东莞设施的运行功率达到原设计的两倍
位于广东省东莞市的中国散裂中子源已开始以200千瓦束流功率为研究人员提供服务，是原设计指标的两倍。中国科学院高能物理研究所于10月24日宣布，该设施经过近一个月的加速器调束，于10月20日达到这一里程碑。
目录
这一成果立即提升了设施的能力。目前，设施的11台中子仪器均向用户开放。此举也检验了二期工程（简称CSNS-II）所需的设备和运行方法；二期工程的目标是将束流功率提高至500千瓦。
该研究所表示，加速器专家在提高功率的同时减少了束流损失。让更多粒子沿预定路径运行至关重要，因为偏离束流的粒子可能会将能量沉积在周围设备中，从而增加稳定运行的难度。
最新工作不只涉及加速器。9月25日，工作人员安装并测试了新靶体T8，其冷却系统按200千瓦运行条件设计。维护团队还检修了研究人员用于分析材料的仪器。
对于研究电池、合金、生物材料及其他样品的科学家而言，实际价值在于到达实验装置的中子。更强的中子源能够更快地获取有效测量数据，并支持使用更小样品或需要更高细节分辨率的研究。该设施目前的功率已达到原设计的两倍，但要实现二期工程的最终目标，仍需进一步建设加速器。
质子束如何成为研究工具
CSNS通过加速质子并将其导向靶体来产生中子。质子与靶体碰撞后，会通过一种称为散裂的过程释放中子。仪器将这些中子引导至样品，并测量它们的散射情况。
科学家通过分析散射中子方向、能量和动量的变化，推断原子的排列方式及其运动情况。简单来说，这些粒子可用作探针，探测普通显微镜无法观察到的微观结构。
束流功率指质子束每秒传递的能量。提高功率能让中子源产生更多中子，为研究人员提供更多可采集的信息。单项实验能从中获得多大收益，也取决于所用仪器、样品和测量方法。
研究人员有望获得哪些助益
CSNS-II升级项目总指挥、中国科学院高能物理研究所副所长王生在二期工程于2024年3月启动建设时，介绍了预期的科研收益。
王生说：“二期工程完成后，中子源能够同时产生更多中子，这意味着实验时间可以缩短，实验分辨率可以提高，从而能够测量更小的样品，并研究更快的动态过程。”
缩短测量时间可以让更多项目使用仪器。提高分辨率有助于研究人员分辨原本会混在一起的细节，而更快的测量则有助于追踪材料内部正在发生的变化。
该设施已支持锂离子电池、太阳能电池、航空航天部件、磁性材料、超导体、薄膜和高强度合金等领域的研究。CSNS负责用户实验与应用的张俊荣在二期工程启动时介绍其工作内容，并列举了这些研究方向。
这些研究方向将加速器与实际问题联系起来。电池研究可以考察材料在使用过程中的变化，合金和航空航天部件研究则有助于了解其内部结构与性能之间的关系。此次升级还旨在拓展生命科学、药物开发和催化剂设计领域的研究。
利用夏季停机期为施工腾出时间
CSNS-II团队利用每年夏季的停机期安装设备，同时尽量减少对既定科研工作的影响。这一安排形成了紧凑的施工流程：建设、设备测试和加速器调束都必须配合现有科学设施的运行。
在最近一次停机期间，工作人员安装并测试了直线加速器前端设备、全部固态调制器，以及快速循环同步加速器中的第三个磁合金腔。调制器提供受控电脉冲，腔体则帮助提供加速束流所需的能量。
直线加速器使粒子沿直线路径前进，然后将其送入同步加速器。在同步加速器中，粒子循环运行并进一步获得能量。这两部分的设备必须协同工作，确保束流以所需状态到达靶体。
据该研究所介绍，CSNS-II计划安装的加速器设备现已全部就位，超导段除外。安装这一部分是将直线加速器束流能量提高至3亿电子伏特（即300 MeV）所需工作的组成部分。
控制更高密度的束流
功率提高后，加速器的调束难度也随之增加。设备设置的变化会与束流内部的作用力以及束流周围环境相互影响，导致粒子群可能出现不稳定的情况。
其中一个挑战是空间电荷效应，即携带相同电荷的粒子之间的电斥力。另一个挑战是束流与加速器结构之间的相互作用，也称为束流阻抗效应。这些效应共同作用可能扰乱束流，并增加粒子沿途损失的数量。
加速器团队调整了升级后直线加速器的关键部分，包括射频四极场（RFQ）和中能束流输运段（MEBT）。这些部分负责在束流进入下一阶段前对其进行整形、加速和导引。
该研究所表示，对运行模式进行重大调整后，集体束流不稳定问题得到解决。研究所还称，束流密度指标超过了国际同类加速器报告的最高水平。公告没有给出该指标的具体数值，也未说明束流损失减少了多少。
据报告，束流损失减少带来的成果不只体现在达到某一功率指标上：团队已证明，可以在更严苛的条件下运行束流，同时更有效地控制其中的粒子。
新靶体与仪器维护
T8靶体位于加速质子撞击并释放中子的位置。其冷却系统按200千瓦运行条件设计，新增的温度监测系统则用于跟踪靶板状况。
随着束流功率提高，热管理的难度也会增加。T8的测量数据将用于设计CSNS-II所需的更高功率靶体，让工程师在设施向500千瓦迈进前积累运行经验。
面向用户开放的11台仪器也在夏季接受了维护。维护工作涉及散射腔、斩波器、探测器和样品环境系统，这些都会影响实验的开展和测量方式。
斩波器控制中子脉冲中哪些部分通过仪器。探测器记录散射中子；样品环境系统则使科学家能够在选定条件下研究材料，例如在不同温度下进行实验。检修这些系统，有助于实验端更好地利用增强后的中子源。
500千瓦计划如何扩充能力
中国科学院高能物理研究所在其项目启动公告中介绍了CSNS-II的建设规模。启动会于2024年3月30日在东莞举行，公布的建设周期为5年9个月。
官方计划将束流功率从100千瓦提高到500千瓦，并将中子谱仪数量从11台增加到20台。计划还列出两个新增实验终端，其中一个用于高能质子实验。建设项目还包括用户实验室，以及新仪器和实验终端。
谱仪数量计划从11台增至20台，意味着新增9台，增幅约为82%。功率目标则是原定100千瓦设计值的5倍。设施目前以200千瓦运行，达到计划最终功率的40%；不过，工程进度远不止取决于这一项指标。
最新进展通报称，项目建设已完成约一半。土建工程于9月底完成，一台可在2开尔文下提供约1千瓦制冷能力的氦制冷机于10月15日安装完毕。2开尔文约为零下271摄氏度，是超导加速器系统所需的温度。
升级项目的关键日期
CSNS从最初的建设项目迈入扩建阶段，同时继续开展用户运行。以下关键日期展示了最新里程碑在这一长期工程中的位置。
- 2011年：原CSNS项目启动建设，投资额为23亿元人民币。
- 2018年8月：设施投入运行。
- 2024年3月30日：CSNS-II启动会在东莞举行，公布的建设周期为5年9个月。
- 最近一次升级期间的9月25日：T8靶体安装并完成测试。
- 9月底：二期工程土建工作完成。
- 10月15日：用于2开尔文运行的氦制冷机安装完毕。
- 10月20日：经过近一个月的束流调试，设施达到200千瓦里程碑。
- 10月24日：中国科学院高能物理研究所宣布设施已开始以更高功率为用户提供服务。
该研究所指出，加速器下一步将把直线加速器束流能量提高至300 MeV。最新调试中积累的经验将为这项工作以及后续功率提升提供参考。
加速器之外的需求也在增长
该研究所2024年的启动公告记录，自CSNS于2018年投入运行以来，注册用户超过6000人，完成的实验项目超过1500项。这些数字反映的是公告发布时设施的情况。
据该研究所介绍，已完成项目中有100多个涉及来自香港、澳门、台湾地区和海外的用户。用户群体涵盖能源、物理、材料和工程等领域，因此既需要更多仪器使用机会，也需要更丰富的实验条件。
负责用户实验与应用的张俊荣在启动会上介绍了扩建的迫切性。
张俊荣说：“CSNS亟须升级，以满足用户日益增长的需求。”
二期工程将通过两种相互关联的方式满足这一需求。更强的束流可以加快某些测量，新增仪器则能为研究人员提供更多实验场所和方法。对用户而言，最终效果取决于两方面能否协同发挥作用：更强的中子源，以及足够的实验能力，将中子转化为研究成果。
要点
- CSNS于10月20日达到200千瓦，并开始以原设计功率两倍的水平为用户提供服务。
- 该研究所表示，经过设备调试和运行模式调整后，功率提高的同时束流损失有所减少。
- 新T8靶体以及对全部11台用户仪器的维护，为更高功率运行提供了支持。
- CSNS-II的目标是达到500千瓦，并将中子谱仪数量从11台增至20台，同时新增实验终端。
- 超导加速器段仍待安装，下一步工作包括将直线加速器能量提高至300 MeV。
- 扩建旨在支持更快的测量、更小的样品和更广泛的研究。
