中國散裂中子源

中國散裂中子源（CSNS）是國家「十一五」期間重點建設的大科學裝置，是位於國際前沿的高科技、多學科應用的大型研究平台。CSNS由中科院和廣東省共同建設，選址於廣東省東莞市，項目預計總投資為23億元人民幣。散裂中子源是研究中子特性、探測物質微觀結構和運動的科研裝置，可帶動物理學、化學、生命科學、材料科學、納米科學、醫藥、國防科研和新型核能開發等學科發展。建成後，CSNS將成為發展中國家擁有的第一台散裂中子源，和正在運行的美國、日本與英國散裂中子源一起，構成世界四大脈衝散裂中子源。2018年8月23日，中國散裂中子源通過國家驗收，投入正式運行，並將對國內外各領域的用戶開放。2019年9月26日，中國散裂中子源開始新一輪開放運行。

中國散裂中子源
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基本情況

中國散裂中子源是我國「十一五」期間重點建設的十二大科學裝置之首，是國際前沿的高科技多學科應用的大型研究平台。該項目總投資約23億元，由中國科學院和廣東省人民政府共同建設，將於2018年前後建成。建成後將成為中國最大的科學裝置，在世界上是第三大散裂中子源裝置，僅次於美日，是英國散裂中子源功率的4倍，構成世界四大脈衝式散裂中子源。

該項目將為我國在物理學、化學、生命科學、材料科學、納米科學、醫藥、國防科研和新型核能開發等學科前沿領域的研究提供一個先進、功能強大的科研平台。

中國散裂中子源（CSNS）將建在廣東省東莞市大朗鎮，廣東省人民政府首期將提供400畝裝置用地和松山湖科技產業園區33畝生活用地及七通一平條件，同時廣東省人民政府（包括東莞市）在項目建設期間共為中國散裂中子源項目及廣東東莞散裂中子源國家實驗室提供配套建設資金5億元，由中國科學院負責承建。廣東提供的5億元經費用於CSNS配套設施、廣東東莞散裂中子源國家實驗室基礎設施建設及人才引進等。CSNS選址在廣東省，將充分利用廣東省的經濟優勢，形成南北均衡的科研布局，提高南方各省在大科學裝置上開展基礎科學研究和工業研發的水平，進一步帶動整個南方經濟的發展。

項目法人單位中國科學院高能物理研究所具有建設大科學裝置的豐富經驗，成功建造了北京正負電子對撞機和我國第一台35MeV質子加速器，擁有一支可承擔加速器理論設計、機械設計、設備安裝、調試和運行的高素質的科研技術隊伍，並在探測器等領域擁有國內一流的技術儲備。共建單位中國科學院物理所已在中子散射的應用領域從事研究20餘年，是國內中子散射重要的研究基地，積累了豐富的中子散射和以及相關的中子物理的知識和經驗；靶站建設方面，中國科學院物理所還有一支由該領域老中青科學家組成的精幹的隊伍，通過前期預研工作，在靶站的關鍵技術方面取得了一系列重要成果。除此之外，CSNS項目還與國內其他相關研究單位和大學採取強強聯合、優勢互補的合作戰略，已經有中國原子能科學研究院、中國科學院蘭州近代物理研究所等多家單位加入到了合作行列，共同為CSNS項目的成功建設貢獻力量。

裝置建成後，為更好地實現開放和共享，年度運行計劃將在充分聽取科技委員會和用戶委員會意見的基礎上審定，並由理事會監督執行。隨着國家實驗室的設立，基於裝置的多學科研究中心和廣泛用戶群體，CSNS能夠跟蹤國際散裂中子應用領域最新實驗方法和成果，自主研發，創新超越，充分利用裝置的高性能和可升級性，為人類科學事業和社會進步做出貢獻。 可以預見，CSNS裝置的建成及運行必將對南方各省、全國以及東南亞地區產生長期、巨大的科學影響及社會、經濟效益。

項目背景

先進的中子源是中子科學研究的基礎。自1932年中子被發現以來，能產生高通量中子的中子源一直是科學家不斷努力追求的目標。

高通量的中子源包括反應堆和散裂源。核反應堆是一種穩定連續的中子源，在中子科學研究中發揮了巨大的作用。通常使用235U作為核燃料，每次核裂變產生一個有效中子，而釋放180MeV的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時有效地帶出，才能保證反應堆正常運行。正是因為堆芯散熱條件的限制，反應堆中子通量在上世紀六、七十年代就達到了飽和。全球公認通量最高的中子散射研究用反應堆是法國的ILL（Grenoble），通量為1.5×1015/cm2/s。

隨着科技的進步，相應的研究體系如薄膜、納米糰簇、生物大分子和蛋白質等，尺度分布更大，獲得數量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應運而生。脈衝散裂中子源突破了反應堆中子源的中子通量的上限，正快速地向前發展。

散裂中子源是由加速器提供的高能質子轟擊重金屬靶而產生中子的大科學裝置。通過原子的核內級聯和核外級聯等複雜的核反應，每個高能質子可產生20～40個中子，每產生一個中子釋放的熱量僅為反應堆的約四分之一（～45 MeV）。從反應堆中子源發展到高通量脈衝散裂中子源，使中子探針的功能變得日益強大。

目錄

建設目標

CSNS的建設將涵蓋我國凝聚態物理、化學、材料等多學科領域應用的需要，同時兼顧生命科學、工業應用等領域研究的應用需求。建成後將在發現新型高溫超導材料、形成氫離子運動的凝聚態物理新理論、DNA分子識別的納米自組裝、蛋白質相互作用等一系列領域有望獲得重大突破。每年將有上千研究人員在散裂中子源利用不同的譜儀互相交流協調、啟發借鑑，不同學科也有機會實現滲透、交叉，開闢新領域，創建新學科。工農業生產領域中的許多問題，如研究石油輸油管線裂紋的成因、測量飛機渦輪的葉片與輪盤的焊接應力、研究大豆根系的生長等，也能在散裂中子源的幫助下解決。

CSNS的建設過程中，將有大量技術難關等待中國最高水平的科研力量攜手攻克。質子加速器、靶站、中子散射譜儀的建設，都涉及大量具戰略意義的高技術。建設這樣的大科學裝置，能直接促進相關高科技研究和工業的發展，還能為我國培養和凝聚一大批高水平的科研人才和工程管理人員。

建設內容

CSNS建設包括：一台80MeV負氫直線加速器，一台1.6GeV快循環質子同步加速器，兩條束流輸運線，一個靶站，7台中子散射譜儀、輻射防護系統及相應的配套設施，隨着科學研究的深入，未來中子反射譜儀將達18台。束流功率為100千瓦、脈衝重複頻率25赫茲的CSNS脈衝中子通量設計指標超過目前世界上正在運行的所有散裂中子源，將為國內外科學家提供世界一流的中子科學綜合試驗裝置。

考慮我國國情和科學技術發展的實際需要，12億元人民幣的投入、0.1兆瓦的設計功率，都只有美國SNS的十分之一。但在滿足科研需求的關鍵指標——有效中子通量上，CSNS在構型和重複頻率上採用了獨特先進的設計，能達到美國SNS的五分之一，將位列世界第三，且這一排名至少可保持到2020年。而有效中子通量的保證，使CSNS屆時能滿足的研究需求是美國SNS的80%。

CSNS建成後，將與英國、美國、日本的散裂中子源相併列，成為世界四大主要脈衝散裂中子源科學中心之一，並且是發展中國家第一台散裂中子源，每年可接待上千名研究人員在不同的譜儀上展開研究。CSNS建設吸引了國際科學界的廣泛參與，自2002年起，世界上該領域最知名的專家就被邀請參與中國散裂中子源的設計和相關研究。

國內現狀

高通量中子源在我國有近半個世紀的發展歷程。1958年，我國建成第一座實驗性重水反應堆，為我國原子能事業的發展打下了堅實的基礎，贏得了國際同行的尊重，也同時也發展了中子散射研究。上世紀八十年代，我國中子散射研究得到快速發展，在中國原子能科學研究院建成了國內唯一的一個初具規模的熱中子散射實驗室，並建成了曾是亞洲地區唯一的液氫冷卻的冷中子源。在這台裝置上，通過與國內有關單位合作，在凝聚態物理、材料科學等方面做出了一批具有國際水平的工作，並在不少方面有所創新和突破，近十多年來共完成了200餘項研究成果；例如，在聲子圓偏振色散關係、高溫超導材料中氧原子位置、稀土永磁材料的磁結構等方面做出了出色的工作，結果在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B等國際刊物上發表，為我國的熱中子散射工作在國際上爭得了一席之地。

進入二十一世紀，我國科學研究快速發展，越來越多的研究人員希望利用中子散射深化自己的研究。然而，我國研究用中子源發展相對滯後，高水平中子散射設施缺乏，技術發展緩慢，許多科學家轉向國際合作，到國外的中子散射裝置上做實驗。為適應我國科學研究的發展，增強我國基礎科學的原始創新能力，儘快建設我國的散裂中子源和相應的中子散射國家實驗室勢在必行。

中國原子能科學研究院正在建設的中國先進研究堆（CARR）已於2010年建成，它將成為亞洲主要的中子散射中心之一。如上所述，由於反應堆中子源的特點，CARR堆上進行的研究工作會有一定的局限。為了增加我國科技的整體競爭能力，在我國建設一台脈衝散裂中子源是十分必要的。散裂中子源與CARR堆兩者各具特色，相互補充，共同為我國中子科學的發展貢獻力量。例如，CSNS譜儀能同時測量大範圍的動量能量變化，方便物質整體性能的表徵，而CARR譜儀每次都測量某一特殊的動量能量變化點，適合物質某些特定性質的精確表徵；CSNS的衍射譜儀將重點關注高動量轉移的衍射數據，而CARR的衍射譜儀更有利於小的動量轉移數據的測量；CSNS散射譜儀利用飛行時間相應的中子能量分辨，重點測量多晶態物質中基本元激發及相應的態密度等，而CARR的三軸譜儀利用單色能量的甄別，重點測量單晶物質中各種激發的色散關係等。除中子散射外，CSNS與CARR在其他研究和應用的領域內也各有優勢。例如，CSNS有利於基於質子束、μ子和快中子束的各項基礎和應用研究以及核廢料嬗變研究等；CARR堆則更有利於同位素生產、半導體輻照、中子照相等。

高通量的散裂中子源是當前研究用中子源的主流發展方向，發達國家把它作為提高科技創新能力的重要舉措之一，正在積極建設。我國科技水平和經濟實力正在迅速提高，也迫切需要自己的散裂中子源這一多學科應用的大型綜合性平台，為科學技術和經濟建設的可持續發展提供強有力的支持。儘管散裂中子源在我國尚屬空白，但部分相關技術在我國有不同程度的儲備。高能物理研究所擁有35MeV質子直線加速器的建造和運行經驗，可為散裂中子源的質子直線加速器的設計、製造、安裝和調試提供經驗和借鑑。強流質子加速器組經過5年的奮鬥，成功研製了一台能量為3.5MeV的強流質子射頻四極（RFQ）加速器，這是我國自主建成的第一台強流RFQ加速器，其束流工作比已達到了6%，主要指標位居世界前列。自上世紀80年代以來，我國的同步加速器技術取得了長足的發展。北京正負電子對撞機BEPC於1988年竣工，束流能量為1.0～2.5 GeV，已成功運行了近20年，現已完成升級改造；1989年，合肥國家同步輻射光源HLS建成出光，能量為800 MeV、平均流強達100～300mA。蘭州重離子冷卻儲存環HIRFL-CSR也在2007年建成並達到驗收指標。能量為3.5GeV的第三代同步輻射光源-上海光源SSRF已在2009年建成，並投入運行。上述同步加速器的設計和建造也可為我國散裂中子源的質子同步加速器的建設提供寶貴的經驗。散裂中子源的中子散射譜儀通常使用的飛行時間技術，在我國反應堆的部分譜儀上也曾使用，其方法、技術和工藝均可借鑑。

CSNS是我國第一台散裂中子源。建造綜合性能位居世界前列的CSNS，設計和技術上必然存在挑戰，眾多關鍵技術必須進行預製研究，研究成果也將為國際散裂中子源的發展做出重要貢獻。CSNS的建設將廣泛調研國際上散裂中子源的建設和運行情況，認真總結經驗和教訓，儘可能地採用先進和成熟的技術，確保建成後的CSNS達到設計指標。

CSNS將是發展中國家擁有的第一台散裂中子源，其脈衝中子通量將位居世界前列。在加速器、靶站和譜儀等各方面採用了一系列世界先進的設計和技術，束流功率為100kW的CSNS其有效中子通量將與英國盧瑟福實驗室的散裂中子源ISIS所達到的水平相當，可以滿足我國在多學科領域內對中子散射的強勁需求。

對中子散射而言，更高的中子通量在進一步減少實驗所要求的最小樣品量和縮短測量時間上具有優勢。與兆瓦級的美國散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC相比，只有極小部分課題如超薄膜、快速反應和快速相變過程等不能在CSNS開展。CSNS設計的最小樣品量在毫克量級，最短測量時間在分鐘量級，能滿足各學科90%以上的中子散射研究需求。

綜上所述，投資僅為國際上兆瓦量級散裂中子源百分之十幾的CSNS是符合我國國情的、能滿足我國科技發展需要的、高性價比的大科學裝置。

社會影響

2018年12月20日，中國散裂中子源當選為2018年度科技類十大流行語。

參考文獻