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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。
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。
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。
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。
粒子加速器学会第六届理事会工作报告2000.10—2004.9方守贤各位理事、各位代表：我代表粒子加速器学会第六届理事会向大会做工作报告，请予审议。
四年前，我们在古城扬州召开了粒子加速器学会第六次会员代表大会暨学会成立20周年学术报告会，会议回顾了20世纪最后20年粒子加速器在中国的长足进展，展望了加速器在新世纪继续发展的美好前景。
今天，我们又欢聚在太平湖畔，共商我国粒子加速器发展的大计。
首先，请允许我代表第六届理事会向各位理事和各位代表表示热烈的欢迎并致以崇高的敬意！各位理事、各位代表：随着我国进一步改革开放，经济建设快速发展，国家加大对科学技术的投入，我国的粒子加速器事业正面临着一个前所未有的发展机遇。
粒子加速器在科技平台建设、国家战略需求和国民经济发展中发挥了不可或缺的重要作用。
大加速器工程项目继续得到国家支持。
中国科技大学国家同步辐射实验室二期工程已经完成，将为用户提供高性能的同步辐射光；兰州重离子冷却环工程进展顺利，现已进入最后的安装阶段，即将开始调束；北京正负电子对撞机在出色完成物理实验任务后，开始了重大改造工程的建设，要把对撞机的亮度提高两个数量级，继续保持其在 -粲物理领域的国际领先地位。
“神龙一号”电子感应加速器研制成功，性能达到国际先进水平。
与此同时，又有一批大加速器工程开始启动。
上海第三代同步辐射光源在完成了关键技术的预研项目后，在今年初获得国家立项，有望在年内开工建设。
HI-13串列加速器升级工程批准立项后正在加紧建设。
最近，中国散裂中子源项目通过了国家发改委的评议，即将报送国家科教领导小组讨论。
作为973项目的加速器驱动洁净核能系统的物理及技术的研究也取得了进展。
这些大科学装置的建设将为我国在生命科学、材料科学、纳米科学、物理学、化学、医药、国防科研和新型核能开发等学科前沿领域基础研究和高新技术开发研究，为我国科学技术在21世纪的腾飞提供功能强大的平台。
与大加速器工程的建设相对应的，是各种各样的中小型加速器的迅速发展。
中国散裂中子源简介韦 杰一、中子散射1932年,查德威克发现了中子,人们认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。
中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。
当一束中子入射到所研究的对象上时,与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用,被散射出来,通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子、分子在哪里,原子、分子在做什么,这种研究手段就叫中子散射技术。
用于中子散射的中子,波长从几埃到几十埃、能量在毫电子伏特到电子伏特之间,分别与物质中原子分子之间的距离和相互作用能量相当。
图1 中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性,使中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。
自1936年成功进行首次中子衍射实验以来,中子散射已广泛用于物理、化学、材料、生物、地质、能源、医疗卫生和环境保护等众多研究领域。
同步辐射产生的高亮度X 射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,从而探知物质的微观信息;而中子是电中性的,它与电子云基本不发生相互作用,而主要与物质中的原子核相互作用。
因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同方面。
这种优势互补已被许多学科用来准确研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等,图1是利用中子散射观察到的含水溶解酵素蛋白和肌红蛋白的结构。
中子散射的作用既与同步辐射互补,又具有独特和不可替代性。
其先进性与优越性表现在:①具有宽泛的波长范围:从零点几埃到亚微米范围内连续可调。
是度量原子、分子和原子分子团簇间距离从埃到纳米范围内的凝聚态物质微观结构最适合的标尺;②有合适的能量覆盖:热中子的能量从微电子伏特到电子伏特,与凝聚态物质中的大部分动态过程的能量相当,适合研究物质中各种不同的相互作用和动态过程;③能精确确定轻原子的位置;④能区分同位素:原子核内中子数的变化可以极大地影响其对中子的散射。
SCIENTIST76需要将实际的机械设备中的数据进行数学模型形式的分析和解释，然后通过计算机技术形成仿真程序进行实际的使用，主要是包括以下几个步骤：（1）建立数学模型；（2）建立仿真模型；（3）编制仿真程序；（4）进行仿真实验；（5）结果统计分析；（6）仿真工作总结。
在机械设备的设计和检测过程中运用仿真技术主要是通过MATLAB、ADAMS 等软件实现的，在这个过程中关键的一点就是能够通过数学计算方法建立合适的数学模型然后通过计算机进行编制形成仿真技术模型，从而应用到实际的机械设备的数据统计和实际运行监测中。
4）试验模态分析。
试验模态分析主要是通过CAE 技术然后对整个的机械设备运行系统或者对某一部分的机械设备运行进行监测，主要是对其动态特性或者是振动特性通过数学语言进行描述，从而实现监测的目的。
如果监测的对象不同使用的数学模型也是不一样的，得到的检测数据也是不一样的。
具体在机械设备中的应用主要体现在以下几个方面：（1）评价实际结构系统的动态特性；（2）在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计；（3）诊断及预报结构系统的故障；（4）控制结构的辐射噪声；（5）识别结构系统的载荷。
3 机械加工制造中的计算机技术应用在机械加工制造过程中主要是应用CAM 技术也就是计算机辅助制造技术来实现机械设备从生产准备到整个加工制造工作的完成过程中设计、管理、控制的工作。
CAM 技术应用在机械加工制造的各个方面以及加工制造的整个流程当中，从加工制造的工艺流程到后期装配机器的程序编写方面都为机械加工制造提供可靠的支持。
对于工程流程方面来说，传统的加工制造就是对零件加工的应用的方法、加工的顺序和技术通过熟练的操作人员来实现。
在应用CAM 技术后就是讲这些操作数据通过模型直接输入到计算机上，通过操作人员对计算机数据来实现对工艺流程的开展。
通过使用CAM 技术对于操作人员来说不用掌握非常熟练的技艺也能完成整个的操作流程，这样大大减少了人力的投入。
中子源的技术创新与应用前景在现代科学的广袤领域中，中子源宛如一颗璀璨的明星，以其独特的性质和强大的功能，为众多学科的发展提供了关键的支撑。
中子源技术的不断创新，不仅推动了基础科学研究的深入，也在众多实际应用领域展现出了广阔的前景。
中子，作为一种不带电的粒子，具有穿透物质的能力，能够与原子核相互作用，从而为我们提供关于物质结构和性质的宝贵信息。
而中子源，则是产生中子的装置，其性能的优劣直接影响着所能获取的科学数据的质量和应用的范围。
过去几十年间，中子源技术经历了显著的创新和发展。
传统的反应堆中子源，虽然为早期的科学研究做出了重要贡献，但存在着中子通量低、能谱单一等局限性。
随着技术的进步，基于加速器的散裂中子源逐渐崭露头角。
这种新型的中子源具有中子通量高、脉冲时间结构好、能谱宽等诸多优点，为科学研究和应用开辟了新的道路。
在技术创新方面，首先要提到的是中子产生的机制。
散裂中子源通过加速质子撞击重金属靶，产生大量的中子。
为了提高中子的产生效率，科研人员在加速器技术、靶材设计等方面进行了深入的研究。
先进的加速器能够将质子加速到更高的能量，从而增强与靶材的相互作用，产生更多的中子。
同时，优化靶材的形状、成分和结构，可以提高中子的产出率和品质。
其次，中子束线的设计和优化也是技术创新的重要方向。
高效的中子束线系统能够将产生的中子准确地传输到实验终端，同时减少中子的损失和散射。
通过采用先进的光学元件和准直技术，中子束的强度和分辨率得到了显著提高，为各种实验提供了更优质的中子束。
再者，探测器技术的发展也为中子源的应用带来了新的机遇。
高灵敏度、高分辨率的探测器能够更精确地捕捉中子与物质相互作用产生的信号，从而获取更详细、更准确的实验数据。
中子源的技术创新带来了广泛的应用前景。
在材料科学领域，中子散射技术可以用于研究材料的微观结构和动态过程。
例如，通过中子衍射可以确定晶体材料的原子结构和晶格参数，了解材料中的缺陷和位错；中子小角散射能够研究纳米材料的粒度分布和孔隙结构；而中子反射技术则可用于分析薄膜材料的界面和层状结构。
中子源的开发与应用前景在当今科技飞速发展的时代，中子源作为一种强大的研究工具，正逐渐展现出其在多个领域的重要性和广阔的应用前景。
中子源，简单来说，是能够产生中子的装置。
中子是一种不带电的粒子，具有独特的物理性质，这使得它们在许多科学研究和实际应用中发挥着关键作用。
中子源的开发历程可谓充满挑战与突破。
早期的中子源主要是通过放射性同位素衰变产生中子，但其中子产额较低，限制了其应用范围。
随着核反应堆技术的发展，基于反应堆的中子源应运而生。
这类中子源能够提供较高强度的中子束，但由于其规模较大、运行成本高以及安全性等问题，也存在一定的局限性。
近年来，散裂中子源技术的出现为中子源的发展带来了新的机遇。
散裂中子源通过加速质子撞击重金属靶，产生大量的中子。
与反应堆中子源相比，散裂中子源具有脉冲时间短、中子通量高、可调节性强等优点，能够满足更多样化的研究需求。
在材料科学领域，中子源的应用具有极其重要的意义。
通过中子散射技术，科学家可以深入研究材料的微观结构和动态过程。
例如，了解晶体材料中的原子排列、磁性材料中的磁结构以及高分子材料中的分子运动等。
这有助于开发新型高性能材料，如高强度合金、超导材料、纳米材料等，为航空航天、能源、电子等产业提供关键的材料支持。
在生命科学领域，中子源也发挥着不可替代的作用。
中子能够穿透生物大分子，提供关于蛋白质、核酸等生物分子的结构和功能信息。
这对于理解生命过程、研发新药以及疾病的诊断和治疗都具有重要的指导意义。
例如，通过研究蛋白质与药物分子的相互作用，可以优化药物设计，提高药物的疗效和安全性。
化学领域同样受益于中子源的应用。
中子可以用于研究化学反应的机理和催化剂的作用机制。
帮助科学家更好地理解化学反应的本质，从而开发更高效、更环保的化学工艺。
在地质和地球科学方面，中子源有助于研究地球内部的结构和组成。
了解地球内部的矿物质分布、岩石的物理性质以及地质过程中的相变等，对于地震预测、矿产资源勘探以及地球演化的研究都具有重要价值。
中子源的应用与发展趋势在现代科学的广袤领域中，中子源犹如一颗璀璨的明星，凭借其独特的性质，在众多领域发挥着至关重要的作用，并且展现出令人瞩目的发展趋势。
中子源，简单来说，是能够产生中子的装置。
这些中子具有一些特殊的性质，使得它们成为科学家探索物质世界的有力工具。
首先，让我们来看看中子源在材料科学中的应用。
材料的性能往往取决于其微观结构，而中子对于研究材料的微观结构具有独特的优势。
中子能够轻易地穿透大多数材料，并且对轻元素（如氢、锂等）非常敏感。
通过中子散射技术，科学家可以获取材料内部原子和分子的排列方式、磁结构等信息，从而深入了解材料的性质和行为。
这对于研发新型高性能材料，如高强度合金、超导材料、磁性材料等，具有极其重要的意义。
在化学领域，中子源也有着广泛的应用。
中子可以用于研究化学反应的机理和过程。
通过对反应物和生成物的中子散射分析，科学家能够揭示化学反应中化学键的形成和断裂、分子的构象变化等关键细节。
这有助于设计更高效的催化剂，优化化学合成工艺，以及开发新的化学产品。
在生命科学领域，中子源同样扮演着不可或缺的角色。
中子能够用于研究生物大分子的结构和功能。
例如，蛋白质、核酸等生物大分子的结构对于理解生命活动的机制至关重要。
中子散射技术可以提供这些生物大分子在溶液中的结构信息，弥补了传统技术（如X 射线衍射）的某些不足。
此外，中子还可以用于研究药物分子与生物大分子的相互作用，为药物研发提供重要的依据。
在能源领域，中子源也有着重要的应用。
例如，在核能研究中，中子是引发核裂变反应的关键粒子。
通过对中子与核燃料的相互作用进行研究，可以提高核能的利用效率，保障核电站的安全运行。
同时，在新能源的研究中，如核聚变，中子的产生和行为也是研究的重点之一。
随着科学技术的不断进步，中子源也在不断发展和完善。
目前，主要的中子源类型包括反应堆中子源和散裂中子源。
反应堆中子源是最早出现的中子源类型。
它利用核反应堆中的链式裂变反应产生大量的中子。
中国散裂中子源控制网测量方案及数据处理王铜;董岚;罗涛;梁静;马娜;门玲鸰;何振强;柯志勇【摘要】详细介绍了中国散裂中子源工程测量首级控制网的布设、测量方案及数据处理方法；由于加速器设备以及二级控制网点布设在地下隧道，因此研究了地面至隧道30 m高度投点对中及仪器量高的方法。
采用Wild NL投点仪投点以及AT401激光跟踪仪量高，可达到1.5 mm对中以及1 mm量高精度。
平面控制网测量采用GPS静态观测，TBC软件进行数据处理。
对GPS椭球投影变形进行了分析，选择合适的抵偿投影带，并将投影后距离与全站仪测量距离进行对比可知，投影变形小于0.5 mm，从而验证了GPS数据处理的正确性。
为了保持与独立坐标系统的一致性，提出将GPS无约束投影坐标进行固定一点一方向旋转平移变换，并与前期坐标进行对比，标准偏差为1.2 mm，说明该成果正确可靠，可满足工程建设要求。
【期刊名称】《地理空间信息》【年(卷),期】2016(014)011【总页数】3页(P55-57)【关键词】控制网;投点对中;GPS;投影变形;坐标变换【作者】王铜;董岚;罗涛;梁静;马娜;门玲鸰;何振强;柯志勇【作者单位】中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803;中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞523803; 东莞中子科学中心，广东东莞523803【正文语种】中文【中图分类】P258中国散裂中子源（CSNS）是我国“十二五”国民经济和社会发展规划的重大科技基础设施项目。
