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中国散裂中子源

中国散裂中子源

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，简称CSNS），是国际前沿基础研究和国家发展战略领域多学科交叉研究的大型平台，是中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源；由中国科学院和广东省共同建设，选址于广东省东莞市，项目规划用地1000亩，总投资为18.6632亿元，是中国国家“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首。

2001年2月，香山会议提出在中国建设散裂中子源的设想。2007年2月13日，中科院与广东省政府签署合作备忘录，双方共同向国家申请在广东东莞建设散裂中子源装置。2008年9月28日，中华人民共和国中华人民共和国国家发展和改革委员会正式批准中国散裂中子源项目建议书。2009年6月，中国散裂中子源工程建设领导小组成立，于2011年10月20日正式开工建设。2018年8月23日，中国散裂中子源项目顺利通过国家验收，正式投入运营，之后在2019年2月2日完成首轮开放运行任务。2020年2月28日，中国散裂中子源提前一年半实现了打靶束流功率100kW的设计指标。2022年12月，中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获得国家发展改革委批复。2024年3月30日，中国散裂中子源二期工程启动会在东莞举行。

中国散裂中子源的成功建设，填补了中国脉冲中子源及应用领域的空白，技术和综合性能进入国际同类装置先进行列，显著提升了中国在相关领域的技术水平和自主创新能力，实现了强流质子加速器和中子散射领域的重大跨越，为物质科学、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了强有力的支撑。2020年10月，中国散裂中子源获2020年度中科院重大科技基础设施运行评比一等奖。

项目历程

酝酿

2001年2月18日，中华人民共和国科学技术部召开以《21世纪中子科学的发展》为主题的香山科学会议，在此次会议中，专家提出在中国建设散裂中子源的设想。

立项

2005年7月19日，中华人民共和国国家科学教育领导小组原则批准未来5年内建造9个重大科学装置，中国散裂中子源项目居首位。2006年1月，中国散裂中子源启动关键技术的预研。2007年2月13日，中科院与广东省政府签署合作备忘录，双方共同向国家申请在广东东莞建设散裂中子源装置。

项目启动

2007年4月26日，东莞中子科学中心在松山湖科技产业园正式挂牌。同年10月13日，时任中国科学院常务副院长白春礼深入东莞市大朗镇水平村考察散裂中子源项目选址情况。2008年9月28日，中华人民共和国中华人民共和国国家发展和改革委员会正式批准中国散裂中子源项目建议书。

2009年6月，中国散裂中子源工程建设领导小组成立，8月21日，散裂中子源工程领导小组在广州市举行第一次会议。同年10月19日至21日，《中国散裂中子源项目可行性研究报告》进行了专家评估论证工作。2010年4月23日，中华人民共和国环境保护部批复《中国散裂中子源建设项目环境影响报告书》，5月24日，中华人民共和国国土资源部批复《关于中国散裂中子源项目用地预审的请示》。

2011年2月24日，中华人民共和国中华人民共和国国家发展和改革委员会正式批复中国散裂中子源项目建设可行性研究报告。3月14日，十一届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，散裂中子源被列入国家“十二五”规划的“科技创新能力建设重点”。5月4日，中科院在中国科学院高能物理研究所召开了散裂中子源项目的初步设计报告评审会。5月12日，中国科学院正式下发《关于散裂中子源国家重大科技基础设施项目初步设计及概算的批复》一文，同意散裂中子源项目的初步设计及概算。8月25日，时任中科院院长白春礼为“中国散裂中子源”题名。10月20日，中国散裂中子源在东莞举行工程奠基典礼，正式开工建设。10月25日，散裂中子源举行开工动员大会。

2015年5月5日，靶站氦容器成功吊装，在密封筒内完成就位，这是CSNS工程在设备安装阶段的重要里程碑，标志着靶站主体设备开始投入安装。

2016年1月11日，中国散裂中子源完成屏蔽体系统中子束线开关总成的出厂鉴定验收工作。

2017年3月6日，中国散裂中子源完成射频四极加速器腔体的验收工作。8月28日，中国散裂中子源首次打靶成功，获得中子束流，标志着CSNS主体工程顺利完工，进入试运行阶段。9月21日，广东省东莞市建设工程质量监督站对中国科学院高能物理研究所中国散裂中子源项目一期工程8栋单体进行了验收。

通过验收

2018年3月13日，中国散裂中子源完成散裂中子源靶站谱仪及加速器的工艺测试工作。4月20日，中国科学院条件保障与财务局组织专家对散裂中子源进行了设备专业组验收。2018年8月23日，中国散裂中子源项目顺利通过国家验收，投入正式运行。

成功运行

2019年2月2日，中国散裂中子源完成首轮开放运行任务，打靶功率达到50kW，本轮运行加速器累计供束1843小时，供束效率91%。

2020年2月28日，散裂中子源提前一年半实现了打靶束流功率100kW的设计指标，这是继2018年8月23日通过中华人民共和国国家发展和改革委员会组织的工程验收并正式运行后取得的又一标志性进展。

2021年1月26日8时39分，中国散裂中子源多物理谱仪成功出束，中子束流与预期相符。3月23日，中国散裂中子源多物理谱仪通过了散裂中子源科学中心组织的工艺测试。

二期工程启动

2022年12月，中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获得国家发展改革委批复。

2024年3月30日，中国科学院高能物理研究所在广东东莞举行国家重大科技基础设施中国散裂中子源二期工程启动会。

使命与定位

使命

散裂中子源体现国家的科技水平、工业水平等综合实力，为中国在物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药和新型核能开发等学科前沿领域的基础研究和高新技术开发研究提供一个先进、功能强大的大科学研究平台。

1、成为开展前沿多学科交叉研究及高新技术研发的先进大型实验平台，有望使我国在众多前沿科学及应用领域取得突破。

2、发展一系列先进技术，为一些重要的大型科学及民用装置奠定坚实的科学基础、储备丰富的工程经验，如质子治癌、核废料嬗变和洁净核能源等。

3、有力促进我国先进工业技术的发展，带动和提升机械加工、医药医疗、石油化工和生物工程等众多相关产业的技术进步，取得良好的社会、经济效益。

4、成为我国先进加速器技术和中子散射科学和技术人才培养的重要基地。

5、成为国际科技合作的平台，显著提升我国科技的国际影响力。

定位

1、中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（如上海市、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；是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。

2、成为世界新一代四大脉冲散裂中子源之一，具国际竞争力：中子通量仅次于美国和日本，超过英国计划运行量；领先韩国、德国、印度、北欧及西班牙等筹建项目。

建设台址

中国散裂中子源位于广东省东莞市大朗镇松山湖科学城，距正东方向水流石水库约1千米，距西北方向罗田水库1.8千米，距西北方向的松木山水库约2.5千米，途经该科技基础设施的线路东莞—佛山高速公路（国家高速G9411）。属丘陵地区，地处南亚热带气候区，受季候风影响，四季分明，日照充足，雨量充沛，气候温和，气温年平均为21.9℃，年平均降雨量为1790—2000毫米。

工作原理

中国散裂中子源的主要原理是通过离子源产生负氢离子，利用一系列直线加速器将负氢离子加速到80MeV，之后将负氢离子经剥离作用变成质子后注入到一台快循环同步加速器中，将质子束流加速到1.6GeV的能量，引出后经束流传输线打向钨靶，在靶上发生散裂反应产生中子，通过慢化器、中子导管等引向中子谱仪，供用户开展实验研究。

中国散裂中子源第一期设计束流功率为100kW，脉冲重复频率为25Hz，它主要由一台80MeV负氢直线加速器（包括负氢离子源、射频四极加速器、漂移管直线加速器和两条束流传输线）、一台1.6GeV快循环质子同步加速器及其前后两条束流输运线、一个靶站和三台中子谱仪组成。中国散裂中子源采用较低能量的直线加速器作为注入器，后接快循环同步质子加速器的设计方案，对束流功率为百千瓦量级的装置。CSNS建成运行一段时间后，根据需要，通过增加相对较少的投资，即可将束流功率从一期设计的100kW升级到200kW，中子谱仪也可以增加到18台，且预留了进一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升级空间。

设计指标

设施设备

中国散裂中子源一期工程主要包括1台负氢离子直线加速器、1台快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、一期3台谱仪（小角散射仪、多功能反射仪和通用粉末衍射仪）及相应的配套设施和土建工程。

加速器

加速器是散裂中子源的基本组成部分，它决定整个装置的主要性能指标，其运行稳定性决定了整个装置的使用效率。加速器设计遵循了装置先进性、运行可靠性、经费合理性和可升级性的基本原则。低能端射频四极加速器（RFQ）是一种在直线加速器低能端被国际上广泛采用的加速结构，它同时完成对束流的聚焦、聚束与加速，有利于克服低能强流束的空间电荷效应，极大地提高了束流品质。漂移管直线加速器（DTL）部分采用较高频率（324MHz）的射频功率源，而不是传统的202MHz，有利于加速较高峰值电流的束流，同时缩短直线加速器（LINAC）的长度和减少造价。快循环同步加速器采用一系列先进技术，像陶瓷真空盒、采用带内水冷的铝绞线线圈的主磁铁和谐振电源系统、铁氧体加载腔技术等。这些先进技术在国内均是首次应用，这些新技术的研发，显著提高了我国工业企业在相关领域的技术水平。

靶站

靶站是利用高能质子产生脉冲中子的发生器系统。经过加速器加速的高能质子脉冲轰击重金属等靶体，通过散裂反应产生大量中子，并用慢化器将其慢化成适合中子散射用的慢中子脉冲。中国散裂中子源靶站系统包括钨靶，三个中子慢化器（耦合氢慢化器、退耦合窄化氢慢化器、退耦合水慢化器），铁铍反射体，铁/重混凝土屏蔽体、公用和维护系统。靶体材料选用包覆的固体钨靶，冷却剂为重水，靶体容器由耐辐照及腐蚀的耐酸钢加工而成。低温液氢慢化器和常温水慢化器分别位于靶体的正下方和正上方。中国散裂中子源靶站系统目前能安全可靠地接受100kW、1.6GeV的质子束流，并把大部分质子束流能量转化为高通量的短脉冲中子。产生的脉冲中子通过液氢（20K）和水（300K）慢化器慢化后通过中子束道分配到中子散射谱仪终端。

谱仪

中子谱仪是利用中子探测物质微观结构与运动的实验装置。谱仪采用超镜中子导管将中子传输到十几米到上百米外的样品位置，并使用中子斩波器选择合适的中子波长带宽，同时起到降低快中子和γ射线背底的作用，以及中子极化器进行中子自旋选择。样品被置于样品环境中，提供高低温、高压、强磁场等极端条件。中子与样品作用后，利用多空间分布的中子探测器进行中子探测，通过对散射后中子能量、动量和自旋的分析，得到样品原子/分子的位置及其运动模式。中国散裂中子源将包括粉末衍射、单晶衍射、工程衍射、反射、小角散射、非弹性散射、成像、中子辐照/活化分析等20台中子谱仪，在多空间尺度、多能量范围上为多学科研究提供表征手段。

技术创新

1、射线装置及靶心结构工后不均匀沉降小于0.2mm。

2、研制出一种密度达3600kg/立方米、结晶水达110kg/m³，由重晶骨料、铁矿砂、硼玻璃粉等9种材料组成的防中子辐射重质混凝土。

3、无干扰准直桩隔绝周边任何外部荷载影响，各永久控制点空间任一方向年相对位移小于0.3mm。

4、废束站超大型铁块与全密封混凝土墙体间5～10mm微小均匀热效空间，以及屏蔽铁及束流中心极其精准的空间定位。

5、隧道平面上486块大小不等的密集预埋板高程累积误差小于3mm。

6、密封筒及大型基板84枝密布均匀群锚预埋的绝对位置、相对位置、垂直度等均达到毫米级误差要求。

7、亚洲最大热室各面垂直度、平面度小于2mm/m，近百根预埋管精确定位。

8、大型屏蔽铁隧道结构248块、总重2750t的屏蔽铁达到了空间各方位毫米级安装精度。

应用

应用领域

价值意义

中国散裂中子源的成功建设，填补了中国脉冲中子源及应用领域的空白，技术和综合性能进入国际同类装置先进行列，显著提升了中国在相关领域的技术水平和自主创新能力，实现了强流质子加速器和中子散射领域的重大跨越，为物质科学、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了强有力的支撑。

中国散裂中子源自正式运行以来，装置运行可靠稳定，完成了超过1000个科研课题，取得了一批重要科学成果。相关课题涵盖了能源、物理、材料、工程等多个前沿交叉和高科技研发领域，如锂离子电池材料、太阳能电池结构、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜、高强合金、芯片单粒子效应等。散裂中子源积极推动相关技术成果转化，硼中子俘获治疗项目（BNCT项目）作为推进散裂中子源技术产业化的第一个项目，临床设备已经在东莞市人民医院安装。

二期工程建成后，中国散裂中子源的谱仪数量将增加到20台左右，覆盖广大用户各方面研究领域。同时，加速器打靶束流功率将从目前运行的140千瓦提高到500千瓦。新的谱仪和实验终端建成后，中国散裂中子源的设备研究能力将大幅提升，实验精度和速度将大大提高，能够测量更小的样品、研究更快的动态过程，为前沿科学研究、国家重大需求和国民经济发展提供更先进的研究平台。

所获荣誉

价格比较

一、散裂中子源建造及运行技术难度大、造价高、建设工期长：新一代散裂中子源的造价约为新一代光源的2倍；美国散裂中子源建设工期7年，日本J-PARC建设工期8年（另预研15年），而美国NSLS-II光源的建设工期为4至5年；同步辐射光源在世界上有约60座，中国有4座，其中3座正在运行，1座（上海光源）在建，脉冲散裂中子源在世界上仅有6座。

二、散裂中子源14亿元人民币工程造价约为美国同规模工程造价的1/7，约为美国SNS工程造价的1/10（美国人员费用约占总额44％；3％年通涨率），工期（6.5年）短于美国、日本。