中国散裂中子源的设计与建设

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中国散裂中子源（CSNS）由中国科学院高能物理研究所设计和建造。

中国散裂中子源（CSNS）由中国科学院高能物理研究所设计和建造。CSNS的建设包括一台80MeV的直线加速器、一台1.6GeV的快循环同步加速器（RCS）、两条束流传输线、一座100kW的固体靶站、三台初始中子仪器及其他辅助设施。基于有限的资金和在高功率质子加速器及散裂靶方面缺乏经验，CSNS的设计被优化为一个先进的用户设施，以满足迫切的用户需求，具有高性能/成本比，并具备通过较少投资将束流功率提高到500kW的CSNS二期项目（CSNS-II）的能力。CSNS的建设于2011年10月开始，2018年3月按计划完成，并达到了设计参数。从那时起，CSNS一直高效稳定地运行。到2024年3月，靶上的质子束流功率已增加到160kW。目前已进行超过1700项用户实验，表明用户需求强劲。

引言

散裂中子源是基于加速器的中子设施，提供用于基础和应用科学研究及技术创新的强脉冲中子束，利用中子散射。作为同步辐射光源的补充，散裂中子源为材料结构的多学科研究提供了先进的综合平台。中国的中子用户群体正在迅速增长，例如，根据Web of Science数据库，作者单位来自中国的中子散射论文数量增加了5倍。自20世纪90年代末以来，随着世界其他散裂中子设施的成功，中国科学界已经认识到建设中国散裂中子源的必要性。新的脉冲散裂中子源，加上现有的中国绵阳研究堆（CMRR）和中国先进研究堆（CARR），将有助于满足来自中国和国际用户的巨大需求。

2008年9月，中国国家发展和改革委员会批准了CSNS的提案。基线预算为18.86亿元人民币。CSNS项目在广东省东莞市建设，由中国科学院（CAS）和广东省政府共同支持。中国科学院高能物理研究所（IHEP）是CSNS的法人单位，中国科学院物理研究所（IOP）是建设合作伙伴。东莞市政府也为CSNS的建设和运行提供了大力支持。

图 1-1 显示了CSNS的详细布局。直线加速器和快循环同步加速器（RCS）组成的加速器复合体提供100kW的质子束撞击靶，产生中子。在靶站周围建有20条中子通道，以容纳中子仪器。表1-1列出了CSNS及其二期项目CSNS-II的主要设计参数。

CSNS CSNS-II
质子束流功率 [kW] 100 500
脉冲重复频率 [Hz] 25 25
靶站数量 1 1
平均束流电流 [µA] 62.5 312
束流能量 [GeV] 1.6 1.6
注入RCS的束流能量 [MeV] 80 300
中子仪器数量 3 20

设计理念

CSNS是中国首个基于高功率质子加速器的中子源。因此，设计受到高功率质子加速器和散裂靶缺乏知识和经验的限制。CSNS的资金也相当有限。因此，设计不仅考虑了中国迫切的用户需求，还考虑了在CSNS-II中增加束流功率的投资优化。此外，作为一个用户设施，CSNS必须稳定高效地运行。考虑到所有这些因素，CSNS的基线设计采用了直线加速器和RCS与固体靶的选项，其主要特点如下：

  1. 高电流质子加速器复合体：由80-MeV低能直线加速器和1.6-GeV快速循环同步加速器（RCS）组成。这是一个需要较少投资并且更容易实现束流功率升级的优化设计。
  2. 脉冲重复频率：设置为25 Hz，显著提高了每个脉冲中长波中子的中子效率。
  3. 紧凑的靶设计：采用平板钽包覆钨片水冷设计，显著提高了中子产生效率及靶的运行稳定性和可靠性。
  4. 先进的中子仪器设计：如超镜中子导管和立体分布多探测器系统，以提高中子效率和中子仪器的分辨率。

CSNS的设计和建设经过仔细考虑，以尽量减少未来CSNS-II功率增加的成本。

简史

2000年7月，中国政府原则上同意了中国科学院提交的《我国高能物理与先进加速器技术发展目标》报告，建议建设中国散裂中子源（CSNS）。2008年9月，国家发展和改革委员会批准了CSNS项目建议书。2011年2月，项目可行性研究报告获得批准。2011年10月，东莞举行了奠基仪式。

CSNS于2018年3月按计划达到了所有验收参数，并开始试运行，成功实现多个重要用户实验。通过验收测试后，CSNS实现了长期稳定高效的运行。

质子加速器的设计与建设

CSNS加速器的物理设计始于2004年，采用低能量直线加速器和快速循环同步加速器（RCS）的选择。RCS的设计采用了三重结构，而不是常见的FODO结构。RCS的RF系统能够提供165 kV的RF加速电压，使用了八个加载铁氧体的腔体。通过优化电源和控制方案，确保了高效能。

注入和提取系统

RCS采用H$^-$剥离注入方案，设计时考虑了减少空间电荷效应和最小化束流损失的策略。提取系统包括多个踢磁铁和偏转磁铁，用于有效提取质子束。

磁铁和电源

磁铁的设计和电源为确保高效运行提供了支持。RCS的主磁铁通过OPERA-3D进行设计与计算，解决了由于交流磁场引起的涡流和机械振动问题。

RF系统设计

在中国散裂中子源（CSNS）的设计中，射频（RF）系统是加速器的重要组成部分，负责将粒子束加速到所需的能量。这一系统的设计和实施旨在满足高功率和高效率的要求，以确保质子束在注入快速循环同步加速器（RCS）时的有效捕获和加速。

RF腔体

CSNS的RF系统采用了八个加载铁氧体的腔体，能够提供高达165 kV的RF加速电压。每个腔体均设有独立的RF电源系统和偏置电源，以便于控制不同功率和频率需求。该设计既保证了RF腔在不同操作条件下的稳定性，又提升了中子源的总体效率。

RF腔体设计与技术细节

在中国散裂中子源（CSNS）中，射频（RF）腔体是加速器系统的核心组件之一，负责将质子束加速到所需的能量。RF腔体的设计与性能直接影响到束流的质量、加速效率和最终中子的产出。

RF腔体的基本结构

CSNS采用的是加载铁氧体的腔体设计，这种设计的主要优点在于能够提供高功率密度和优越的磁性能。每个腔体均为双端加速腔，腔体中安装了铁氧体材料，这些材料具有优良的磁特性，能够在不同的功率需求下高效工作。

  • 腔体材料：选择优质的铁氧体材料以确保良好的电磁响应，并有效降低功耗。
  • 腔体通道：通过优化的腔体通道设计，实现了中子高效产生与加速的理想效果。
RF加速电压的高效提供

RF腔体的设计目标是提供165 kV的RF加速电压，以满足加速器在不同操作模式下对电压的要求。腔体的设计还考虑了动态模式下的快速调节，确保电压的稳定性和响应速度，以适应质子束的实时变化。

腔体频率调谐机制

CSNS的RF频率调谐是通过调节腔体中的偏置电流来实现的。每个腔体能够在1.02 MHz到2.44 MHz范围内精准调谐，这对保证束流的同步性和稳定性至关重要。

  • 偏置电流调节：RF腔体的频率调谐依靠改变施加于腔体的偏置电流，进而调整铁氧体的相对磁导率，从而实现对谐振频率的精确控制。
  • 动态调谐：结合束流特性，RF系统具备动态调谐能力，在加速过程中自动调整工作频率，以最大程度减少因相位失配而导致的能量损失。
RF腔体的冷却设计

由于RF腔体在运作过程中产生巨大的热量，因此高效的冷却系统必不可少。腔体采用水冷却设计，有效地通过冷却水循环系统维持腔体的温度在安全范围内。

  • 冷却回路：通过冷却水管道，冷却水能够均匀流动于腔体表面，降低热负荷，防止因过热导致的性能下降或损坏。
  • 温度监测：腔体表面设有温度传感器，实时监测温度变化，确保在任何情况下腔体都能工作在最佳状态。
腔体的性能评估与调试

在调试阶段，RF腔体的性能评估是一个重要环节。通过各种测试和测量（如腔体电压、相位和频率响应），确保RF系统能够满足预定的设计标准。

  • 测试结果：对腔体进行的高强度测试表明，在设计频率和电压范围内，腔体的性能能够稳定保持在预期标准之上。
  • 可重复性：经过多轮调试，腔体的输出功率和频率调节的可重复性很高，显示出良好的稳定性和可靠性。
小结

RF腔体是CSNS加速器系统中不可或缺的部分，其高效的设计与实施不仅提升了质子束的加速性能，也为后续的中子生产提供了坚实的基础。通过不断的技术创新与优化，RF腔体在满足现有需求的同时，亦为未来更高要求的科学研究奠定了良好的基础。随着CSNS-II项目的推进，RF腔体的技术将继续发展，为提升束流功率和系统的整体效率做出更大的贡献。

控制系统

RF控制系统采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的架构，结合模块化设计，确保了系统的灵活性和可扩展性。控制系统配备了多个控制回路，包括腔体电压回路、腔体相位回路和同步相位回路等。这些回路能够有效地调整腔体的工作频率，并实时响应束流变化，确保腔体在运行过程中的高准确度。

控制系统设计与技术要点

在中国散裂中子源（CSNS）的运行中，射频（RF）系统的控制系统起着至关重要的作用。该控制系统负责监测、调节和优化RF腔体的性能，以确保质子束的有效加速和稳定输出。以下是控制系统的关键技术细节和设计理念。

控制系统架构

CSNS的RF控制系统采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的分布式架构，具备高性能和灵活性。控制系统分为多个层次，主要包括：

  • 操作员界面层：为操作人员提供友好的图形用户界面（GUI），便于实时监控RF系统的状态和性能，进行参数调整，以及查看各类历史数据和实时数据。
  • 数据库与服务层：负责整合和存储所有来自RF腔体的操作数据和状态信息，并向上层提供必要的数据服务，确保信息的实时性和准确性。
  • 前端控制层：直接与RF腔体和其外围设备进行交互，负责执行控制算法和实时数据采集。
控制策略与算法

为确保RF腔体在动态过程中保持最佳工作状态，控制系统内置了一套高效的控制策略，包括：

  • 反馈控制：利用实时数据监测RF腔体的电压、相位和频率，控制系统根据反馈信号自动调整电源输出，以确保电压和频率的持续稳定。这种反馈机制使得RF腔体能够在粒子束加速过程中始终保持良好的性能。
  • 前馈补偿：在某些情况下，前馈控制策略能够更有效地预测和补偿由于粒子束特性变化引起的参数波动。通过对历史数据的分析和趋势预测，控制系统能够提早做出调整，减少过渡过程中的超调现象。
  • 多通道调谐：控制系统支持多通道调谐，可以同时调节多个RF腔体的参数，以满足复杂操作和不同实验模式的需求。
通信和集成

控制系统采用标准的工业通信协议（如Ethernet、CAN等），以实现RF系统与加速器其他部分及设备之间的高效通信。系统集成度高，支持与束流监测系统和加速器整体控制系统的无缝衔接，确保各部分能在同一平台上运行，从而提高了操作的安全性和可靠性。

  • 系统冗余和安全性：为了提高控制系统的可靠性，关键组件设置冗余，以在发生故障时迅速切换。此外，系统还设有故障报警机制，确保在出现异常情况时能够及时响应和处理。
性能监测与数据分析

控制系统具备强大的性能监测和数据分析能力，能够实时采集RF腔体的运行数据，并进行相应的统计分析。这有助于操作人员及时了解系统性能变化，并对设备状态进行预测性维护。

  • 数据可视化：操作界面上提供多种数据可视化工具，用于展示实时和历史数据，包括波形图、趋势图和性能报表，以帮助操作人员直观分析 RF 系统的运行状态及其变化趋势。
  • 故障诊断：基于机器学习的故障诊断模型可以帮助识别潜在故障，减少因设备问题造成的停机时间，更加高效地进行维护和修复。
小结

CSNS的射频系统控制系统通过采用高效的控制策略、可靠的通信协议和全面的数据管理，不仅能够确保RF腔体高效、稳定地工作，还为质子束的精确加速提供了强有力的支持。随着技术的不断进步和使用需求的增加，未来的控制系统将在稳定性、智能化和自适应调节能力上进一步提升，以满足更为复杂的运行条件和用户需求。

电源设计

为了实现高性能调谐和稳定输出，RF系统中的电源选用了改进的白电路型串联谐振网络。电源设计考虑到加速过程中瞬时功率需求的波动，并确保输出电流的高精度跟踪。这样可以在从80 MeV到1.6 GeV的能量提升过程中，灵活调节RF电 fiel的功率，以适应不同的加速条件。

RF腔的频率扫描

根据物理设计需求，RF腔的频率扫描范围应为1.02 MHz到2.44 MHz。通过调整施加于铁氧体材料上的偏置电流，可以实现对腔体电感的动态调节，进而改变谐振频率。这种设计使得RF系统能够在加速过程中，保持与粒子束能量的同步变化，即便是在快速注入和提取期间，也不影响加速效果。

性能优化与调试

在调试过程中，RF系统经历了多次参数优化，以确保输出的腔体电压和相位能够满足设计要求。通过与束流监测系统的配合，调节腔体的电压极限和相位滞后，最终达到预期的束流捕获效率和加速效果。调试测试显示，RF系统的动态响应快、稳定性高，这为CSNS的长期运行奠定了基础。

小结

CSNS的RF系统通过精密的设计与优化，确保了质子束的稳定加速和高效输出。该系统不仅满足了当前的技术需求，也为未来可能的增强和改进提供了发展空间。在即将启用的CSNS-II项目中，RF系统的扩展和优化将继续致力于提高束流功率和加速器的运作效率，从而更好地服务于科学研究的需求。

靶站

靶站设计旨在将高能质子束转化为中子束，采用平板钨靶和慢化器等设计提升中子效率。

中子仪器

CSNS中子仪器的设计目标是研究凝聚物质中的微观结构与动力学，目前已有多个中子仪器投入运作并为科学研究提供了重要成果。

结论

CSNS项目的成功不仅提高了中国在高功率质子加速器和中子散射领域的能力，也推动了基础科学研究的快速发展。随着CSNS-II的发展，预计将在未来继续满足用户需求和扩展设施能力。

Reference

Chen, H., Chen, Y., Fu, S., Ma, L., Wang, S., Chen, F., Chen, Y., Dong, H., Dong, L., Feng, G., Gu, J., He, L., He, K., He, W., Hu, C., Huang, J., Ji, Q., Jia, X., Jin, D., Kang, L., Kang, W., Liang, T., Lin, G., Liu, H., Li, J., Ouyang, H., Qi, F., Qi, X., Qu, H., Sun, H., Sun, Z., Shen, L., Tang, J., Tao, J., Wang, F., Wang, L., Wang, P., Wang, Q., Wu, Y., Xi, J., Xu, T., Yin, W., Zhang, B., Zhang, J., Zhang, J. (2025). Design and Construction of the China Spallation Neutron Source. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 170431. doi:10.1016/j.nima.2025.170431.