一、粒子加速物理研究 

　　完成了BEPCII加速器物理设计与调试。采用国际最先进的双环对撞技术，设计亮度为1×1033cm-2s-1，是主要竞争对手美国CESRc设计值的7倍。而且，为了满足同步辐射用户的需要，在南、北两个正负电子环的交叉区分别设计了特殊的束流线，将正负电子环的外环连接成为一个同步辐射专用环，BEPCII就成为了一个一机两用的机器。BEPCII自2006年底开始调试，在调试过程中成功应对双环对撞机在高亮度和高流强运行的一系列挑战，解决了高流强下实验本底问题，实现了半整数工作点附近的稳定运行和微米级束团精确对撞，至2013年底，BEPCII峰值亮度达到了7.08×1032cm-2s-1，是CESRc的前世界记录的10倍，束束作用参数超过了设计指标，最大为0.043。此外，BEPCII大大提高了同步辐射性能，实验站光强提高了3倍，束流的稳定性大幅度提高。BEPCII的成功建成巩固了我国在粲物理研究的国际领先地位。 

　　完成了散裂中子源CSNS的加速器物理设计。完成了散裂中子源工程的Linac设计、注入涂抹设计、RCS环注入设计、RCS环Optics设计与挡块设计、RCS环引出设计、LRBT输运线设计、RTBT输运线设计。目前，CSNS已经开始了工程施工，即将成为世界主要脉冲散裂中子源科学中心之一，并且是发展中国家第一台散裂中子源。谱仪数最多可达19条，每年可供上千用户开展前沿学科及高新技术研究的大型实验平台。 

　　完成了北京先进光源加速器物理初步设计。中国作为一个迈向世界强国的科技大国，不能指望利用国外的高能光源开展国家安全和高技术发展相关的研究工作。根据中国科学院对北京先进光源的指示精神，完成了北京先进光源的物理设计，该方案为双环方案，外环采用40个TBA的聚焦结构，技术相对比较成熟，可以即时开始建造，束流的发射度尽管不能达到衍射极限的要求，但其最终发射度也能达到150pm左右，与目前国际上的大部分的升级改造的光源在同一水平。内环的高度比外环略高，内外环的光束线相互影响不大，内外环可同时工作，其发射度可以达到衍射极限，未来可以达到国际最高亮度北京先进光源将使我国的光源分布向高能区扩展，解决国家重大需求。 

　　开展直线对撞机关键物理问题研究。我们为ILC提出了一个3.2公里的阻尼环的新方案，成为ILC的备选方案。在保证动量压缩因子的适宜性的前提下，新的lattice需要的磁铁更少，高频腔压更低，有更好的动力学孔径。ATF2是ILC和CLIC直线对撞机的最终聚焦系统的模型，其建设的目的是为了在对撞点获得37nm的垂直束团尺寸。ATF2的QEA磁铁的强度和旋转角是依据中科院高能物理研究所的测量结果来重建的。基于斜多级铁的敏感性的研究，我们报告分析了所测量的多极铁的减弱的可能性。同时给出了一个新方案，对于ATF2得到目标束团尺寸的试运行是有利的，对将来的小β的光学系统有利。 

　　二、微波技术研究 

　　为了满足BEPCII（北京正负电子对撞机重大改造项目）对直线加速器的高束流品质的要求，先后完成了微波系统、相控系统、次谐波系统的研制任务，并稳定运行至今。 

　　BEPCII微波系统包括能量倍增器、加速管、大功率波导阀门、大功率干负载及其中功率和高功率波导衰减/移相等，其中加速管达到国内最高加速梯度技术指标，能量倍增器、大功率波导阀门、SiC大功率干负载作为直线加速器关键的微波设备，它们结构复杂，要求超高真空，能够承受60MW以上的微波脉冲功率，技术先进，工艺负载，是高能所自己设计和研发的。其中，微波大功率波导真空阀门荣获2010北京市科学技术三等奖。 

　　BEPCII相控系统研制成功，解决了直线加速器对束流能量和能散度的设计指标。它应用微波技术、通信理论、数字信号处理和自动控制技术，对相控系统需要的软硬件进行了设计和研制，包括独立的相位参考线、相位和幅度探测器PAD、相位调整装置IΦA和基于EPICS的分布式控制软件。同时对加速相位的优化方法以及相位控制方法进行了研究。通过建立RF相位测量和反馈控制系统，实时监测16台速调管的输出相位，并将相位波动控制在±2º范围内，从而保证束流能够得到持续稳定的加速。 

　　BEPCII次谐波系统研制投入使用，改善了束流脉冲中的束团结构，使其由每个脉冲中包含有多个束团变为只包含有1个束团。它能够提供更大的电荷接受度，在脉冲时间的形成上具有很大的伸缩性，是从直流热阴极电子枪获得亚ns及ps级高峰值流强单脉冲的一种重要途径。它提高了正电子注入速率达到50mA/min以上，为未来逐步采用双束团产生、加速以及注入技术奠定了基础。 

　　BEPCII正电子源系统是正负电子对撞机的源头和最关键的系统之一，由打靶束流、正电子转换靶、横向相空间匹配装置和加速、聚焦系统组成。主要创新点有：1、根据BEPC具体情况对传统SLAC型“磁号”进行了优化设计，改变了横向匹配装置的设计以避免严重的机械共振。2、制造中的技术创新,包括正电子靶和磁号的制造;靶驱动装置的的研制等。为此获得2008北京市科学技术一等奖。 

　　通过研究完善能量倍增器的理论。优化S波段能量倍增器的性能，发展C波段及X波段能量倍增器的物理设计和研制技术。研究能量倍增器平顶波形的产生技术，研究各种耦合方式对能量倍增器性能的影响。研制成功我国首台C波段能量倍增器和2998MHz双孔耦合结构平顶输出的新型结构的能量倍增器。 

　　在常规SLAC型加速结构的基础上，研制成功了多种先进加速结构，包括双周期及多周期加速结构的研制，进行了轴耦合及边耦合加速结构的研究，掌握加工及表面处理工艺、高精度调谐及测试技术。为了进一步提高加速结构性能，开展加速结构材料及表面物理等基础性研究。为了降低加速结构中高次模的影响，开展高次模抑制等物理及实验研究。这些技术有的已经应用在国内外的加速器上。 

　　三、功率源与电源研究 

　　大功率速调管是直线加速器的核心设备之一，也是最主要的消耗品，为此高能物理研究所在引进国外速调管的同时开展了国产速调管研制工作，改变完全依赖国外产品的现状。2011年初第一支国产65MW速调管成功研制并投入BEPCII直线加速器运行，2012年底第二支国产65MW速调管投入运行。截至2013年暑期，两支国产速调管分别在线运行累计14880小时和4800小时，运行状况良好，累计打火记录为0，工作稳定，没有发生故障。 

　　双脉冲闸流管触发器研制。重氢闸流管开关在高压大电流快脉冲技术领域人扮演者。闸流管的触发电路时决定闸流管开关特性的关键因素之一。本课题研制了一种集成的全固态的双脉冲闸流管触发器，闸流管在该触发器驱动下，时间抖动典型值小于1ns。在实际使用3年来故障率极低，替代了国外相同性能的触发器。价格仅为进口产品的十分之一。 

　　超导磁铁电源及失超保护电路技术。BII使用的失超保护系统技术指标要求高，保护逻辑复杂，抗干扰程度要求高等特点，在国内尚属首次研制。同时，该系统在国内还首次应用有源功率器件作为能量释放开关。整套系统具有超导绕组接地检测、系统断线（或接触不良）检测及报警、开机自检、故障类别判断及在线记录等功能，最大程度的保证超导磁体的安全。在发生失超时，失超保护保护动作时间小于2ms，远小于20ms的设计要求。整套系统的技术已用于ADS项目中。 

　　基于White电路的全数字化谐振励磁电源的设计、研制和调试技术。常规磁铁在交流动态（25Hz）加直流偏置励磁电流激励下，会产生与计算值偏差较大的饱和现象，从而导致磁场波形有较大的畸变。在采取上述技术后，在不增加磁铁成本的前提下，能够为谐振回路提供交、直流混合激励。其输出频率稳定度优于0.1%；输出电流的峰值和谷值稳定度优于0.1%/24小时。利用电源技术，CSNS二极和四极磁铁磁场的非线性度均优于0.01%，满足快循环同步加速器RCS的物理需求。该技术在国内首创。 

　　数字电源技术。随着数控技术的发展，国内外高能加速器磁铁电源系统，正在由模拟电路组成的电源技术向全数字化控制电源技术方向发展。采用全数字化控制技术的高精度稳流电源，已成为发展的必然趋势，并将极大的简化了大型加速器整体控制框架结构。目前电源组已掌握数字电源的核心技术，并在CSNS电源系统及ADS电源系统中得到了应用。该技术具有完全自主知识产权。该技术在国内外处于先进水平。 

　　谐波矢量控制法。在交变励磁电流下，磁铁一旦出现饱和现象，磁场将无法达到设计要求波形。在保持磁铁原有体积情况下，通过谐波注入的方法，可在励磁电源中在线注入谐波电流分量，从而能够实现磁场的非线性优于 0.01%指标。该技术在国内首创，国际领先。 

　　四、超导低温研究 

　　北京正负电子对撞机重大改造项目（BEPCII）备用超导腔。继2007年完成BEPCII的核心系统之一 — 500MHz超导高频系统研制后，经过近4年的努力，本实验室于2011年10月成功进行了中科院大科学装置维修改造项目——BEPCII备用超导腔的水平测试。测试结果为：在4.4K下，腔压达到2.05MV、腔品质因数Q0达7.67×108，超过设计指标（腔压1.5~2.0MV、品质因数Q0为5.0×108）。BEPCII备用超导腔是国内首台完全自主研制和系统集成的500MHz超导腔，其中超导铌腔、高功率耦合器、高次模吸收器和4.4K液氦恒温器等关键部件都实现了国产化，腔的各次垂直测试和此次水平测试均由本室科研人员独立完成。这台超导高频腔已经具备实际使用的条件，标志着我国在超导高频腔的自主研制、组装及测试实现了一次跨越式发展，关键技术发展和设备研制已达到和正跻身于世界先进水平行列。 

　　1.3 GHz超导加速组元项目是高能所瞄准国际先进加速器技术发展方向而重点部署的科技创新项目，经过多年的自主研发和技术攻关，于2013年完成了全部关键部件的研制、性能测试。其中，带有完整端部组件的大晶粒铌、低损耗型9-cell超导腔垂直测试加速梯度达到20 MV/m，品质因数Q0 = 1.4´1010（无场致发射），并与内置磁屏蔽的液氦槽焊接。国内首个双窗高功率输入耦合器老练测试达到ILC指标（行波脉冲1MW，脉宽1ms，重复频率5Hz）；调谐器和低电平系统常温测试达到ILC设计指标；自主设计的ILC型低温恒温器完成制造和试装。组元将于近期组装及水平测试，未来还将作为主直线加速器进行ERL-FEL试验装置的束流实验，成为基于超导电子直线加速器的束流物理和技术的研究平台。 

　　中国科学院战略性先导科技专项ADS超导加速腔。射频超导技术是强流质子加速器的关键技术之一，其涉及的超导腔种类繁多、形状复杂、技术难度大。在中国科学院战略性先导科技专项——“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”支持下，本实验室从2011年初至今重点对Spoke012 (325MHz, b=0.12, 轮辐型超导腔)、Spoke021 (325MHz, b=0.21, 轮辐型超导腔)以及Ellip082 (650MHz, b=0.82,椭圆型超导腔)这三种类型的超导腔进行了研究，并取得了重要进展。具体的成果包括：1）成功完成了Spoke012原型腔的设计、加工、表面处理、垂直测试（裸腔性能测试）及水平测试（与输入耦合器、恒温器等集成后的高功率测试），主要性能参数达到设计指标。Spoke012超导腔的β值仅为0.12，如此低β的Spoke腔研制在国际上还是首次，难度很大。Spoke012原型腔的测试结果成功验证了该超导腔的电磁设计以及冲压成型、矫形加工、清洗焊接、表面处理和性能测试等一系列工艺技术，为ADS超导质子直线加速器注入器I的研制奠定了坚实基础。2）成功完成了Spoke021原型腔的设计、加工、表面处理及垂直测试（裸腔性能测试），腔表面峰值磁场等参数达到了同类超导腔的国际先进水平。3) 顺利完成了Ellip082原型腔的设计和加工。 

　　耦合器及高阶模吸收器。耦合器及高阶模吸收器是射频超导系统的关键部件之一，在自然科学基金等项目的支持下，本实验室对多种类型的耦合器进行了深入研究，并取得了一系列重要成果，具体包括：1）2008年5月，国内首次自主研制的超导腔关键部件之一的高功率输入耦合器通过了420 kW连续波功率测试，取得了重大突破，达到国际先进水平，实现了高功率耦合器的自主研制。该成果获得了2009年度北京市科学技术奖三等奖；2）2009年8月研制的国内首只500 MHz超导高频腔高次模吸收器试验样机在高能所的测试平台上通过了高功率测试，其吸收效率达60 %、承载吸收功率达4.4 kW以上，达到国际上同类设备的同等水平；3）2010年成功建造了我国第一个500MHz高频高功率测试平台，功率测试能力达到行波250kW，驻波150kW，为高频高功率设备的自主研制和高功率测试提供了必不可少的重要装备。该成果获得2012年度北京市科学技术奖三等奖；4）2011至2013年期间，完成了ADS质子直线加速器上多种加速腔（Spoke腔、HWR腔、RFQ）主耦合器样件及正式件的设计、加工和高功率测试，其中1套Spoke腔、1套HWR腔主耦合器已经参与了腔的水平测试。 

　　大型低温恒温器关键技术研究。欧洲X射线自由电子激光（EXFEL）是正在建造于德国汉堡的国际合作的大科学装置，总投资预计10亿欧元。2005年11月24日，科技部代表中国政府正式签署了准备阶段的谅解备忘录，成为EXFEL计划的正式成员，并且拟以实物贡献的方式参加到此次国际合作当中。作为此次国际合作的国内承担单位，中国科学院高能物理研究所从2008年获得了科技部973重大科研项目经费支持，开展大型低温恒温器的样机研制及其关键技术的研究，样机测试合格后进行批量生产，完成此次国际合作的部分实物贡献，同时通过此次国际合作全面掌握大型低温恒温器的设计、制造、安装及调试等关键技术。 

　　超导磁铁是加速器驱动次临界系统（ADS）中的主要加速器元件，目的是实现对质子束流的聚焦和轨道校正。它们和超导轮辐腔（Spoke Cavity）交替安装在多个低温恒温器中，安装空间狭窄，对磁铁的场强要求高，对漏场要求严格。经过精心设计，并联合加工厂家的技术攻关，解决了技术难题。在低温垂直测试，超导磁铁的磁性能达到了设计要求，各项技术指标达到了国际先进水平。其中，超导磁铁在轮辐腔处的漏场小于1高斯（其中还包括地磁场），远低于美国费米实验室的45高斯和兰州近物所的50高斯的漏场。与此同时，还自主研发了超导磁铁的失超探测设备和探测程序，其可靠性在低温垂直测试中得到了验证，摆脱了对国外设备的依赖。 

　　五、束流测控研究 

　　束流测控系统是加速器的“感知系统”，是加速器的“大脑”，“神经系统”和“眼睛”。加速器的调试、运行和性能的提高，都离不开束流测控技术的发展。束流测控系统是一个多学科的专业，涉及到机、电、光、真空、计算机、加速器物理等各方面的内容。该系统负责各种束流信息、控制信息的产生，收集和传输以及显示。束流测控系统根据不同时期技术发展的情况，采用当时成熟先进的技术，并将其应用到多项工程任务中，在完成工程任务的同时又在诸多方向开展研究，发展了很多测控新技术。 

　　1）逐束团测量方面，在国内首次研制开发了逐束团流强测量技术，逐束团反馈技术，逐束团诊断系统等；2）束团截面测量方面，研制了多丝靶，在国内首次开展了laser wire测束团截面尺寸、电子束与质子束扫描测质子束团截面、KB镜反射聚焦成像法测量微米量级束团尺寸等技术的研究；3）束长测量方面，在国内首次开展了双光子干涉法测束长，及基于单光子计数测束长技术的研究；4）在国内首次设计了低温环境下使用的BPM；5）在国内首次建成了采用VME IOC和标准模型的EPICS控制系统；6）采用先进的PSC/PSI接口部件建成了磁铁电源控制系统，并实现了PSC/PSI模块的国产化；7）建成了国内第一个投入运行的事件定时系统；8）建成了国内首个加速器超导低温控制系统；9）研发了具有动态数据导入和查询功能的Oracle数据库系统；10）开发了新的EPICS软件模块，如基于VME IP模块的设备驱动，商业数据库Oracle与EPICS IOC数据库的通讯驱动程序和fast bucket selection专用的IOC数据库记录。11）基于新的质子加速器的需要，控制系统还研发了响应时间小于5微秒的快速保护系统。很多研制的设备和发展的技术已经投入实际应用，取得了很好的效果。很多技术在国内属于首次，拓展了束流测控领域的发展。