中国粒子加速器的发展现状和趋势

唐靖宇，周路平

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.中国科学院大学，北京 100049； 3.西安交通大学第一附属医院，陕西 西安 710061)

粒子加速器作为一门交叉型的独立学科，其本身的发展非常重要，同时通常也作为实验研究平台为其他学科的发展提供了非常重要的支持。粒子加速器自20世纪20年代开始发展，早期主要作为核物理和粒子物理研究的专用型实验装置。但是，近30年以来，它作为用途广泛的粒子束装置发挥着越来越大的作用，特别是以先进光源和先进中子源为代表的多学科研究平台是主要发达国家甚至是发展中国家竞争的重大研究设施。粒子加速器在国民经济和生活中也发挥着越来越大的作用，尤以医用加速器的广泛应用为代表。作为物理学的重要研究方向，束流物理或加速器物理在近些年来发展较快，尤其是在尾场加速和自由电子激光的理论研究方面；作为核科学技术的重要研究方向，加速器技术的不同专门技术也获得了高速发展，尤其是以超导高频技术和超导磁铁技术为代表。

我国近20年来见证了加速器的高速发展，基本上完成了从跟踪国际水平到与国际先进并行的跨越式发展。我国提出并牵头开展国际合作的超级对撞机CEPC (Circular Electron-Positron Collider)-SPPC(Super Proton-Proton Collider)项目是面向未来高能物理发展的国际标志性研究项目，代表了未来粒子加速器发展的新高度；随着北京高能光源(HEPS)、上海硬X射线自由电子激光(SHINE)、合肥先进光源(HALF)这3台4代光源的建设，我国在先进光源方面将处于国际最先进水平之列；中国散裂中子源(CSNS)、加速器驱动的次临界系统(ADS)和强流重离子加速器(HIAF)则将我国的质子-重离子加速器推进到国际第一梯队。除了装置建设以外，这20年来，我国的加速器理论(束流物理)和加速器技术也得到了很大的发展，处于快速追赶国际先进水平的阶段。本文将对我国的粒子加速器发展现状和未来发展趋势作一个简单介绍。

1 近期发展和现状

考虑到加速器的类型、规模、应用方向很宽泛，而且我国在这些不同的加速器方向上有全面的发展，本文以先进光源、质子-重离子加速器、粒子对撞机、应用型加速器、加速器物理与技术这5个方向主线对我国的粒子加速器发展现状进行综述。

1.1 先进光源

基于高能量高束流品质电子加速器产生的电磁辐射性能十分优异，有非常广泛的应用。目前主要有两类装置，分别是基于电子储存环的同步辐射光源装置(SR)和基于电子直线加速器的自由电子激光装置(FEL)，通常统称为先进光源装置。我国自20世纪80年代开始发展先进光源，包括同步辐射光源和自由电子激光，如依托北京正负电子对撞机(BEPC)建造的北京同步辐射装置(BSRF)、合肥同步辐射装置(HLS)和北京自由电子激光装置(BFEL)[1]。其中，BSRF是第1代同步辐射光源或兼用光源；HLS是第2代同步辐射光源或专用光源；BFEL则提供红外波段的自由电子激光，是亚洲首台FEL，主要是技术发展。近20年来，我国的先进光源有非常大的发展，建成了第3代同步辐射光源——上海光源(SSRF)，并正在建设多台第4代光源：HEPS、上海硬X射线自由电子激光(SHINE)和合肥先进光源(HALF)。目前正在运行、建造中的同步辐射光源列于表1、2。除了大型的同步辐射装置和X射线自由电子激光以外，近年来低束流能量的小型自由电子激光装置也发展迅速，覆盖红外光和太赫兹波段，也有非常好的应用。本文对几个主要装置作简单介绍，而对几个较小型的装置仅在表2中列出而不作单独的介绍。

表1 我国正在运行、建造中的同步辐射光源主要参数和状态Table 1 Parameters and status of SRs in operation and under construction in China

表2 我国正在运行、建造中的自由电子激光装置主要参数和状态Table 2 Parameters and status of FELs in operation and under construction in China

1) BSRF升级

在2004—2009年的BEPC重大升级改造工程(BEPCⅡ)中，BSRF也同步进行了较大的升级，新建了多条光束线站，并对部分线站进行了改造，现在运行线站达到14条。BSRF提供的同步光覆盖VUV到硬X射线，作为兼用光源，主要采用Wiggler和弯铁光源，覆盖大多光束线站类型和研究领域。BEPCⅡ加速器可以工作在Top-up模式下，也显著地提高了光源的性能。大部分线站在每年的3个月专用供光期间运行，并有9个线站在对撞运行模式下也能供光。

2) HLS-Ⅱ

HLS自2000年以来已进行了两次重要的升级，成为HLS-Ⅱ，包括直线加速器、储存环和光束线站的性能都有了很大的提高。现在采用800 MeV电子直线加速器、全能量注入，储存环Lattice采用更现代的设计，大幅减小了束流发射度并提高了流强，并采用Top-up注入[2-3]。同时，光束线站的光源由最初的以弯铁光源为主变为以插入件为主(目前有5条插入件线站，弯铁有5线6站)，使它成为国际上第2代同步光源中性能最优之一，可以认为是2代半光源。受限于其电子束能量，主要覆盖光子能区为VUV和软X射线。部分新建或改造的光束线站也具有很强的国际竞争力，特别是在VUV能区。

3) SSRF

SSRF由1台150 MeV的电子直线加速器、1台3.5 GeV的全能量增能器和1台周长为432 m的储存环组成，如图1所示。SSRF一期工程建于2004—2009年，首批建成7条光束线站，随后又通过多方合作增添了8条光束线站。自2016年启动的SSRF二期工程即将完成16条新光束线站的建设[4]。作为国际上第3代中能同步辐射光源中的佼佼者，SSRF电子束能量较高，束流发射度小，采用Top-up注入，可以在不同模式下运行，如通用多束团模式和大电流单束团与束团串混合模式等。SSRF储存环采用DBA结构的Lattice，可以提供4个12 m的长直线节和16个6.5 m长的标准直线节。SSRF现建有23条插入件光束线和10条弯转磁铁光束线以及相应的53个实验站，主要光子能区为硬X射线，兼顾软X射线和VUV能区，光束线站科学应用几乎覆盖所有主要的应用领域。

图1 SSRF布局图Fig.1 Layout of Shanghai Synchrotron Radiation Facility

4) HEPS

HEPS由1台500 MeV的直线加速器、1台6 GeV的增强器、1台储存环和各级加速器之间的束流传输线组成，如图2所示[5-6]，设计运行流强为200 mA。HEPS储存环采用了7BA的Lattice结构和超大周长(1 360 m)，以获得接近衍射极限的极小束流发射度(35 pm·rad)，并提供24个低β直线节和24个较大β直线节，长度均为6 m，除了少量几个用于储存自身需要的注入、引出和高频站外，绝大多数都可以用于光源插入件。HEPS工程于2019年启动，计划2025年完成建设，首批建成14条光束线站，并采用“三步走”的方式，最终建成最多可达90个光束线站。HEPS将是我国首台第4代同步辐射光源，也是首台高能光源，其亮度可达1×1022phs·(s·mm2·mrad2)-1，相干性也较3代光源有了量级的提高，建成后将是国际先进光源中的最优秀之一，极大地提高我国在该领域的国际地位。

图2 HEPS园区效果图(a)和加速器布局图(b)Fig.2 Artist view of HEPS campus (a) and layout of accelerator (b)

5) HALF

HALF是国家同步辐射实验室正在设计建造的基于衍射极限储存环的第4代低能光源，其光子能区主要覆盖软X射线和VUV。HALF由1台2.2 GeV的全能量直线加速器和周长为480 m的储存环组成，布局如图3所示。储存环Lattice采用混合型6BA结构，束流发射度低至约86 pm·rad，在软X射线能区达到衍射极限[7]。其提供的20个长直线节(5.3 m)和20个中直线节(2.2 m)，非常有利于建设不同需求的基于插入件的光束线站。HALF目标是世界上最优秀的低能区第4代同步辐射光源[8]。HALF计划于2023年初开始建设，并于2027年建设完成，首批建设10条光束线和17个实验站。建成后，HALF将与HEPS和SSRF使我国在高中低能区均拥有优秀的同步辐射光源。考虑到HALF直线加速器的优异性能，它今后也有希望发展为软X射线自由电子激光的注入器。

图3 HALF主体装置布局Fig.3 Layout of HALF main facility

6) SHINE

SHINE由上海科技大学牵头负责、中国科学院上海高等研究院和上海光学精密机械研究所共建的我国第一台位于硬X射线能区的自由电子激光装置，包括一台能量为8 GeV的连续波超导直线加速器、首批3条波荡器线和10个实验站以及用于极端物理条件实验站的一台100 PW的超强超短激光器，如图4所示。SHINE的光子能量覆盖0.2～25 keV。为了获得极短束团长度，超导电子直线加速器在采用RF频率为1.3 GHz的主加速腔基础上，还采用RF频率为3.9 GHz的三次谐波腔。SHINE于2018年启动工程建设，计划2025年出光。SHINE在工程上非常有挑战性，建成后，其在以波长范围、峰值亮度和平均亮度为代表的综合性能方面，将处于国际顶尖水平[9-10]。

1.2 质子-重离子加速器

质子加速器和重离子加速器的特点相近，有些重离子加速器也加速质子，经常统称为强子加速器(Hadron Accelerators)，在这里一并介绍。近些年来，我国在大型质子-重离子加速器方面也获得了非常大的发展，在粒子物理和核物理研究以及多学科应用平台方面发挥了非常大的作用。这类加速器在国际上的发展趋势或竞争点是提供更高的束流强流或束流功率，我国质子-重离子加速器的发展也符合这个趋势。这里介绍几台主要质子-重离子加速器装置，也有针对未来的加速器研究项目如中国科学院高能物理研究所的加速器中微子束装置MOMENT[11]、中国原子能科学研究院的高功率FFAG加速器[12]等，限于篇幅这里不作介绍。

1) HIRFL和HIAF

兰州重离子研究装置(HIRFL)是中国科学院近代物理研究所自1960年代开始建设的目前我国规模最大、能量最高的重离子加速器装置，共历经了3次大的科学工程以及数次升级，主要用于重离子物理和交叉学科研究。目前，HIRFL主要由超导ECR离子源、1台扇聚焦回旋加速器(SFC)、1台分离扇回旋加速器(SSC)、1台储存环主环(CSRm，周长为161 m)和1台实验环(CSRe，周长为128 m)组成[13]。HIRFL可将铀核加速至500 MeV/u，或者将碳核加速至高达1 100 MeV/u。

为了在新时期提高我国在重离子核物理方面的国际竞争力，中国科学院近代物理研究所在广东惠州正在建造新一代大型重离子加速器——HIAF，用于提供高强度离子束流[14-15]。HIAF于2018年底开始建设，计划于2025年建成。HIAF包含1台第4代超导ECR离子源、1台100 m长的超导直线加速器、1台周长569 m的主加速器环/增强器环、1台周长278 m的谱仪环以及多个实验终端(低/高能实验终端、多功能实验终端以及放射性核束终端)等组成，如图5所示。其中，离子源既可以运行在CW模式，也可以运行在脉冲模式。以238U35+为例，直线加速器可将其加速至17 MeV/u，而后由增能器加速至834 MeV/u，并进一步传输至实验终端。HIAF建成后，将与目前国际上正在运行和建设中的几个主要重离子加速器装置竞争，如日本RIKEN的RIBF、美国MSU的FRIB和德国GSI的FAIR。HIAF今后也有进一步发展为电子-离子对撞机(EIcC)的潜力。

图4 SHINE装置布局图(地下装置，地面SSRF可见)Fig.4 Layout of SHINE (underground, SSRF on ground by side)

图5 HIAF布局图Fig.5 Layout of HIAF

2) CSNS

CSNS[16]主要由中国科学院高能物理研究所设计建造，由1台80 MeV的负氢离子直线加速器、1台1.6 GeV的快循环质子同步加速器、束流输运线系统、散裂靶以及实验谱仪或终端系统组成，是一个以中子散射应用为主的大型多学科应用实验平台。中子散射技术是与同步辐射技术相互补的、研究物质结构和动力学性质的一个极为重要的手段，在材料科学、凝聚态物理、生命科学、化学等广泛领域发挥重要作用。CSNS一期工程建设期是2011年10月—2018年3月，并在2020年达到了设计质子束打靶功率100 kW[17]，目前已稳定运行在125 kW。CSNS加速器是我国第一台大型质子加速器，其特点是高重复频率(25 Hz)的同步加速器和高束流功率，也是我国第一台散裂中子源，打靶功率在国际脉冲型散裂中子源中处于第4位。CSNS在一期建设中就预留了升级空间，二期升级工程(CSNS-Ⅱ)即将启动，计划2028年完成，它将把直线加速器的能量提高到300 MeV，将打靶束流功率提高到500 kW。在一期工程建设的3台中子散射谱仪、8台即将完成建设的合作谱仪和反角白光中子实验装置基础上，将建成规划中的全部22条中子束线和相应的谱仪，并增建缪子源实验终端和质子束实验终端。

3) ADS

ADS是解决核能可持续性发展的有效途径之一，特别是在解决常规核反应堆的核废料问题方面。其本质是通过一台高流强中能质子加速器提供的高功率质子束(如0.6～1.5 GeV和10～30 MW)轰击重核散裂靶，以产生大量的宽谱中子，既诱发乏燃料核的嬗变，也作为次临界反应堆中子通量的外源中子。自2011年起，中国启动了ADS发展计划(China ADS或C-ADS)，提出了分4步走的计划[18-19]。在中国科学院先导专项支持下，C-ADS第1阶段由中国科学院近代物理研究所和高能物理研究所联合开展了超导直线加速器的关键技术研究，并成功研制了能量为20 MeV、流强为10 mA的连续波运行的超导直线加速器，这是国际上同类装置的最高水平。ADS第2阶段也已启动，作为国家十三五建设的大科学装置，在广东惠州建设的CiADS工程目标是能量为500 MeV、流强为5 mA的连续波超导直线加速器，打靶功率将达到2.5 MW，工程建设也包括液态铅铋靶和次临界反应堆；CiADS工程计划2027年建成。长远目标是实现质子束能量大于1 GeV、束流功率15 MW的目标，并实现加速器、散裂靶及包含乏燃料的次临界反应堆的耦合运行[20]。

4) CYCIAE-100

CYCIAE-100强流质子回旋加速器是中国原子能科学研究院研发的CYCIAE系列回旋加速器中的一台，作为北京放射离子束装置(BRIF)的主要组成部分，于2014年建成。加速器引出质子能量为75～100 MeV，引出最高束流流强520 μA，这也是近年来国内束流强度和引出能量最高的紧凑型质子回旋加速器。CYCIAE-100的磁铁半径约为6 m，采用H-离子源和轴向注入方法，可以同时从两个方向通过H-剥离方法引出束流；加速器可运行在高流强模式或脉冲模式，以适应不同研究的需要[21]。CYCIAE-100作为BRIF的放射性核素产生装置，可以开展放射束物理的相关研究，也可以作为独立装置开展质子单粒子效应测试、基于准单能中子束和白光中子束的实验以及同位素生产。

1.3 粒子对撞机

1) BEPCⅡ

BEPC是中国科学院高能物理研究所在1980年代建造的我国第一台大科学装置和第一台大型加速器，属于国际上最早的几台粒子对撞机之一，其建造成功也代表了我国加速器领域的重大突破。BEPC对撞质心能量为2～5 GeV，由1个全能量直线加速器(最高能量为2.5 GeV)和1个周长为240 m的储存环组成，电子和正电子储存在同一环中，在唯一的对撞点进行对撞，对撞亮度为1×1031cm-2·s-1，其实验谱仪BES和升级版BESⅡ曾在Tau-Charm物理方面做出国际一流的工作。为了满足新的研究需要，中国科学院高能物理研究所在2004—2009年期间对该对撞机进行了重大升级(BEPCⅡ)，能区范围基本不变，但将之前的储存环由单环对撞机改为双环对撞机，即电子和正电子分别在各自的环中循环，以±11 mrad交叉角对撞，正负电子束团数增加到100对左右，从而将对撞亮度提高两个量级，达到1×1033cm-2·s-1[22]，实验谱仪也升级为BESⅢ。该对撞机是从建成至今都是国际上Tau-Charm能区亮度最高的对撞机，并建立了BESⅢ国际合作组，共有来自15个国家、83家单位的500多位科学家参加合作研究。BEPCⅡ建成后运行10多年来已做出许多国际一流的研究成果。在BEPCⅡ设计建造过程中，也克服了大量加速器物理和技术上的困难，采用了先进的设计理念和前沿技术，促进了我国加速器学科的发展。目前，BEPCⅡ正在进行一个小升级工程(BEPCⅡ-U)，以期适当提高最高质心能量至5.6 GeV并显著提高在高能量区的亮度[23]。

2) CEPC和STCF

图6 CEPC加速器系统布局 (直线加速器、增能器和对撞环)Fig.6 Layout of CEPC accelerator (linac, booster and collider rings)

考虑到BEPCⅡ/BESⅢ将于不久后完成历史使命并退役，而CEPC是否如期上马存在明显的不确定性，我国高能物理界近10年来也在研究一个规模适中的对撞机项目——STCF (Super Tau-Charm Factory)，继续发挥我国过去几十年来在Tau-Charm能区粒子物理方面占据的优势[27]。STCF的能区范围为2～7 GeV，较BEPC稍有扩大，周长约为700 m；但更重要的是STCF比BEPCⅡ的对撞亮度提高了约2个量级，达到(0.5～1)×1035cm-2·s-1，从而在Charm物理、Tau物理、轻强子物理、QCD物理和发现超出SM的轻粒子等研究方面，处于国际领先位置。在STCF升级阶段，还将开展基于极化束的实验研究，同时它也将延续BESⅢ良好国际合作的趋势。

1.4 应用型加速器

近30年来，质子/重离子加速器应用于精准放射治疗的技术越来越成熟，随着我国社会发展水平的快速提高，对这类高端医疗设备的需求也在快速增加。目前，国内大部分医疗机构仍选择购买如IBA、VARIAN、MEVION等国外公司提供的加速器设备；与此同时，国内几个科研单位或公司也在积极开发相应的加速器装备，如中国科学院近代物理研究所和上海应用物理研究所等几家单位主要开发以同步加速器为基础的质子或重离子加速器治疗设备[28]，而合肥离子医学中心、中国原子能科学研究院、华中科技大学等单位主要开发以超导回旋加速器为主的质子加速器治疗设备。另外，中国科学院高能物理研究所和中国原子科学研究院等多家单位也在发展基于小型强流质子加速器的硼中子俘获治疗装置(BNCT)。可以说，国内已基本掌握了这类加速器和主要配套设备的制造，并开始产业化运作。

近些年来用于生产放射性同位素的小型医用质子回旋加速器需求增长也很快，过去长期依赖进口。这种情况正在发生改变，国内多家单位都研发了能量为10～18 MeV的紧凑型回旋加速器，并正在进行产业化运作。希望在不久的将来，国产小型医用质子回旋加速器将打破国外产品垄断国内市场的局面。在各种小型的应用型电子直线加速器或静电加速器方面，我国过去的基础一直比较好，无论是集装箱检测、X射线放疗、工业CT、电子束辐照等，都有比较好的产业化应用。

1.5 加速器物理与技术

在过去十几年中，我国的加速器物理和技术研究也取得了很大的进展，几乎覆盖所有的加速器物理和技术方向。其中，大部分工作是围绕已建成的、正在建设的或计划建设的大型加速器装置进行的，也有少数针对未来的加速器和纯学术性研究的。加速器物理或束流物理是加速器装置进行设计的理论基础，本身也具有很强的物理研究属性。近些年来，主要的束流物理研究进展体现在高亮度对撞机的物理设计研究、强流质子-重离子加速器的空间电荷效应研究和抑制、自由电子激光新模式研究、激光等离子体尾场加速机制研究等。鉴于大型加速器性能对先进技术的依赖，设计建造具有国际先进水平的加速器必然要求发展很多先进的专门加速器技术。不同类型的加速器所采用的技术经常相差较大，受篇幅限制，这里仅简单地介绍3个非常重要的技术进展。

1) 超导RF技术

国际加速器学界在本世纪初将超导RF技术列为最为需要发展的重要技术之一。随着国际上主流加速器实验室先后投入重要力量开发该技术并开展合作，它从最初仅由个别国际一流实验室掌握的技术迅速扩展开来，并且技术水平获得了很大的提高，应用范围也大为扩展。我国几个主要加速器实验室也及时抓住了这个发展机会，并同大型加速器工程建设相结合，很快就将技术水平提高到与国际水平相当。1990年代，国内首先是北京大学、后来有中国科学院高能物理研究所开始系统性地开展超导RF腔的研究和实验室建设[29]，包括不同类型直线加速器(离子、质子、电子)的超导腔研究。随后，BEPCⅡ启动对购自日本(KEK腔型)、SSRF对购自德国(CESR腔型)的500 MHz储存环超导腔的复制[30]。而真正大规模研制超导腔和发展超导腔技术则来自ADS先导专项和正在进行的CiADS工程的支持，不仅发展了质子直线加速器不同能区的超导加速结构，而且低β超导腔(Spoke型和HWR型)的工程应用方面还处于国际先进水平[20,31]。SHINE工程和CEPC预研工作在不同频率的电子直线加速器和同步加速器的超导腔技术方面也处于国际前列[32-33]。应该可以说，现在我国已有能力自行研制满足不同类型和规模加速器的超导腔。

2) 先进磁铁技术

近来我国磁铁技术的发展主要体现在如下几个方面：CSNS工程开发了快循环磁铁技术，这也是CSNS的关键技术之一，发展了如何克服强涡流效应的磁铁设计、铝绞线线圈技术、磁铁抗振动的系列工艺技术、耐高感应电压技术、与电源构成White网络的技术、磁铁非线性电感的补偿技术、抗辐射技术等。在HEPS和HALF的预研阶段，发展了4代光源储存环磁铁的相关技术，包括纵向梯度磁铁、极高梯度场磁铁和对磁铁的极高加工装配精度要求等[34-35]。除了超导螺线管或超导线圈外，如在质子-离子直线加速器、超导ECR离子源和超导回旋加速器中所采用的常规的加速器超导磁铁(如二极磁铁和四极磁铁)，虽然在我国还没有得到规模化应用，但也在发展过程中，如HIAF工程在放射性束流线上采用了Superferric类型的超导二极磁铁[36]，中国科学院高能物理研究所正在发展强场超导磁铁技术以用于LHC升级和未来的SPPC上，特别是拟用于SPPC的基于铁基超导材料的20 T磁铁的相关努力在国际上有引领作用[37-38]。

3) 真空技术

CSR工程显著地促进了我国超高真空(10-8Pa或更低压力)技术的发展和大规模应用。而正在建设的HEPS和HIAF则提出了更苛刻的要求，除了超高真空度外，其真空管道只有20～30 mm的孔径，还要承受强同步光辐射的影响。在国际上逐渐成熟的真空内壁NEG镀膜技术成为了第4代同步辐射光源的关键技术。通过前期技术跟踪和这两个工程的关键技术预制研究，我国基本上掌握了该技术[39-41]。CSNS工程则发展了另外一种特殊的真空技术——大孔径和超长的陶瓷真空管技术，涉及大尺寸陶瓷真空管的制造、精确尺寸控制、多单元金属焊接或玻璃粘接、内部镀TiN膜、端部密封法兰、RF屏蔽通道等[42]。

2 发展趋势

2.1 10年后我国的加速器展望

随着目前正在建设的主要加速器装置SHINE、HIAF、HEPS和CiADS以及即将建设的HALF项目、CSNS-Ⅱ升级项目都将在10年内建成，届时，我国的加速器装置总体水平将处于国际前沿水平，无论是先进光子源、散裂中子源，还是重离子加速器和质子加速器方面都有很好的体现，与当时国际上最先进的同类型装置具有可比性。它们将支撑我国在广泛的学科领域的前沿科学研究和应用研究。

如果在这期间，CEPC项目获得批准建设，这将是对我国加速器事业的一个重大促进，而且围绕它建设的国际实验室还代表了我国的大科学装置真正走向了世界，成为真正的国际科学中心。多地建造的中小型光源也在建成并投入运行，质子-重离子治疗加速器更加普及，各种中小型应用型加速器将更是全面开花。

2.2 先进加速器技术

随着几台具有国际先进水平光源的建设，相关的加速器技术如超导高频技术、大规模低温技术、高精度常温磁铁技术、NEG镀膜真空技术、光源插入件技术、高精度准直安装技术、高性能电子枪技术必将得到很大的发展。而与强流或高功率质子-重离子加速器相关的则是超导直线加速器技术(尤其是连续波超导质子直线加速器技术)、磁合金加载高频腔技术、高亮度负氢离子源技术、高电荷态重离子源技术、快变化超导磁铁技术等。

目前，正在为未来加速器(包括CEPC-SPPC)做关键技术研发的主要有：高效率速调管技术、高Q值-高梯度超导腔技术、强场超导磁铁技术、高能效低温技术，它们近些年来也得到了很好的支持。估计今后几年先进技术发展的范围还将进一步扩大，并将取得国际瞩目的进展。这类与国际上先进的加速器实验室同步开展类似的长周期研发工作是非常难得的，与之前主要针对即将建设的加速器装置所需要的、但在国际上已基本成熟的关键技术预研是完全不一样的，具有显著的创新性和引领性。

3 激光等离子体尾场加速的快速发展

常规的加速器加速梯度有限，而基于强激光和束流驱动的等离子体或结构尾场在理论上可以获得10 GV/m以上的加速梯度，尤其是近些年来随着强激光技术的快速发展，激光等离子尾场加速的理论和实验在国际上获得了非常大的发展，尽管离实际应用还有一定的距离，但发展潜力巨大，从长远看，将是粒子加速器的主流发展方向。基于束流驱动的尾场加速对实验条件的要求非常高，我国目前只有清华大学和中国科学院高能物理研究所团队开展此方向的理论与模拟研究[43]，其他单位主要开展激光尾场加速器研究。激光等离子体尾场可实现GV/cm的加速梯度，使建设规模更紧凑的加速装置成为可能，另外，它也有潜力成为优秀的辐射源[44]。我国多个单位，以中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院物理研究所、北京大学、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、上海交通大学和清华大学等单位为代表，在这方面紧跟国际发展趋势并取得了很好的进展，发展了有各自特色的激光尾场加速理论，也建设了相应的实验设施。中国科学院上海光学精密机械研究所团队利用不断优化的200 TW、1 Hz的钛蓝宝石激光器产生的激光尾场，实现了将电子束流加速至667 MeV[45]；2021年，通过激光自聚焦效应以及调控等离子密度，又实现了将电子束流加速至800 MeV，且能散极小[46]。该科研团队还在全球范围内首次利用其激光尾场加速的490 MeV电子束流稳定获得了27 nm自由电子激光，如图7所示[47]。清华大学的科研团队克服了外部注入正负电子束流时需要极高的时间同步精度、激光束流和尾波尺寸小带来的匹配难度等困难，成功地实现了以近100%的效率将传统直线加速器加速的31.3 MeV电子束流耦合至激光尾场加速中[48]。上海交通大学的科研团队提出了通过串级激光加速的方式产生GeV能级的高亮度γ射线[49]。北京大学激光加速器实验室在使用激光和固体靶加速质子方面取得了新的成就，克服了激光加速离子束流的宽能谱、大角散等问题，成功地实现了1%的束流能散[50]，尽管其加速的质子束流能量不是很高，但获得准单能束流依然是很令人振奋的进展。

图7 上海光学精密机械研究所 基于激光尾场加速的自由电子激光装置Fig.7 Free electron laser based on laser plasma wake field acceleration at SIOM

4 总结

本世纪以来，我国的粒子加速器发展极为迅速，不同类型和应用方向的加速器都得到了很好的发展，从之前的发展中国家领头羊到整体上接近世界先进水平，有力地支撑了我国广泛的前沿科学研究和国民应用。正在建设的和筹备建设的大型加速器装置，将使我国的加速器研究和建造水平更上一层楼。在学科建设方面，加速器物理和加速器技术的不同研究方向也在这期间得到了很大的发展，目前已进入到发展原创性的加速器理论或设计理念以及加速器技术阶段。本文尝试对20年来我国粒子加速器的发展作一个全方位的介绍并对未来的发展作一些展望。

另外，我国台湾的加速器也发展得很好，尤其以近年来建设的TPS同步辐射光源为代表，这里没有作进一步的介绍。

非常感谢张闯、赵振堂、赵红卫、冯光耀、贾启卡、邓海啸、黄光顺、李大章等提供了素材或对文中部分内容进行了审核。受作者视野和认知能力所限，本综述可能很不完整，对一些重要加速器装置或进展有遗漏或描述不到位，在这里表示歉意。