散裂中子源项目进展
中国散裂中子源
中国散裂中子源散裂中子源是体现一个国家的科技水平、经济水平和工业水平等综合实力的大型科学研究装置，是开展多学科交叉前沿研究及高新技术研发的先进大型实验平台，能够为我国的多学科创新在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。
中子散射广泛应用于物理、化学、生命科学、材料科学技术、资源环境、纳米等学科领域，并有望在如量子调控、蛋白质、高温超导等重要前沿研究方向实现突破。
强流质子加速器相关技术的发展也将为一些重要的应用，如质子治癌、加速器驱动的次临界洁净核能源系统（ADS）等，打下坚实的基础，储备丰富的工程建设和运行经验。
散裂中子源的建设不仅会对我国工业技术、国防技术的发展起到有力的促进作用，也会带动和提升众多相关产业的技术进步，产生巨大的社会经济效益。
中国散裂中子源（CSNS）是国家“十二五”重点建设的重大科技基础设施，是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。
2018年8月23日，CSNS作为我国首台散裂中子源、粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施，按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，综合性能进入国际同类装置先进行列，正式对国内外各领域的用户开放，并很快有相关高水平用户实验成果文章发表。
CSNS填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，为我国物质科学、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术研发提供强有力的研究平台，将对粤港澳大湾区国际科技创新中心建设提供重要科技支撑，对满足国家重大战略需求、解决前沿科学问题具有重要意义。
同时，散裂中子源的建设，显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域的相关产业技术水平和自主创新能力，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。
研究进展与成果我国首台散裂中子源顺利通过国家验收CSNS是国家“十一五”立项、“十二五”重点建设的重大科技基础设施和高科技多学科应用研究平台。
CSNS于2011年9月动工，2018年3月全面竣工、8月正式通过国家验收，按期高质量地完成了国内首台散裂中子源的建设任务。
环境中子辐射剂量率的测量
水平村水塘
水平村
东莞理工
东莞理工大学
长城世家
松山湖沁园路
大朗镇政府
大朗镇
分别在1#、9#、38#、46#、51#、54#、55#、67#、70#、75#、80#、81#、82#、83#等14个点位 处各采集土壤样品约500g。在37#、水平村水塘点位处采集地表水样品2000g。
散裂中子源进展汇报
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170
<0.01
149.6
<0.01
2013年测量结果
γ 测值 （nSv/h）
中子测值 （μ Sv/h）
175.6 270.2 150.8 178.8 159.4 144.2 158.0 181.8
0.0040 0.0064 0.0070
104.6 232.0 180.6 140.0 125.0
0.0120 0.0070 0.0120 0.0104 0.0162
散裂中子源进展汇报
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图1 CSNS场址测量布点示意图
散裂中子源进展汇报
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图2 水平村及大朗镇测量布点
散裂中子源进展汇报
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表2 环境γ辐射剂量率、环境中子辐射剂量率的部分测量结果
样品编号
1# 9# 38# 46# 51# 54# 55# 67# 70# 75# 水平村水塘 东莞理工 长城世家 散大裂朗中子镇源政进府展汇报
中国散裂中子源（ CSNS， China Spallation Neutron Source）是我国“十 二五”期间重点建设的大科学装置，CSNS 装置建设的主要内容包括：一台80 MeV 负氢离子直线加速器、一台 1.6 GeV 快循环质子同步加速器、两条束流输 运线，一个靶站和一期3台谱仪及相应的配套设施。CSNS 于 2011 年在广东东 莞开工建设，工程进展顺利，预计 CSNS 将于 2018 年春建成。
测量腔体失谐频率
H— IS LEBT
RFQ
3 MeV
MEBT
Buncher1 Buncher2
DTL
81 MeV
LRBT
Debuncher
RING
4616
4616
LLRF
350kW*2 Tetrode
Solid State Amplifier
Solid State Amplifier
HVPS
MOD
MOD
MOD
KKlylyss..
MOD Modulator
High Voltage HVPS Power Supply
3
H— IS LEBT
RFQ
3 MeV
MEBT
Buncher1 Buncher2
DTL
81 MeV
LRBT
Debuncher
RING
4616
4616
Solid State Amplifier
Solid State Amplifier
拟合得到曲线的斜率为： d =-107200 dt
失谐频率为： f d =17.061KHz 2 dt
腔体的失谐角为： 15.23
相位变化曲线
9
CSNS直线RF参考线分配系统
RF参考线分配系统用于传输直线低电平控制系统和束测系统所需的基准RF参考信号， 其长期温漂相位稳定性直接影响到LLRF相位控制的稳定性。
LO
Q channel output
IF
CAVITY
I (AMPLevel) cos( t) Q (AMPLevel) sin( t)
LO
Downconversion
对九七三ＡＤＳ项目的ＲＦＱ加速器在调试过程中的 一个实测结果：
松山湖材料实验室：助力广东成为世界著名材料科学研究中心
松山湖材料实验室：助力广东成为世界著名材料科学研究中心聚焦前沿 专注解决“卡脖子”问题《广东科技》：我们知道材料是社会发展的物质基础，先进材料可以服务于国民经济、社会发展、国防建设、人民生活的各个领域。
你们实验室是对哪些材料进行前沿基础研究和应用开发研究，今后将为广东的创新发展提供哪些支撑？松山湖材料实验室：我们实验室主要针对我国在信息、能源、国防军事、生命健康、先进制造、航空航天等领域中存在的高端材料需求方面的“卡脖子”问题，瞄准材料领域基础科学的前沿问题进行研究。
我们的研究方向涵盖结构材料、功能材料以及新概念材料，主要对金属材料、超导材料、磁性材料、高压新材料、量子计算核心材料、低维材料、生物医学材料、软物质与高分子材料、陶瓷材料、功能涂层材料、柔性电子材料等进行前沿基础研究和应用开发研究。
我们以前沿研究为基础，实现相关科技领域的原始性重大突破、攻克产业核心关键技术、破解关键领域重大科技难题，从而充分发挥基础研究对材料科学和工程技术的创新源头作用，打通从基础科学发现、关键技术突破到产业应用前期的完整创新链，积极推动实现材料科学重大原创性突破和重大成果转移转化。
实验室将依托散裂中子源、南方光源等大科学装置集群，推动重大成果的转移转化，建设有国际影坐落于粤港澳大湾区主要核心城市东莞的松山湖材料实验室，毗邻中国散裂中子源，是以中国科学院物理研究所为牵头单位，由东莞市政府、中国科学院物理研究所和中国科学院高能物理研究所共建的省实验室。
自建设以来，实验室从全球范围大力引进优秀科研人才，通过聚焦原创性和颠覆性的研究，全力打造“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”全链条研究模式，为粤港澳大湾区和东莞实现高质量发展贡献力量。
未来，该实验室将布局前沿科学研究、创新样板工厂、公共技术平台和大科学装置、粤港澳交叉科学中心四大核心板块，致力成为有国际影响力的新材料研发南方基地和具有国际品牌效应的粤港澳科研中心。
中国散裂中子源加速器前端运行及改进
收稿日期：2020-04-06作者简介：欧阳华甫（1965—），男，二级研究员，博士生导师，研究方向：加速器物理与技术.基金项目：国家自然科学基金项目“强流脉冲负氢离子源高占空比的性能研究”（11875271）.第35卷第2期2021年4月白城师范学院学报Journal of Baicheng Normal University Apr.Vol.352021No.2中国散裂中子源加速器前端运行及改进欧阳华甫，刘盛进，肖永川，吕永佳，曹秀霞，薛康佳，李辉，朱仁丽，陈卫东（中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803）摘要：2020年2月，中国散裂中子源打靶束流功率达到100kW ，提前一年半实现一期设计指标.从此，中国散裂中子源开始在该功率下日常运行，对用户开放.截至目前，中国散裂中子源的运行效率在93%左右，高于国际同类散裂中子源的同期水平.直线加速器前端系统作为中国散裂中子源加速器的起点，提供散裂中子源所需要的束流，是中国散裂中子源的重要和关键组成部分，前端系统能否稳定运行决定了散裂中子源的运行效率.文章主要介绍前端系统最近几年的运行，及为解决离子源的稳定性和RFQ 的打火问题所进行的改进.关键词：中国散裂中子源；前端系统；负氢离子源；低能传输线；预切束器；RFQ ；打火中图分类号：O571.53文献标志码：A 文章编号：1673-3118（2021）02-0001-110引言中国散裂中子源（CSNS ）是一个基于高功率加速器的多学科的实验平台，由加速器、靶站和谱仪三部分构成.加速器则主要由一台能量为81MeV 的负氢直线加速器（LINAC ）、一台能量为1.6GeV 的快循环同步加速器（RCS ）和两条束流传输线构成.负氢直线加速器由一台能量为50keV 的潘宁表面等离子体负氢离子源（IS ）、一条长度为1.6m 的低能束流传输线（LEBT ）、一台能量为3.0MeV 的射频四极加速器（RFQ ）、一条长度约为3.0m 的中能束流传输线（MEBT ）、一台能量为81MeV 的漂移管直线加速器（DTL ）及一条长度约为150m 的高能束流传输线（HEBT ）组成.如图1所示，加速器前端系统是指直线加速器的起始部分，包含负氢离子源、低能束流传输线、射频四极加速器及中能传输线.作为直线加速器的起点，前端系统是CSNS 的重要和关键组成部分，为CSNS 提供所需要的负氢束流.前端系统能否提供稳定可靠的束流，直接决定了CSNS 的运行效率.事实上，由于前端系统的复杂性及高难度，其故障率也一直偏高.基于CSNS 一期100kW 打靶束流功率的要求，前端系统需提供重复频率为25Hz ，脉冲宽度为400μs ，束流占空比为1%，能量为3.0MeV ，最大脉冲强度为15mA 的脉冲负氢束流.另外，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400μs 的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1MHz ，脉宽约为500ns （根据需求可进行调整）的微束团，以满足束流从直线加速器到RCS 多圈注入的物理要求.15mA 的脉冲白城师范学院学报第35卷束流需求，已经考虑到了束流50%切束损失、直线加速器传输损失及RCS 环注入及传输损失，因为100kW 的打靶束流功率对应切束前后的负氢束流强度为6.25mA.图1CSNS 前端系统示意图自2015年完成前端系统的安装和初步调试后，前端系统能够满足散裂中子源后续功率提升过程中所需要的各种束流强度及出束模式需求，但其稳定性在调试及运行时并不太令人满意.前端系统的不稳定性主要来自离子源高压打火（包括引出电压及加速电压）及RFQ 腔体高功率下的射频打火.为此，在后续5年的调试和运行中，针对前端系统上述问题进行了诸多软硬件上的改进，使系统的稳定性及运行效率有了极大的提高.同时，由于运行人员对系统了解的加深及运行经验的提高，前端系统的故障率得到进一步改善.1潘宁表面等离子体负氢离子源（IS ）离子源是加速器的起点，用于产生CSNS 所需的负氢离子束.其关键是要能够提供大流强、低发射度的负氢离子束，同时离子源运行稳定可靠、使用寿命适当.离子源能否提供高品质的稳定束流关系到整个加速器及散裂中子源的性能和运行效率.CSNS 采用的是潘宁（Penning ）表面等离子体负氢离子源，该类型离子源在流强、发射度及使用寿命等方面都满足CSNS 一期要求，造价也相对便宜.潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸汽，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.CSNS 负氢离子源的主要束流参数如表1所示.表1负氢离子源的主要束流参数参数类型能量/keV 脉冲束流强度/mA 归一化均方根发射度/（πmm·mrad ）重复频率/Hz脉冲脉宽/μs束流占空比/%寿命/month 数值50>20<0.20254001.3>1如表1所示，离子源的引出能量选择为50keV ，兼顾了包括离子源的高压难度及稳定性、低能传输线束流发射度增长、RFQ 的注入能量等几个方面的因素.离子源输出脉冲束流强度必须大于20mA ，是因为必须考虑前端系统自身的束流传输效率.通常情况下，前端系统的束流传输效率大于75%.离子源2欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期束流占空比为1.3%，也远远超出了CSNS 对前端束流占空比1%的要求.离子源的主要构成、放电室组件及安装情况如图2所示.束流（包括电子和负氢）垂直向下引出后，通过90°偏转磁铁的偏转，实现引出负氢束流与引出电子的分离，电子损失在偏转磁铁中，负氢束流偏转90°后继续沿水平方向传输进入低能传输线.该离子源的寿命约为30～50天，基本满足散裂中子源用户需求.离子源的寿命主要受限于离子源核心部件——放电室的溅射损伤.放电室主要包括缝板、阳极、阴极、陶瓷绝缘环和放电室壳体.新放电室的安装和调试准备工作可以事先在实验室进行.目前，将寿命到期的旧放电室（包括放电室相关部件）更换成新放电室并让离子源重新正常工作所需要的时间约为4～6个小时，因放电室的更换必须在大气压下进行，时间主要用在系统的真空恢复上.（a ）离子源的主要构成（b ）放电室组件（包括缝板、阳极、（c ）放电室在法兰上的安装阴极、陶瓷绝缘环和放电室壳体）图2离子源的主要构成、放电室组件及安装情况图中国散裂中子源的调试和运行至今已超过5年时间，总共使用了约40套放电室，使用时间最长的一套放电室为55天.一般而言，对每一套放电室，在重复频率为25Hz ，脉冲宽度为400μs ，束流占空比为1%的运行状态下，离子源最大能引出约50mA 的负氢束流，束流的归一化均方根发射度约为0.8πmm·mrad ，大于RFQ 所需要的0.2πmm·mrad 接收度，但仍有超过20mA 的束流小于RFQ 的接收度，满足CSNS 一期对离子源束流强度的要求.为了确保RFQ 的传输效率，我们将多余的、不满足RFQ 接收度的束流通过安装在RFQ 入口、LEBT 末端第三真空腔内的束流准直器进行刮除.事实上，在CSNS 日常运行中，离子源引出的负氢束流只要大于30mA 就能实现100kW 打靶束流功率.离子源从2014年10月安装到隧道至今，针对离子源的稳定性问题我们已经进行了诸多改进.首先，把等离子体放电所需的潘宁电磁铁更换成永磁铁.永磁铁因无供电需求，安装位置更加灵活，方便永磁铁和离子源放电室安装在相同法兰上.这样，放电室与永磁铁所处电位相同，避免了永磁铁与放电室间的打火，提高了离子源稳定性.其次，将离子源引出电源从电源厅移至隧道离子源旁边，引出电源输出电缆长度变短，减少了线缆的寄生电感及电缆的感应电压，引出负载电压更加稳定.再次，更换了新的加速高压绝缘陶瓷件，与旧的高压绝缘件相比，新的高压绝缘件增加了一个高为45mm 的陶瓷衣领，在保证加速间隙不变的情况下增大了绝缘件的爬电距离（增大了90mm ），使50kV 加速高压打火问题得到了彻底解决.最后，用功率更大的直流高压加速电源（65kV/80mA ）代替原高压加速电源（55kV/10mA ），省去了高压电源的外接电容，打火能量得到了很好的控制，设备更加安全.经过这些改进，彻底解决了加速高压的打火问题、放电室与潘宁磁铁之间的打火问题以及引出输出线缆寄生电感带来的问题，控制了高压打火的能量.离子源的稳定性及可靠性得到极大的提高［1］.但是引出高压打火的问题并未得到彻底解决，可能还会存在一段时间.只有当铯注入量的问题得到3白城师范学院学报第35卷解决后，引出高压打火的问题才能避免.正如前面所述，潘宁表面等离子体负氢离子源是一种弧放电需要注铯的离子源，只有往放电室注入合适的铯蒸气，才能得到稳定的弧放电及足够大的负氢束流.铯的熔点为28.4o C ，沸点为678.4o C ，离子源铯的工作温度远远小于铯的沸点温度.引出高压的打火原因是铯蒸气在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累降低了引出高压的绝缘耐压.为了提高等离子体放电的负氢产额，一般都会往负氢离子源放电室注入铯蒸气.注入放电室内的铯蒸气量必须严格控制，当铯原子铺满放电室阴极（金属钼）表面晶格原子的60%，负氢产额最佳.目前，我们是通过控制铯锅及铯传输管道的温度来控制铯的蒸气压，从而控制铯注入放电室的流量.我们知道，蒸气压只与温度有关，是温度的指数函数.只有严格控制好铯的注入量，才能保证离子源的最佳出束状态，同时避免引出高压的打火，保证离子源运行的稳定性.虽然铯的注入量物理上可以通过铯的蒸气压及放电室的压力差计算出来，也可以通过光谱仪测量放电室里铯蒸气的浓度得到，但要在线同步控制铯的注入量并非易事.实际运行中，我们是通过铯注入量对等离子体放电的外在表现来实现铯注入量的间接控制.铯注入量主要对等离子体放电以下参数或波形有影响：（1）弧放电电压的大小（稳流工作模式）；（2）引出电流的大小（包括负氢束流和电子）；（3）负氢束流流强的大小；（4）负氢束流脉冲波形的形状和光滑度.原则上，除了最后一点以外，其他三个都可以用来作为铯注入量的反馈参数，实现铯的注入量闭环控制.图3显示的是离子源输出的三种负氢束流脉冲波形，分别代表铯注入量不足、适量和过多的情况.如图3所示，当铯注入量不足时，负氢束流脉冲波形平顶会很不光滑，而当铯注入量过多时，脉冲内的负氢束流的大小会出现前高后低的现象.图3离子源输出的三种负氢束流脉冲波形（曲线1），从左至右分别代表铯注入量的不足、适量和过多三种情况另外，针对加速器低占空比或单发模式下的调试、运行等特殊情况下，引出高压容易打火的问题，研制了一台新型的、具有双脉冲输出的引出电源.在进行物理调试及机器研究时束流损失通常会比较大，为了避免束流损失造成的设备损伤，加速器调试和机器研究需在低占空比（如1Hz/100μs ）或单发模式下（降低束流的平均功率）进行.这时也是离子源引出电压最易出现打火或引出过流问题，原因是这时打在引出电极的束流（电子和负氢打在引出电极上的束流具有很好的清铯功能）平均量很小，引出电极此时很容易积铯，降低引出电极的耐压.为解决物理调试和机器研究时加速器低占空比或单发模式运行下的引出电压打火问题，我们研制了一种新型的双脉冲输出引出电源，该引出电源能够先后输出两个电压脉冲.如图4所示，利用该电源的25Hz 、低电压（电压<8kV ）、宽脉冲引出的束流，可以清除引出电极上的积铯.该脉冲束流因能量低，全部损失在LEBT 而不会进入RFQ ，对下游加速器没有任何影响.而另一个正常的1Hz 、正常电压（14～17kV ）、窄脉冲引出的束流可以通过LEBT 进入到RFQ.当然，在100kW 4欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期束流功率运行（25Hz/400μs ）时，如有需要，我们也会启用引出电源的除铯功能.图4利用新的引出电源，离子源可引出两个脉冲束流（曲线1），左边的是正常的束流脉冲，右边的是除铯脉冲，曲线2显示的是离子源的弧流脉冲波形为了提高前端系统的稳定性，除了上述硬件上的改进，我们在软件方面也做了诸多改进和提高.第一，规范化离子源放电室的安装及更换步骤和流程，提高了离子源放电室的可靠性和一致性；第二，在控制上，我们设计了三个闭环控制程序分别用来控制铯蒸气的注入量、离子源的引出束流轨道及打靶束流功率.图5显示的是这三个闭环控制程序的操作界面.第一个闭环控制程序是离子源引出电压自动调节程序，该程序的功能是根据引出电流的大小自动调节引出电压的设定值，来确保负载电压的稳定和束流轨道稳定在中心位置.因为引出电源输出线路上串联电阻的存在（保证电源引出打火时的安全），引出电流的波动会改变串联电阻上的电压降从而导致负载电压的变化，为了保持负载电压和束流轨道稳定，这时就必须调节引出电压的设置值.图5前端系统的三个闭环控制程序操作界面如图5所示，引出电压的设定值的调节步长可以精确到0.05kV.第二个闭环控制程序是LEBT SOLPS01（低能传输线1号聚焦螺线管）电流自动调节程序.正如前面所述，目前离子源具有提供大于100kW 束流功率的能力，多余的束流可以通过低能传输线安装的束流准直器刮除.调节低能传输线第一个螺线管励磁电流的大小，即可调节螺线管的聚焦，改变束流在束流准直器处包络的大小，从而改变5白城师范学院学报第35卷束流准直器刮除束流的量，也即进入RFQ 束流大小，实现螺线管励磁电流和打靶束流功率的闭环控制和功率的锁定.操作界面中，打靶束流功率控制在100～101kW 之间，螺线管励磁电流改变的步长为0.5A.图6显示的是2021年4月2日—3日24小时的打靶束流功率曲线.从图6可以看出，打靶束流功率的稳定性非常好，这一天的运行效率也达到了98.97%.图6CSNS 24小时打靶束流功率图第三个闭环控制程序是铯锅（或管道2）温度自动调节程序，利用引出负氢束流和引出电流的大小与铯蒸气的注入量即色温的相关性，根据CSNS 100kW 束流功率运行对引出负氢束流的实际需要（一般需要大于30mA ）以及引出电流上限（引出电流太大，容易导致引出电源的过流保护），自动调节铯锅（或管道2）的温度.CSNS 离子源的供铯系统如图7所示，主要包括铯锅、铯传输管道1和管道2.铯锅和管道1位于真空外，外缠电加热丝及绝热玻璃带，并装有热偶测温.管道2位于真空内，也是外缠电热丝并装有热偶测温.三者可以独立加热和测温.通常情况下，铯锅的温度为140～170o C ，管道1和管道2的温度为260～280o C.在铯注入量适量的情况下，引出负氢束流的大小与铯的注入量（或温度）正相关，而引出电流则与铯的注入量（或温度）反相关（在不考虑漏电流的情况下）.但是，由于铯蒸汽在包括引出电极、引出电极陶瓷绝缘柱等上的沉积及积累，在放电室使用一段时间后，引出电流中的漏电流会占主导地位，这时引出电流与铯温正相关.如果前期铯的注入量没有严格控制好，引出高压打火及引出过流此时就很容易发生.在离子源的实际运行中，我们可根据离子源的运行状态选择铯锅的温度或管道2的温度作为调节参数.图5控制界面显示的是选择管道2作为调节参数.管道2因为紧靠放电室，引出负氢束流的流强（表征为LEBTCT01）对管道2的响应更加快速.LEBTCT01是通过安装在离子源的出口、LEBT 入口的束流变压器（CT01）测量得到的.这里最小LEBTCT01设置值为33mA ，最大LEBTCT01设置值为36mA.当LEBTCT01的值大于36mA 时，程序会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5o C ），在设定的降温调节时间间隔内（这里为600s ）降温；当LEBTCT01的值小于33mA 时，程序也会自动按照设定的温度调节步长（这里为0.5o C ），在设定的升温调节时间间隔（这里为6×600s ）升温；因为铯的注入量有累积效应，所以选择的升温时间间隔更长.而当LEBTCT01的值在33～36mA 之间，保持色温不变.另外，为确保离子源运行的稳定性，程序还设置了最大引出电流（550mA ）和最小引出电流（300mA ）的安全范围，只有在设定的引出电流范围内，铯温才进行调节.自从启用铯温自动调节程序后，前端系统实现了电话（on-call ）值班，既节省了人力，同时离子源的运行也更加稳定.尽管如此，对于不同放电室，铯温自动6欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期调节程序中的参数设定值也会不同，需要根据离子源的具体放电状态进行调整.图7CSNS 离子源的供铯系统，包括铯锅、铯传输管道1及铯传输管道22低能束流传输线（LEBT ）如图1所示，LEBT 主要包括三个聚焦螺线管、两个双向导向铁、一套双缝扫描发射度测量仪、一个偏转板型静电预切束器及一个束流准直器.发射度测量仪安装在第一个螺线管下游LEBT 中间的位置.图8显示的是束流强度为53mA 时，由LEBT 发射度测量仪测得的束流发射度结果.测量结果表明，x 方向和y 方向的归一化均方根发射度分别为0.892πmm∙mrad 和0.742πmm∙mrad.在发射度0.2πmm∙mrad内，x 方向和y 方向的束流强度分别为15mA 和25mA ，基本满足CSNS 一期对离子源束流强度的要求.显然，束流在两个方向的发射度并不是旋转对称的，这也正是LEBT 采用3个螺旋管而非传统的2个螺旋管的原因.理论和实验表明，采用3个螺旋管可以将非旋转对称的束流转化为旋转对称束流，实现离子源束流与RFQ 接收度的匹配.图8LEBT 束流发射度测量结果：左侧上下两图分别显示的是流强为53mA 时x 方向和y 方向的发射度；右侧上下两图分别显示的是x 方向和y 方向不同发射度（相空间中面积）内所包含的流强大小因为从离子源引出的负氢束流归一化均方根发射度约为0.8πmm∙mrad ，大于RFQ 接收度0.2πmm∙mrad 的要求，在LEBT 未安装束流准直器的初始调试阶段，如图9左所示，RFQ 的束流传输效率通常只有75%～88.5%（这里为86.5%），但RFQ 出口的束流强度（MEBTCT01）可以高达30多毫安（这里为34.81mA ），远远大于CSNS 100kW 打靶束流功率要求的12.5mA 束流强度.为了提高RFQ 的束流传输效率，减少损失束流对RFQ 腔体损害的风险，我们在RFQ 入口、LEBT 末端的第三真空腔内安装了一个束流准直器，将发射度大于RFQ 接收度的束流刮除.有了束流准直器后，如图9（b ）所示，RFQ 的束流传输效率提高到92%～97%之间.RFQ 出口束流强度越小，RFQ 束流传输线效率越高（这里束流强度为7白城师范学院学报第35卷16.726mA ，传输效率为92.1%）.（a ）没有束流准直器时，传输效率为86.5%（b ）有束流准直器时，传输效率为92.1%图9RFQ 在有无束流准直器时的束流传输效率如前所述，为了提高束流从直线加速器到RCS 的注入及加速效率，前端系统还需在低能传输线对脉宽为400μs 的宏脉冲束流进行切束处理，把束流切成重复频率约为1MHz ，脉宽约为500ns （根据需求可进行调整）的微束团.为此，我们在RFQ 入口、LEBT 的末端的第三真空腔内安装了一个偏转板型静电预切束器.之所以称之为预切束器，是因为切束后的束流，如果其上升沿/下降沿不满足要求，还需在MEBT 安装另一个切束器对束流上升沿/下降沿再切束，直至切束束流的上升沿/下降沿满足RCS 要求.预切束器安装在RFQ 的入口、LEBT 的末端，一方面，可以避免破坏束流在LEBT 的空间电荷中和效应，而空间电荷中和效应对减少束流在LEBT 传输的发射度增长非常重要［2-3］；另一方面，因为束流在RFQ 入口为汇聚束，束流包络小，这样静电预切束器尺寸就小，其负载电容也小，切束束流的上升沿/下降沿也就小.为进一步减小偏转板型静电预切束器的负载电容，两块偏转板之间并非平行，而是让偏转板之间的间隙随汇聚束流包络的减小而减小，同时，偏转板的宽度也随包络变小而变小.这样就可以进一步减小切束器的负载电容及工作偏转电压，减小切束束流的上升沿/下降沿.但是，因为预切束器紧靠RFQ 的入口，切除的部分束流会损失在RFQ 加速器中，对RFQ 的运行稳定性产生影响.图10显示的是重复频率为1Hz 、脉宽为100μs 宏脉冲束流经过切束后的测量结果.实验中，切束器将脉宽为100μs 的宏脉冲切成脉宽为500ns 、重复频率为1MHz 的微脉冲，切束率为50%.切束率可以根据实际运行需求进行优化调整.目前，在CSNS 100kW 打靶束流功率运行中，切束率经过优化后选择为43%，即切除的束流比例为43%.图10RFQ 出口束流的BPM 信号.上：切束后脉宽为500ns 的微脉冲；中：微脉冲束流上升沿约10～12ns；下：微脉冲束流下降沿约10～12ns8欧阳华甫，等：中国散裂中子源加速器前端运行及改进第2期图10显示的信号为RFQ出口，由束流位置监视器（BPM）给出的束流信号.加载的切束电压为4.5kV.理论上，只要加载的切束电压大于3.9kV即可彻底切除不需要的束流.但是加载的电压越大，切束束流的上升沿/下降沿就越小.从图10可以看出，切束束流的上升沿/下降沿约为3～4个射频（RF）脉冲周期.CSNS直线加速器的射频工作频率为324MHz，一个RF周期的时间为3.086ns.因此，切束束流的上升沿/下降沿约为10ns，达到了此类切束器的世界最好水平.由于CSNS LEBT预切束器完美的切束结果，MEBT不再需要另外安装切束器，为MEBT结构设计和束流物理的优化创造了有利条件.利用LEBT 的静电切束器，前端系统可以提供丰富的出束模式，更好地服务于加速器的调试和研究，如单发模式、单束团模式、双束团模式以及各种脉宽和重复频率的束流模式.3射频四极加速器（RFQ）CSNS RFQ是一个集横向聚焦、纵向聚束及纵向加速于一身的四翼型射频加速结构，也是CSNS加速器的第一个加速结构.RFQ将离子源产生的能量为50keV的负氢束流加速至能量3.0MeV.尽管CSNS 一期100kW打靶束流功率只要求前端系统提供束流强度为15mA、脉宽为400μs、重复频率为25Hz的脉冲束流，但考虑到CSNS二期升级的需要，RFQ设计的脉冲束流强度选择为40mA［4］，同时RFQ腔体的冷却设计也是按CSNS二期的RF占空比进行的，RFQ设计的参数值如表2所示.表2CSNS RFQ的主要设计参数参数类型工作频率/MHz注入能量/keV输出能量/MeV脉冲束流强度/mA脉冲束流宽度/μs束流重复频率/Hz注入归一化均方根发射度/（πmm·mrad）极间电压/kVRFQ长度/mm数值324503.040400250.2803620.074参数类型束流传输效率/%最大表面场强/（MV·m-1）平均束流孔径/mm电极头半径/mm腔体功率损耗/kW电极长度/mm入口间隙/mm出口间隙/mm数值97.631.683.5653.1733903603.0998.0058.970正如前面所述，为了尽量减小预切束器的负载电容、切束电压及切束束流上升沿/下降沿，预切束器安装在RFQ的入口、LEBT末端的第三真空腔里.这就导致切除的束流部分损失在RFQ加速腔内，造成RFQ加速腔的慢损害及RFQ的射频打火，影响RFQ运行的稳定性.在CSNS初期的10kW打靶束流功率调试和运行期间，切除束流对RFQ的稳定运行几乎毫无影响.但在2018年5月，随着CSNS打靶束流功率提高到20kW，切除束流对RFQ的稳定影响越来越大，甚至到了RFQ不能运行的程度，必须停束并进行RFQ射频高功率老练，老练后运行方能继续下去.经过理论和实验分析，RFQ打火原因聚焦在切除束流上.根据注入RFQ的束流参数，理论热分析表明损失在RFQ腔上的束流功率不可能融化RFQ的金属铜电极，只能是束流打在电极上产生的溅射，损害了电极表面的光洁度，导致高功率下电极间的耐压不够而引起射频打火.为此，我们将预切束器绕束流方向旋转45°角重新安装，使切除的束流从RFQ两个电极之间的间隙中进入RFQ腔体，打在RFQ的腔壁上.RFQ腔壁处为RF电磁场的磁场区，RF电场几乎为零.这样即使RFQ腔壁表面的光洁度变差，也不会引起RF打火.同时，物理上通过调整LEBT第三个螺旋管的聚焦，确保进入RFQ束流的包络小于RFQ电极之间的间隙；机械上通过调整RFQ入口端板束流孔径的尺寸，限制进入RFQ束流的包络，使包络小于RFQ电极间的间隙.尽管如此，在加速器的实际9。
中国散裂中子源奠基建设有助于前沿领域研究
烈焰 。 尔炎旱 曝瘠 贫 ， 纵 亦霸 亦王傲苍 天 。” 州大 学研 兰
究人员创作的这首诗形象表现 了荒漠植物霸王的生长
特 点 。课题 组 对 霸 王等 多浆 旱 生植 物 的抗 旱机 制进 行 系统研 究 ，发 现其 适 应干 旱 环境 的 生理 机 制是 大量 吸
成。
中共 中央政 治局 委 员、 国务 委 员刘 延 东 ， 中共 中央
政 治局委 员 、 东省委 书记 汪 洋 ， 广 中国科 学 院 院长 白春 礼 院士 ， 家发 展 和 改革 委 员会 副主任 张 晓 强 ， 育部 国 教 副部 长 鲁 昕 ， 技 部 副部 长王 志 刚 ， 科 文化部 副部 长赵 少 华等 出席 奠基典礼 。
・
Ⅵ －
科技 信息
在 来 自北京 、 南京 、 尔滨 、 哈 西安 等地 的 ３０多名 大 ０
优 良牧草紫花苜蓿为农牧 民带来 了良好的收益 ， 但 其抗旱和耐盐碱能力十分有限 ， 只能在水肥条件 良好的
耕 地上 才能 实现 高产 。 究人 员将 霸 王抗旱 功能基 因聚 研
学生参加的“ 空客创新 引领 未来” 中国大学生体验营
要 的 理论 及 实用价值 。“ 海 戈壁 一株 仙 ， 冲焚 风顸 瀚 面
束流动能为 ８ ０兆 电子 伏 特 的 负氢 离子 直 线 加 速 器 、 １
台束流动 能 为 １０ ６ ０兆 电子 伏特 的 快循 环质 子 同步加 速
器 、 束 流 输运 线 、 ２条 １个靶 站 、 ３台谱 仪 及 相 应 配 套 设 施和 土建 工程 ， 建成后 将 成 为发 展 中国家 第一 台散 裂 中 子 源 ， 与 正在 运 行 的 美 国 、 并 日本 、 国散 裂 中子 源 一 英
中子散射技术在材料化学中的研究进展
第53卷第3期 辽 宁 化 工 Vol.53，No. 3 2024年3月 Liaoning Chemical Industry March，2024基金项目： 沈阳理工大学科研启动基金（项目编号: 1010147000928）；辽宁省教育厅高等学校基本科研项目（项目编号: 1030040000420）。
中子散射技术在材料化学中的研究进展曲 柳（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）摘 要： 通过高能粒子与材料表面相互作用，探究材料的微观结构、化学成分、原子排布等信息是材料表征的主要方式，但是对于轻元素的精确测定，仍具有很大的局限性。
中子散射具有高分辨率，渗透深度深，可检测材料的晶体结构、动力学性质和磁学性质，鉴别原子序数差别小的元素、同位素及轻元素。
如可应用于表征微观结构、氢元素的含量、铁电性质等。
与多种表征技术和第一性原理计算结合，可精确地在纳米尺度探究材料的晶体结构，获得动力学性质。
本文综述了中子散射技术的工作原理及在材料化学中的应用现状。
关 键 词：中子散射技术；表征技术；材料化学；晶体结构；动力学性质中图分类号：O571.5 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2024）03-0413-04中子散射技术利用中子与物质间的相互作用，产生动量和能量的传递，可在空间和时间上对原子结构、晶格动力学等信息进行检测[1-2]。
中子束可通过核裂变或分裂反应获得，由核裂变反应产生能量连续的中子束，能量在25 MeV ，而分裂反应得到强烈的脉冲中子束，能量在0~150 MeV ，波长范围在1~10 Å，在物质相互作用时，可发生中子的吸收、散射和穿过三种过程，散射过程可分为弹性散射和非弹性散射[3-4]。
中子具有波粒二象性，当与物质相互作用时，遵循布拉格法则，中子散射强度与散射距离成正比。
中子散射过程包括了相干和非相干散射，其中，相干散射过程可获得晶格中原子结构和占位及原子核的动力学的信息，而非相干散射可获得最近邻原子相互作用的信息。
中国散裂中子源的屏蔽设计和感生放射性研究现状 吴青彪 (博士)
散裂中子源进展汇报 November 22, 2019
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一. CSNS概况
CSNS的主要装置组成：
• 强流质子加速器、靶站和中子散射谱仪。 • 强流质子加速器包括：直线加速器LINAC、低能输运线LRBT、快循环同步加速器RCS、高能输运线RTBT。
束流工艺流程：
• 20 mA的H- 离子源经RFQ直线节后聚焦加速至3.0 MeV，再经DTL直线加速器加速至 80 MeV（CSNS一期能量）或250 MeV（ CSNS二期能量）,然后H- 离子束流在注入RCS环时被剥离成质子束，再经RCS环累积加速至1.6 GeV，然后引出到RTBT隧道， 由RTBT隧道输运到靶站打击钨靶，发生散裂反应，产生不同能量的中子，中子经慢化器慢化后，由中子束线引出作为实 验研究的脉冲中子源。
设计完成后的主屏蔽墙厚度：0.5 m、0.8 m、1 m (混凝土）+ 3.5 m、4.7 m、5 m （土壤）
散裂中子源进展汇报 November 究方法
散裂中子源进展汇报 November 22, 2019
对（嵌套）周期性照射， 可导出对应的累积公式，
设计方法：经验公式估算+ 蒙特卡洛程序模拟计算
• 加速器主屏蔽墙设计：BULK + FLUKA。 BULK程序中考虑了Tesch半经验公式（< 1GeV）和Moyer模型(> 1GeV) ，并使用MCNPX程序进行了验证。
• 靶站屏蔽：MCNPX （或FLUKA）。 • 束流垃圾桶屏蔽、准直器屏蔽：FLUKA。 • 迷道：（FLUKA、MCNPX） + DUCT-III程序、NCRP-144号报告推荐的Tesch迷道公式进行估算。 • 天空反散射：采用Stapleton半经验公式计算。
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靶站系统组成
• 靶及冷却系统：含靶体、重水冷却系统、轨道维护车
• 慢化器及低温系统：含水慢化器、液氢慢化器及其低温和 冷却系统
• 反射体及冷却系统：含铍反射体、重水冷却系统、反射体 结构
• 氦容器系统：不锈钢容器，质子束窗和中子窗口
• 屏蔽体系统：（含Shutter）含屏蔽体、18个中子束流孔 道及其开关装置
～1000原子尺度
10～100原子尺度
＋
单个原子尺度
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中子散射的应用
过去40年，每经过10年中子散射的应用领域就会增加几倍。ISIS在80年代中 期建成时，每年用户只有300个，现在已经达到每年1500个用户。
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设计指标、验收指标、工程指标、升级预留
设计指标：100kW 质子束流功率
湖科技产业园区隔路相 望，东、西、南三面为 为丘陵
距广九、广梅汕铁路交
汇点的常平火车站7公里
距广州白云机场85公里 距深圳宝安机场46公里
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工程进展汇报பைடு நூலகம்
散裂中子源园区规划设计方案已基本确定，广东省建筑设计院正
在进行建筑方案设计。
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靶站的设计
• 靶站：加速器加速的高能质 子脉冲入射重金属靶体，通 过散裂效应产生大量中子， 并用慢化器将其慢化成适合 中子散射用的慢中子脉冲的 设施。
• 遥控维护和后处理系统：遥控热室、三废处置，辐射防护
• 控制系统：靶站控制
• 通用系统：水电气，通风，冷却水，真空，氦气系统等
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靶站谱仪大厅
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Shutter驱动 Shutter
氦容器
屏 蔽 体
屏
质子束流
蔽
体
靶-慢化器-反射体组件 （TMR）
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屏蔽体
设计基准： 人员可以 到达的区 域辐射剂 量不大于 2.5μSv/h。
世界新一代四大脉冲散裂中子源之一，具国际竞争力 – 脉冲中子通量为2×1016/cm2s，仅次于美国SNS和日本J-PARC， 超过英国ISIS。 – 领先韩国、德国、印度、北欧及西班牙等筹建项目
装置的科学寿命预计为30年，可以升级改造到500KW。
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装置选址
广东省东莞市大朗镇 北临常虎高速，与松山
CSNS工程的总体设计指标
束流功率 (kW) 100
脉冲重复频率 (Hz) 25
平均流强 (mA) 63
束流能量 (GeV) 1.6
最高中子效率 (n/proton/sr)
5×10-3
– 自工程竣工验收后三年内达到工程总体技术指标
谱仪数目 3
CSNS工程的验收指标
束流功率 (kW) 10
脉冲重复频率 (Hz) 25
• 热量沉积高：～180 MeV，g射线本底较高
美国散裂中子源谱仪(IPNS-GPPD)
• 有利于精确测量原子级近邻的细微变化
• 有利于原子的高能激发，如晶格高能振动、氢 原子扩散等动态过程研究
• 脉冲型，有时间结构，适合同时测量大范围的 动量、能量变化，全面反应物质的结构和动态 信息
• 热量沉积：20～45 MeV，g射线本地较低
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活退化耦合分窄析化液氢慢化
器(DPHM) 退耦合水慢化器(DWM) Be 反射体 耦合氢慢化器(CHM) Fe 反射体
靶-慢化器-反射体组件(TMR)
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靶体系统（水平更换）
关键的核心部件
靶体支撑架 靶体
前屏蔽体 中屏蔽体
后屏蔽体
末端台阶
膨胀密封结构
车体底板 导轨基座
锁紧装置 驱动装置
确定（橙色部分）。
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散射源与反应堆功能互补：液体，玻璃，非晶态和纳米材料
法国反应堆中子源谱仪(ILL-D4)
• 有利于研究大的尺度范围内的结构和动态
• 有利于研究物质中低能激发的超高精度的测量 ，如软物质中的相互作用等
• 连续型，通常须单色化，只利用其中某一个波 长的中子，适合对某一特定的动、能量点附近 的结构和动态信息作局部精细测量
电磁作用 散射距离约10-10米
对重原子更敏感 通量大
中子散射
核-核作用 散射距离约10-15米 对轻、重原子皆敏感
对同位素敏感 高穿透性
对氢、碳、氮等敏感 带磁矩、自旋
同步辐射测定其晶体结构骨架，与蛋白结合 的水分子位置由中子衍射测定
高温超导体YBCO123相的晶体结 构，由同步辐射确定，而氧的 位置和占有率由中子散射最终
平均流强 (mA) 6.3
束流能量 (GeV) 1.6
最高中子效率 (n/proton/sr)
5×10-3
最高中子通量 (n/cm2 /s@14m)
105
谱仪 数目
3
升级预留： 200-500kW 质子束流功率
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建设内容
项目建设内容主要包括一台强流质子直线加速器、一台快循环同步加速器 （RCS）、一个靶站、3台中子谱仪，以及与其配套的建筑物、供水、供电、 空调、辐射防护等设施。
• CSNS靶站为中子散射谱仪提 供了20条中子孔道。
• 一期设计为100KW，保留升 级到500KW的能力－屏蔽， 低温和水冷却等系统
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靶站设计指标
束流功率[kW] 质子束能量 [GeV] 平均束流强度 [mA] 脉冲重复频率 [Hz]
靶 慢化器 反射体 屏蔽体 中子束道
100 1.6 63 25 钨靶，钽包覆，重水冷却 水 (300K), 耦合液氢(20K)，退耦合液氢（20k） Be/Fe (Φ 700/1000X1000mm) 5m 铁+ 1m 重混凝土 20 条中子束道，垂直 shutter, 内置中子导管
CSNS可研报告评审
中国散裂中子源靶站谱仪 介绍
陈元柏 2010年8月
散裂源项目的基本情况 靶站设计 谱仪的设计 散裂源的其它应用
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中子源的发展
反应堆
散裂中子源
JSNS
CSNS
CARR
热 中 子 通 量
年份
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中子散射与同步辐射功能互补：水、氧、磁性结构
电子、X-线、激光散射
直线加速器
快循环同步加速器
靶站 谱仪
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项目定位
我国科技创新领域必不可少的重大基础设施 – 与同步辐射光源（如上海、北京和合肥光源）及反应堆功能互补， 以其独特性能服务于生命、环境、材料、医药、物理、化学等学 科及工业界。 – 国内首座基于强流质子加速器的高科技大装置平台，其建设将填 补国内脉冲中子应用领域空白，缩短该领域与世界前沿的30年差 距，长期满足国内需求。