中國(guó)散裂中子源（CSNS）是由1.6GeV的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生強(qiáng)流中子，并利用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的重要科學(xué)設(shè)施,，主要由質(zhì)子加速器,、中子靶站和中子散射譜儀等三大部分組成，其質(zhì)子束流功率為100kW,，有效脈沖中子通量達(dá)2.0×10¹⁶n/cm²s,，脈沖重復(fù)頻率為25Hz。CSNS的方案設(shè)計(jì)吸取了當(dāng)今國(guó)際科技最新成果,，技術(shù)指標(biāo)具有國(guó)際先進(jìn)性,，將在世界上占有重要地位。經(jīng)過(guò)論證,，中科院相繼啟動(dòng)了CSNS的概念設(shè)計(jì)和前期預(yù)制研究,，目前概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，預(yù)制研究正在緊張進(jìn)行之中,，工程建設(shè)有望在近期啟動(dòng),。CSNS的建成將在物理學(xué)、化學(xué),、生命科學(xué),、材料科學(xué)、生物學(xué),、納米科學(xué),、醫(yī)藥,、國(guó)防科研、工業(yè)應(yīng)用和新型能源開(kāi)發(fā)等諸多重要學(xué)科前沿領(lǐng)域內(nèi),，為我國(guó)提供一個(gè)先進(jìn)的基礎(chǔ)研究和高技術(shù)研究的科研平臺(tái),。

物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)是揭示物質(zhì)特性的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。作為一種散射技術(shù),，中子與同步輻射,，各具特點(diǎn)，相輔相成,，成為探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)有力的工具,。中子波長(zhǎng)與物質(zhì)中原子間距相近，是度量物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)最適合的標(biāo)尺,。熱中子能量與物質(zhì)中動(dòng)態(tài)過(guò)程的激發(fā)能量相當(dāng),，適合研究包括從原子、小分子到生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)及蛋白質(zhì)的折疊等動(dòng)態(tài)特征,。中子散射對(duì)輕元素（特別是氫）十分敏感,，適合研究含大量H、C,、O,、N等輕元素有機(jī)物、生物大分子,、蛋白質(zhì)等的細(xì)致結(jié)構(gòu),。中子本身具有磁矩，與物質(zhì)中電子和原子核的磁矩發(fā)生相互作用,，可直接探測(cè)各種磁性功能材料和超導(dǎo)材料中的磁特性,。中子具有強(qiáng)的穿透能力，研究中可方便加載各種極端的樣品環(huán)境條件（如高溫,、低溫,、高壓、強(qiáng)場(chǎng)等）和無(wú)損檢測(cè)工業(yè)生產(chǎn)的大部件,。中子散射技術(shù)的應(yīng)用,，極大地促進(jìn)了物性的研究。磁性物質(zhì)磁結(jié)構(gòu)尤其是反鐵磁結(jié)構(gòu)的中子衍射測(cè)定,，直接驗(yàn)證了磁性相互作用的基本理論,，極大地推動(dòng)了多體凝聚態(tài)理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。傳統(tǒng)超導(dǎo)體中聲子態(tài)變化的中子散射研究結(jié)果,，催生了解釋常規(guī)超導(dǎo)體中超導(dǎo)機(jī)理——電聲相互作用的BCS理論,。有“磁王”美譽(yù)的第三代稀土永磁材料Nd Fe B的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，液氮溫區(qū)的高溫超導(dǎo)體Y Ba Cu O的結(jié)構(gòu)和自旋關(guān)聯(lián)等,，都由中子散射實(shí)驗(yàn)最終測(cè)定,。

隨著中子散射技術(shù)應(yīng)用的不斷深入和發(fā)展,，對(duì)中子通量的要求日益提高。能提供高通量中子的中子源主要有兩類(lèi)：反應(yīng)堆和散裂源,。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源,。因?yàn)槎研旧釛l件的限制，中子通量在上世紀(jì)中葉就已飽和,。在當(dāng)前熱點(diǎn)研究領(lǐng)域中,，研究對(duì)象如薄膜、納米,、生物大分子和蛋白質(zhì)等,，它們的尺度分布更廣，獲得質(zhì)量在克量級(jí)的樣品更為困難,。因此,，小樣品的快速、高分辨的中子散射測(cè)量迫切需要新一代通量更高,、波段更寬的中子源,。散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生,，其中子通量突破了反應(yīng)堆中子源的上限,，正快速向前發(fā)展。散裂中子源不使用核燃料,，沒(méi)有核臨界問(wèn)題,，僅產(chǎn)生少量放射性核廢料，被公認(rèn)為是新一代高效安全的強(qiáng)流中子源,。

目前世界上運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有美國(guó)的IPNS和LANSCE,、英國(guó)的ISIS等。英國(guó)的ISIS是目前世界上最亮的散裂源,，它利用直線加速器將負(fù)氫離子加速到70 MeV,，通過(guò)剝離注入，把負(fù)氫離子剝離成質(zhì)子注入到快循環(huán)同步加速器,，質(zhì)子束在同步加速器中累積并加速到800 MeV,，然后引出轟擊鎢靶，產(chǎn)生的脈沖中子通量將可達(dá)8×10¹⁵ｎ/cm²s,，其脈沖中子通量已高出反應(yīng)堆近一個(gè)量級(jí),。進(jìn)入21世紀(jì)，美,、日,、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出新的散裂中子源計(jì)劃，作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措,。英國(guó)ISIS在已良好運(yùn)行20年的第一靶站基礎(chǔ)上,，積極建設(shè)第二靶站,。特殊的慢化器設(shè)計(jì)使其冷中子通量超過(guò)1.0×10¹¹ｎ/cm²ｓ，目標(biāo)直指與納米技術(shù)相關(guān)的納米材料,、生命科學(xué)等,。在美國(guó)，以O(shè)RNL實(shí)驗(yàn)室為主的5大核科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室目前正攜手建造一臺(tái)束流功率為1.0 MW的散裂中子源SNS,，中子通量將高達(dá)10¹⁷ｎ/cm²ｓ,，總投資14億美元。通過(guò)近７年的緊張建設(shè),，SNS第一束中子于2006年4月28日成功出束,。日本原子能研究機(jī)構(gòu)與高能加速器研究機(jī)構(gòu)共同承擔(dān)的工程總投資為1890億日元的強(qiáng)流質(zhì)子加速器研究聯(lián)合體J PARC，目前正加緊施工,，計(jì)劃2008年建成,。

CSNS將是我國(guó)自主建設(shè)的第一臺(tái)散裂中子源。由離子源（IS）產(chǎn)生的負(fù)氫離子（H-）束流,，通過(guò)射頻四極加速器（RFQ）聚束和加速后,，由漂移管加速器（DTL）把束流能量進(jìn)一步提高到80 MeV，負(fù)氫離子經(jīng)剝離注入到一臺(tái)快循環(huán)同步加速器（RCS）中,，加速束流到引出能量1.6 GeV,。從RCS引出后，質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線轟擊鎢靶,，散裂出中子,。中子經(jīng)過(guò)慢化，通過(guò)中子導(dǎo)管引向譜儀,，供用戶開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,。為使這臺(tái)裝置保持國(guó)際先進(jìn)水平，滿足日益增加的多學(xué)科用戶的研究和應(yīng)用的需求,，因此在設(shè)計(jì)階段就留有進(jìn)一步提升束流功率的余地,。首先，建成一臺(tái)重復(fù)頻率25 Hz,、束流功率100 kW的加速器,。運(yùn)行一段時(shí)間后，通過(guò)提高流強(qiáng),，使束流功率和中子通量加倍,。同時(shí)，譜儀的臺(tái)數(shù)也隨用戶的需求和功率的提高由第一階段的7臺(tái)逐步增加到最終的18臺(tái),。

加速器是散裂中子源的基本組成部分之一,，它對(duì)裝置的整體性能指標(biāo)起重要作用，也是投資的主體，其運(yùn)行穩(wěn)定性決定了用戶使用率,。因此,，在加速器設(shè)計(jì)中，必須保證裝置的先進(jìn)性,，運(yùn)行可靠性,，經(jīng)費(fèi)合理性以及具有升級(jí)余地。在加速器構(gòu)架選擇上,，采用低能量直線加速器與快循環(huán)同步加速器的組合結(jié)構(gòu),。DTL部分采用較高頻率的射頻功率源，有利于加速較高峰值電流的束流,，同時(shí)縮短直線加速器的長(zhǎng)度和減少造價(jià),。RCS采用大的注入引出能量跨度有利于工程未來(lái)的升級(jí)，CSNS II只需要將直線加速器的能量提高而RCS本身不必進(jìn)行大的改造,。

CSNS靶站是高能質(zhì)子脈沖轟擊靶體,，發(fā)生散裂效應(yīng)產(chǎn)生高能中子，并用慢化器將其慢化成適合中子散射應(yīng)用的慢中子脈沖的設(shè)施,，由高能質(zhì)子入射窗口,，多片鎢片疊成的靶體，高能中子慢化器,，鈹鋼反射體和鐵／混凝土生物防護(hù)屏蔽體五個(gè)部分組成,。扁平截面的靶型使慢化器更貼近靶體的中子通量最強(qiáng)的中心部位，可以提高慢化器的慢化效率和為譜儀提供增強(qiáng)慢中子通量,。采用截面尺寸為40×120mm的鎢靶時(shí),，脈沖中子通量達(dá)2.0×10¹⁶ｎ/cm²ｓ,。三個(gè)不同特征的慢化器：水（300 K decoupled）,，液態(tài)甲烷（100K decoupled＋posioned）和液氫（20K coupled）滿足中子譜儀對(duì)中子的波長(zhǎng)和脈沖形狀的不同要求。

中子散射譜儀是用于中子散射實(shí)驗(yàn)的裝置,，是散裂中子源多學(xué)科應(yīng)用的主要部分,，也是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵之一。根據(jù)我國(guó)用戶的要求和建議,，CSNS計(jì)劃第一期設(shè)計(jì)建造高通量粉末衍射,、高分辨粉末衍射、寬Q值小角散射,、多功能反射,、直接幾何非彈性、工程材料和高壓應(yīng)用等7臺(tái)典型的中子散射譜儀,，以覆蓋大部分的中子散射研究領(lǐng)域,。高分辨粉末衍射、工程材料和高壓應(yīng)用等譜儀將從內(nèi)置低能中子吸收體的退耦合液態(tài)甲烷慢化器中取出通量高、脈沖時(shí)間短的中子,，以滿足高通量和高分辨率的要求,。小角散射儀和多功能反射儀的分辨率要求不高，選擇耦合的液氫慢化器提供的高通量的長(zhǎng)波中子,。高通量粉末衍射儀和直接幾何非彈性散射儀則要求適中的分辨率,、寬的波長(zhǎng)分布和相對(duì)高的高能中子通量，退耦合的室溫水慢化器是其合適的選擇,。

CSNS束流功率雖僅為100 kW,，但要用國(guó)際同類(lèi)裝置約1/10的投入，建造綜合性能位居世界前列的CSNS,，設(shè)計(jì)和技術(shù)上必然存在挑戰(zhàn),，必須創(chuàng)新。與兆瓦級(jí)的SNS和J PARC相比,，只有極小部分課題如超薄膜,、快速反應(yīng)和快速相變過(guò)程等不能在CSNS開(kāi)展。CSNS設(shè)計(jì)的最小樣品量在毫克量級(jí),，最短測(cè)量時(shí)間在分鐘量級(jí),，能滿足各學(xué)科90%以上的中子散射研究需求。

CSNS是一個(gè)多學(xué)科應(yīng)用的平臺(tái)型大科學(xué)裝置,，用戶優(yōu)先是CSNS建設(shè)所遵循的基本原則,。我國(guó)中子散射研究相對(duì)落后西方發(fā)達(dá)國(guó)家，如何發(fā)展和壯大用戶隊(duì)伍是當(dāng)前另一重大任務(wù),。自2004年來(lái),，CSNS項(xiàng)目組每年夏天組織“散裂中子源多學(xué)科應(yīng)用研討會(huì)”，相繼邀請(qǐng)幾十位國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者,，講授有關(guān)中子源的知識(shí)和譜儀的特點(diǎn),，特別是在物理、化學(xué),、生物,、材料、能源等多學(xué)科的應(yīng)用,。同時(shí),，CSNS組織成立中子散射用戶聯(lián)盟，明確了用戶聯(lián)盟的任務(wù)和日常工作的原則和重點(diǎn),，為組織中子散射用戶委員會(huì)打下了良好的基礎(chǔ),。目前，落實(shí)的首批CSNS用戶至少在500個(gè)以上,，覆蓋百余個(gè)不同研究課題,。據(jù)對(duì)用戶的需求調(diào)查表明首期7臺(tái)譜儀所提供的機(jī)時(shí),，已不能完全滿足用戶的需求。根據(jù)我國(guó)各相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)的分布情況預(yù)測(cè),，散裂中子源CSNS國(guó)內(nèi)的潛在用戶將在1900個(gè)以上,。

具有高效中子通量、少量放射性核廢料等特征的中國(guó)散裂中子源CSNS,，集成了加速器物理,、中子物理和中子散射等20世紀(jì)物理學(xué)3大領(lǐng)域的科技成果，將在眾多基礎(chǔ)學(xué)科中,，如凝聚態(tài)物理,、化學(xué)、生物工程,、材料科學(xué),、核物理、核醫(yī)學(xué),、核化學(xué)等,，被廣泛應(yīng)用。借助CSNS,，有望在一些重要研究領(lǐng)域獲得突破,，如高溫超導(dǎo)機(jī)理的全面認(rèn)識(shí)和新的高溫超導(dǎo)材料的探索，適合氫離子行為的凝聚態(tài)物理新理論,，量子調(diào)控與自旋霍爾現(xiàn)象,，DNA分子識(shí)別的納米自組裝，膜蛋白與細(xì)胞新陳代謝,，蛋白質(zhì)相互作用等,。相對(duì)反應(yīng)堆中子源，散裂中子源各項(xiàng)技術(shù)更復(fù)雜,，也正在發(fā)展,，但還不十分成熟。技術(shù)上的挑戰(zhàn),，也正是我們的機(jī)遇,。抓住這一機(jī)遇，可使我國(guó)加速器,、中子科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué),、材料科學(xué),、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)水平得到大幅度的提升。

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