高功率輸入能力，達(dá)到同類設(shè)備世界水平，有相當(dāng)高的技術(shù)難度和自主創(chuàng)新性。 
        對(duì)于一個(gè)大型射頻超導(dǎo)加速器而言，高頻加速系統(tǒng)是其最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，它加速帶電粒子到一定能量，同時(shí)，將高頻功率轉(zhuǎn)換成束流功率，為束流運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量，同時(shí)起到維持束流壽命的作用，相當(dāng)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。其中的高頻功率輸入耦合器負(fù)責(zé)把高頻功率源產(chǎn)生的高頻功率從傳輸線耦合到加速腔體中的裝置。簡(jiǎn)言之，輸入耦合器的功能有：
        ——以脈沖波或連續(xù)波的形式向高頻腔耦合功率以提供腔耗和束耗；
        ——采用陶瓷窗將高頻腔體與大氣隔離，使加速腔內(nèi)保持超高真空；
        ——在高頻功率源（發(fā)射機(jī)）和有束流加載的超導(dǎo)腔體之間提供一個(gè)阻抗匹配；
        ——起到從常溫到超導(dǎo)低溫的溫度過(guò)渡和設(shè)備連接作用。
        一般地，超導(dǎo)高頻腔系統(tǒng)基本由腔體、高功率輸入耦合器、高次模吸收器、低溫槽組成。500MHz頻段目前均從國(guó)外進(jìn)口。該系統(tǒng)有四個(gè)致命的薄弱環(huán)節(jié)：腔體的銦絲封接、高次模吸收器的鐵氧體熱裂、耦合器窗體、耦合器，其中耦合器最為脆弱而顯得非常關(guān)鍵。二次電子倍增效應(yīng)和場(chǎng)致發(fā)射都可能造成拉弧或耦合器高頻窗體的局部過(guò)熱而使窗破裂，是造成超導(dǎo)腔真空被破壞的最為薄弱的設(shè)備。隨著強(qiáng)流加速器流強(qiáng)的不斷提高，束流功率也將大大提高（目前已超過(guò)100kW），耦合器耦合功率越來(lái)越大，危險(xiǎn)也越來(lái)越大。耦合器窗體一旦破裂，真空環(huán)境被破壞，將造成加速器長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，導(dǎo)致大型實(shí)驗(yàn)被迫中斷。
         500MHz超導(dǎo)腔高功率輸入耦合器的研制成功，對(duì)發(fā)展中國(guó)自己的高頻高功率設(shè)備、自主研制高功率輸入耦合器、打破依賴進(jìn)口的局面，具有很大的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
        從眼前和長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，無(wú)論是發(fā)展能量回收型自由電子激光裝置（ERL—EXFEL）、國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC），還是國(guó)外正在研制或運(yùn)行的大型超導(dǎo)加速器，高流強(qiáng)的設(shè)計(jì)要求均需要較高功率承受能力的超導(dǎo)腔輸入耦合器，盡管它們的結(jié)構(gòu)不盡相同，但其設(shè)計(jì)思想、工藝技術(shù)及制造技術(shù)是相通的。500MHz耦合器的高頻特性和工藝技術(shù)路線的全面研究和高功率耦合器的研制成功，對(duì)下一步可能開展的大型加速器裝置中各類高頻腔耦合器的研制是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的全面積累和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。
        國(guó)內(nèi)500MHz超導(dǎo)腔高功率耦合器的研制成功體現(xiàn)了關(guān)鍵加速器高頻設(shè)備的研制自主性，中科院高能物理研究所完全依托國(guó)內(nèi)高端工業(yè)、開拓國(guó)內(nèi)企業(yè)加工制造領(lǐng)域，完全采用的是國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)工藝， 自創(chuàng)了符合我國(guó)工業(yè)制造能力的工藝路線，自主研制填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白；其次，研制的高功率耦合器具有技術(shù)前沿性，連續(xù)功率270kW為國(guó)內(nèi)最高功率水平，也達(dá)到了世界水平；第三是其技術(shù)適用性，高功率耦合器工藝路線和研制流程可直接用于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、未來(lái)的北方光源等加速器超導(dǎo)腔耦合器裝置，耦合器關(guān)鍵技術(shù)和工藝可用于自由電子激光、國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)的加速器超導(dǎo)腔耦合器的研制。