500MHz超导腔高功率输入耦合器近日在中国科学院高能物理研究所研制成功。超导加速器的高频高功率输入耦合器是加速器系统的关键设备之一，其技术综合性非常强，涉及微波功率传输、低温学、机械工程学、真空学、材料科学等学科。强流加速器的瓶颈之一是超导腔高功率输入耦合器馈送功率的能力，所以其研究和制造一直是国际加速器高频领域的一个热点。
上世纪八十年代北京正负电子对撞机建造期间，中国开始研制用于对撞机高频加速系统的功率耦合器，1988年研制并开始使用了最大功率为30kW、工作频率为200MHz的同轴型输入耦合器，在这一过程中积累了一定的研制、测试和使用经验。但因国内一直没有使用500MHz频段的射频加速器，所以没有研制相应的高功率输入耦合器。2003年，北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）正式上马，其工作频率为世界通用的500MHz，高频加速腔采用了超导腔。由于BEPCII高流强（近1A）的设计指标，要求超导腔输入耦合器通过的连续波高频功率达到140kW以上。由于国内没有这样的高功率耦合器产品，也没有立即制造和研制的技术储备，因此依然使用从日本购买的两只高功率耦合器作为BEPCII超导腔的高频功率耦合装置。
2006年，BEPCII工程储存环建造任务基本完成，中科院高能物理研究所开始考虑将一些关键且价格昂贵的高频高功率设备实现自主研制，因高功率输入耦合器在高频加速系统中是最为薄弱的设备之一，是影响BEPCII束流流强提高的一个瓶颈，而且价格高、研制周期长，于是选择超导腔高功率输入耦合器作为突破口进行攻关，经过近两年时间的技术路线研究、工艺设计研究及无数次的反复试验，终于研制出性能良好的500MHz超导腔高功率输入耦合器，功率测试达到了270kW，这是目前国内达到的最高功率输入能力，达到同类设备世界水平，有相当高的技术难度和自主创新性。 对于一个大型射频超导加速器而言，高频加速系统是其最为关键的系统之一，它加速带电粒子到一定能量，同时，将高频功率转换成束流功率，为束流运转提供能量，同时起到维持束流寿命的作用，相当于汽车的发动机。其中的高频功率输入耦合器负责把高频功率源产生的高频功率从传输线耦合到加速腔体中的装置。简言之，输入耦合器的功能有：
——以脉冲波或连续波的形式向高频腔耦合功率以提供腔耗和束耗；
——采用陶瓷窗将高频腔体与大气隔离，使加速腔内保持超高真空；
——在高频功率源（发射机）和有束流加载的超导腔体之间提供一个阻抗匹配；
——起到从常温到超导低温的温度过渡和设备连接作用。
一般地，超导高频腔系统基本由腔体、高功率输入耦合器、高次模吸收器、低温槽组成。500MHz频段目前均从国外进口。该系统有四个致命的薄弱环节：腔体的铟丝封接、高次模吸收器的铁氧体热裂、耦合器窗体、耦合器，其中耦合器最为脆弱而显得非常关键。二次电子倍增效应和场致发射都可能造成拉弧或耦合器高频窗体的局部过热而使窗破裂，是造成超导腔真空被破坏的最为薄弱的设备。随着强流加速器流强的不断提高，束流功率也将大大提高（目前已超过100kW），耦合器耦合功率越来越大，危险也越来越大。耦合器窗体一旦破裂，真空环境被破坏，将造成加速器长时间停机，导致大型实验被迫中断。
500MHz超导腔高功率输入耦合器的研制成功，对发展中国自己的高频高功率设备、自主研制高功率输入耦合器、打破依赖进口的局面，具有很大的实际意义和应用价值。
从眼前和长远来看，无论是发展能量回收型自由电子激光装置（ERL—EXFEL）、国际直线对撞机（ILC），还是国外正在研制或运行的大型超导加速器，高流强的设计要求均需要较高功率承受能力的超导腔输入耦合器，尽管它们的结构不尽相同，但其设计思想、工艺技术及制造技术是相通的。500MHz耦合器的高频特性和工艺技术路线的全面研究和高功率耦合器的研制成功，对下一步可能开展的大型加速器装置中各类高频腔耦合器的研制是一个经验的全面积累和发展的重要基础。
国内500MHz超导腔高功率耦合器的研制成功体现了关键加速器高频设备的研制自主性，中科院高能物理研究所完全依托国内高端工业、开拓国内企业加工制造领域，完全采用的是国内先进技术工艺， 自创了符合我国工业制造能力的工艺路线，自主研制填补了国内空白；其次，研制的高功率耦合器具有技术前沿性，连续功率270kW为国内最高功率水平，也达到了世界水平；第三是其技术适用性，高功率耦合器工艺路线和研制流程可直接用于北京正负电子对撞机、未来的北方光源等加速器超导腔耦合器装置，耦合器关键技术和工艺可用于自由电子激光、国际直线对撞机的加速器超导腔耦合器的研制。
