一、35 MeV 質子直線加速器的前身

直線加速器特指一種利用射頻電磁場將帶電粒子沿直線軌道進行加速的一類粒子加速器。質子直線加速器是核物理和粒子物理實驗裝置的重要組成部分，常用作高能加速器的注入器，也可以采用全能量質子直線加速器直接用于原子核物理研究、散裂中子源和驅動次臨界反應堆，并可應用于腫瘤治療、同位素生產和質子照相等領域。

1973 年高能所成立后，提出建造高能質子加速器的計劃，質子直線加速器是其中的注入器。1975 年3 月國家批復了《關于加速器預制研究和建造問題的報告》，計劃在1985 年建成40GeV高能加速器實驗基地，代號為“七五三”工程。其中加速器的布局是：750 keV 預注入器—50 MeV直線加速器—1 GeV增強器—40 GeV同步加速器。同時，在高能所(玉泉路)建設預制研究基地，其中包括質子直線加速器實驗廳(1 號廳)。但是囿于國內形勢，此工程硬件設備方面未實質性啟動。1977 年11 月，中央批準“關于加快建設高能物理實驗中心的請示報告”(科發(1977)委字1 號文)，決定加快建造一臺30 GeV質子同步加速器，工程簡稱“八七”工程。工程中加速器的布局是750 keV 預注入器—200 MeV直線加速器—30GeV同步加速器。1978年3月又決定將同步加速器的能量從30 GeV 提高到50 GeV。1979 年，根據國民經濟調整、改革、整頓、提高的方針，“八七”工程的完成期限從1982 年推遲到1987年。對加速器的方案再次進行了修改，新的布局是：750 keV 預注入器—93 MeV 直線加速器—2 GeV增強器—50 GeV同步加速器。1980 年底“八七”工程下馬，但其注入器的第一加速腔(質子束能量可達10 MeV)及其前端的研制工作已全面展開，許多技術難關被逐一攻克，各系統的設備已投入加工。1981 年5 月，國家科委“八七”工程指揮部和中科院物理數學部聯合召開質子直線加速器應用研究討論會，決定將10 MeV 加速器延伸到35 MeV。這樣可以利用這臺我國當時能量最高的質子加速器開展醫用短壽命同位素的生產和快中子治癌的研究，填補我國在這兩方面的空白，同時還可以開展相應的基礎和應用基礎研究。1982 年3 月，所里啟動對撞機工程預制研究，為了適應新形勢，所里調整了加速器和實驗物理各研究室機構，新設立電子直線加速器研究室、儲存環研究室、質子直線加速器及應用研究室、自動控制及束流測量研究室、第一實驗物理研究室、第二實驗物理研究室，撤銷原有各室。1983 年4 月，國務院批準國家計委《關于審批2×22 億電子伏正負電子對撞機建設計劃的請示報告》，工程包括兩項建設內容，新建一臺能量為2 × 22 億電子伏正負電子對撞機;將在建的10 MeV 質子直線加速器擴展到35 MeV。同期，所里召開質子直線加速器動員大會，有關所領導要求：今后不僅要“成器”，建成加速器;還要“成材”，出又紅又專的人才;還要“成風”，培養團結戰斗的優良作風。第一任室主任周清一代表全室108 位同志表態，要“思想穩定、充滿信心，奮勇前進。”

二、35 MeV 質子直線加速器

1985 年8 月，35 MeV質子直線加速器首次調試出束。1989 年5 月，北京35 MeV 質子直線加速器通過中國科學院組織的技術鑒定。據35 MeV質子直線加速器建成后的不完全統計，在建造這臺加速器的過程中，通過攻關而涌現出來的新技術、新工藝、新材料等就有50 多項。它們對于提高我國工業技術水平，起到了積極作用。

35 MeV質子直線加速器及其應用研究工程，由35 MeV質子直線加速器、中能束流輸運系統、同位素制備實驗室和快中子治癌研究實驗室四個單項工程組成(見圖1 工程平面布置圖)。占地面積約12 畝。加速器廳的建筑面積為5043 平方米。應用研究廳的建筑面積為2630 平方米，總建筑面積為7673 平方米。第一期工程(10 MeV加速器)的總投資為2417 萬元。第二期工程(將10 MeV加速器延伸至35 MeV及應用研究工程)的總投資為1232 萬元，因此兩期工程總投資為3649 萬元。其中第一期工程加速器(10 MeV)設備投資2079 萬元，第二期工程中設備投資311 萬元，因此35 MeV加速器設備總投資為2400萬元。

圖1 工程平面布置圖(一號廳局部)

35 MeV質子直線加速器由預注入器、低能輸運線、DTL加速器、中能輸運線及應用線、高頻功率源、磁鐵電源系統、控制系統、束流測量系統、真空系統及水冷系統組成。其中預注入器由高壓發生器、高梯度加速管和強流脈沖離子源組成。預注入器的輸出質子能量為750 keV，脈沖流強達200 mA，歸一化發射度(70%粒子)<3.0π mm-mrad。加速管的內徑600 mm，長2 m。離子源為雙等離子源，工作氣體為氫氣，采用改進的氧化物陰極，壽命可達500 小時以上。整個預注入器大廳約11×19×12米。低能輸運系統是預注入器及DTL加速腔之間的束流輸運通道，全長6.5 米，由17 塊四極磁鐵、聚束腔、導向線圈及束測探頭組成。DTL 加速器，采用漂移管型加速結構，是35 MeV質子直線加速器的加速主體。其輸出質子能量35 MeV，脈沖峰值流強穩定運行40 mA。DTL 腔直徑約1 m，全長約21 米，是單物理腔DTL 加速器，有6 節工藝段構成。內裝103+2×0.5 個漂移管，每個漂移管中裝有一電四極透鏡，采用FD 聚焦結構。加速腔體由銅鋼復合板經卷筒、焊接和精加工后制成。空腔Q值達86000，制造質量達國際水平。中能輸運系統，全長為60 米，由偏轉磁鐵、分析磁鐵、聚焦磁鐵、束測探頭、導向線圈、真空泵及真空閥門組成。在中能輸運線的末端，分出三條應用線，快中子治癌研究線、醫用短壽命同位素線、物理線。高頻功率源，它是一臺工作頻率為201.25 MHz，輸出脈沖功率達5 MW的高頻發射機。其他系統如水冷系統主要有兩臺200 kW的FJZ系列冷水機組組成，對一次冷卻水的入口溫度可控制在~±0.1℃左右;真空系統，由機械泵、分子泵、濺射離子泵組成，可保證加速腔真空度優于5×10-7Torr;磁鐵電源系統為電四極透鏡、導向鐵、偏轉鐵提供電源。四極磁鐵電源輸出達200 - 500 A，脈沖平頂寬度大于500 μs，穩定度達±0.3%，偏轉和分析磁鐵采用直流電源，最大輸出電流為100 A，穩定度達±0.01%;控制系統有中央控制臺及CAMAC接口柜通過接口系統使若干分系統與中央控制臺相連，對加速器的運行產生主控定時，并對磁鐵電源系統進行調節及控制，還有安全連鎖保護裝置;束流測量系統，包括16 套束流強度測量儀、2 套阻攔型發射度測量儀、10 套束流截面測量儀及1套能譜測量儀等。

圖2 BPL-DTL加速腔

三、35 MeV 質子直線加速器取得成果

35 MeV質子直線加速器建成后，在歷任室主任周清一、王書鴻、孔登明領導下，其自身及應用領域取得許多成果。35 MeV質子直線加速器科研工程的第一期成果(10 MeV)，獲中科院科技進步一等獎(1986);其高頻功率源系統的設計和建造，獲中科院科技進步二等獎(1987);加速器的物理設計和研究成果，獲中科院科技進步二等獎(1986)及國家級科技進步三等獎(1987)。1989 年5 月，北京35 MeV質子直線加速器通過中國科學院技術鑒定。鑒定認為，加速器已全面達到或優于設計指標。證明它的設計、建造、安裝和調試都是正確成功的，并達到同類機器的國際先進水平，獲1990 年中科院科技進步一等獎、獲1991年國家科技進步一等獎。

與加速器同時建成的醫用短壽命同位素制備實驗室，包括自動裝卸靶系統、兩條同位素生產線及完整的同位素質量檢測設備，為我國生產多種急需而當時靠進口的醫用短壽命同位素。研制成功的有201Tl、67Ga、11C等。其中201Tl、67Ga藥物的質量達到美國和國內的藥典標準，獲得批準可批量制備，逐漸提供國內需要。研制成超短壽命醫用同位素碳-11，并已多次用于我所研制的正電子斷層照相裝置(PET)的動物試驗，取得較好的顯像效果。此外，還開展了正電子核素18F的制備研究。

1989 年6 月建成快中子治癌研究裝置，同年通過國家鑒定驗收。1991 年11 月開始快中子治癌臨床研究。1992 年4 月通過了國家醫藥管理局和中國科學院組織的科技成果鑒定，獲鑒定證書。“快中子治癌研究裝置及應用研究”項目1993 年獲中國科學院科技進步獎二等獎、1995 年獲國家科技進步獎三等獎。1995 年被列入國家攀登計劃B的研究課題。“快中子治療肺癌”1998 年獲軍隊科技進步獎三等獎。快中子治癌臨床研究產生了極大的社會效益，在中子治癌研究工作中積累了中國自己的實踐資料，培養了一批開展交叉學科研究的人才。至2002 年，共治療各種中子適應癥癌癥患者682 人，其中包括一名臺灣患者。

35 MeV質子束，提供核物理、核化學和材料輻照等的實驗研究。北京原子能研究院、蘭州近物所、本所等單位，用35 MeV質子束，進行了實驗研究，并取得較滿意的結果。中科院近代物理所利用BPL提供的穩定質子束，1996 年在國際上首次合成了超鈾區缺中子同位素235Am，入選當年全國10 項重大科技事件和全國十大新聞。

我進入高能所后，有幸參加35 MeV質子直線加速器部分工作，猶記得小夜班進行離子源陰極激活、凌晨開始750 kV 加速管老練、推著示波器沿著磁鐵電源長廊進行調束;夏天揪心空氣濕度影響加速管老練速度、冬天留意樓頂冷卻塔管道放水。我的工作開始旁邊有老同事說著、看著到獨立操作，后期在大家的培養、信任下，成長為BPL 運行負責人，協調整個團隊完成BPL運行、維護、改進任務。

四、后35 MeV 質子直線加速器

2002 年下半年，所里根據學科定位，決定BPL暫停運行，嘗試轉變35 MeV質子直線加速器的運行模式，期望第三方介入，使BPL 及快中子治癌的運行實現自持發展。轉制沒成功，BPL及其應用線相關設備就地封存。2003 年3 月，院里同意BPL退役。2005 年高能所與中國工程物理研究院流體物理研究所簽訂BPL主體搬遷協議，并完成交付。

這之后，質子直線加速器迎來新的發展，加速器驅動的次臨界系統(ADS)、散裂中子源(CSNS)項目中都需要質子直線加速器。這里值得一提的是：2018 年8 月，中國散裂中子源(CSNS)在東莞順利通過國家驗收，投入正式運行。CSNS 加速器的布局：80 MeV直線+1.6 GeV RCS，比照“八七”工程目標，對于前輩的期盼，尚未完全實現。我從中深切地感受到，質子直線加速器乃至高能物理的發展，是與祖國的強大緊密相關。祝愿祖國繁榮昌盛，高能所穩步發展，早日實現中國高能物理人心中的愿景。