中國散裂中子源（CSNS）項目，落戶於松山湖科技園區，是建在中國的第一座基於加速器加速高能質子轟擊金屬靶而產生大量散射中子的中子源。在這個裝置中，高能量的質子轟擊金屬靶，引起金屬原子的散裂反應。顧名思義，散裂，一分為多，金屬靶在這個反應中會釋放出大量的中子，這些中子被安全地引出到實驗測量裝置上，供科學和工業研究用。
中國散裂中子源（CSNS）將在2018年迎來驗收。
基本介紹
- 中文名：中國散裂中子源項目
- 外文名：Chinese Spallation Neutron Source
- 地點：廣東省東莞市
- 類型：科學和工業研究
項目簡介,工程進展,醞釀,立項,項目啟動,建設目標,建設內容,國際動態,
項目簡介
中國散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source，簡稱CSNS）是我國“十一五”期間重點建設的大科學裝置，已列入國家中長期科學和技術發展規劃。經國務院批准，將建造一個質子束功率達100kW、有效脈衝中子通量居世界前列的散裂中子源裝置。國家支持建設經費約12億元，建設期為7年。
裝置建設包括一台強流質子直線加速器、一台快循環同步加速器、一個靶站、5台中子譜儀等設施和科學實驗測試系統，與這些主要裝置配套，還需建設裝置建築物、供水電、空調、安全防護設施等。
中子的套用 中子和人們熟知的X射線一樣，都是人類探索物質微觀結構的有力手段，產生中子束的散裂中子源與產生X射線束的同步輻射光源是目前研究物質結構的最重要的裝置，兩者相輔相成可為增強國家科技綜合實力做出重要貢獻。
中子散射的研究成果
中子散射的研究成果散裂中子源是用來自大型加速器的高能質子轟擊重金屬靶，重金屬原子核在高能質子的轟擊下發生散裂，釋放出中子，這些中子形成非常強的中子束流，中子慢化後與樣品發生散射，由中子散射譜儀接收。科學家利用中子譜儀研究一系列新穎材料（樣品）最本質的結構細節和運動軌跡。基於加速器的散裂中子源不使用核燃料、不產生長壽命的核廢料，且中子通量突破了反應堆型中子源的上限，安全易控。由於中子的特殊性質，在測定物質內氫元素和同位素的位置以及磁性結構等方面具有同步輻射光源不可替代的作用。在薄膜、納米糰簇、生物大分子和蛋白質等熱點前沿研究領域內，中子探測裝置已成為科學家不可缺少的利器。建造高性能的散裂中子源，早已成為當今已開發國家提升科技創新能力的重要手段。
散裂中子工作機制
散裂中子工作機制中國目前擁有4座高亮度高性能的X射線源，分別位於北京、安徽合肥、台灣新竹和上海(在建)，但尚未有高性能的脈衝中子源，建造一座高性能的脈衝中子源將能使我國在物理學、化學以及21世紀最有生命力、最活躍的學科，如生命科學、材料科學、納米科學、醫藥、新能源開發和一些工程技術套用領域取得不可估量的進步，很多過去無法涉足的研究和套用領域也能得以開展。
散裂中子源不僅面向世界科學前沿，有力提升中國基礎研究和高技術水準，同時促進中國在能源、國防、工業等領域先進技術發展。通過散裂中子源項目發展起來的強流質子加速器，可用於太空飛行器件輻照效應的地面模擬試驗研究。利用中子散射對工程材料和部件缺陷及應力的深度檢測，可為工程部件確定可靠的使用期限，現已經成為一種先進的無損檢驗方法。散裂中子源的質子和中子可用於腫瘤的放射性治療研究，已在許多已開發國家得到套用。
工程進展
醞釀
2000年7月，中科院院長路甬祥訪問英國時參觀了英國的散裂中子源ISIS。ISIS平均每年用戶達1500人，在近20台中子散射譜儀上開展700多個實驗，建造ISIS的盧瑟福實驗室每年發表500篇高水平的相關論文，早已成為世界級實驗室。回國後，路甬祥即要求中科院論證我國建造散裂中子源的可行性，這樣的大科學平台，對提高國家科技創新能力十分重要，中國太需要了！
2001年2月18-20日，根據路院長等領導的批示，中科院召開了主題為“21世紀中子科學的發展”的香山會議（第157次），會上介紹了國內外中子散射研究的進展, 並對在我國建設“散裂中子源”的構想進行了討論。
2001年5月8-9日, 中國散裂中子源研究第一次院士諮詢研討會召開，會議對建設“中國散裂中子源”的必要性進行了深入的討論，建議對“中國散裂中子源”的先進性和可行性進行進一步的調研。
2001年8月26-27日, 中國散裂中子源研究第二次院士諮詢研討會召開，會議聽取了中科院專家和海外專家的專題報告，通過了建設25Hz、100kW的中國散裂中子源CSNS方案。會後呈交了建造中國散裂中子源CSNS的項目建議書。
2001年12月31日，中科院路甬祥、白春禮等領導聽取了物理所和高能所的匯報以及海外專家的評論，同意啟動“中國散裂中子源CSNS”概念設計。經估算，散裂中子源在我國國內的潛在用戶在1900個以上。
2002年4月22－26日，第一屆中國散裂中子源靶站和慢化器的國際論證會在北京舉行，來自世界主要的幾個散裂中子源的最高級科學家參加了會議。
2002年7月，中科院知識創新工程重要方向項目“多學科平台散裂中子源的關鍵技術的創新研究”啟動（2004年7月結題）。
2003年4月，科技部國際科技合作重點項目“多學科套用的散裂中子源”啟動（2004年5月結題）。
2004年7月26-31日，為了傳授中子散射基礎知識、培養潛在用戶，物理所舉辦了第一屆中子散射暑期培訓班，註冊人數達109名。
2004年8月4-6日，第一屆散裂中子源多學科套用研討會在物理所召開，180餘名專家學者和研究生參加了會議。會議通過了項目組提出的第一期五台中子散射譜儀建設計畫，有兩家用戶提出，在項目組資助少於1000萬元的前提下自建2台譜儀。會議決定成立中子散射用戶聯盟，確定了用戶工作條例。
2004年10月15-16日，在第25次中美高能物理合作聯合委員會會議上，4項與散裂中子源相關的合作項目首次列入了中美高能物理雙邊合作計畫。
2004年12月8日，物理所召開了“物理所散裂中子源用戶研討會”，會議決定成立“物理研究所散裂中子源用戶專家組”，確定了用戶專家組人員名單。
立項
2005年6月1日，中科院計畫局組織了CSNS項目建議書專家評審會。由魏寶文院士等19位專家組成的專家組聽取了項目組的總體報告及3個分報告。與會專家充分肯定了CSNS建設的重大科學意義，並認為項目建議書中提出的建造一台束流功率100kW、重複頻率25Hz的散裂中子源的方案是綜合考慮了用戶需求、投資強度、建造周期以及技術難度提出的，符合我國國情。中科院組織物理所和高能所的相關力量，對方案設計及關鍵技術開展了三年左右的前期研究，為CSNS的建造打下了基礎。考慮到國際上散裂中子源迅猛發展的態勢和國內對散裂中子源越來越迫切的需求，CSNS應當按照國家大科學工程立項程式儘快立項。
2005年6月2日，中科院院長辦公會同意將CSNS上報國家發改委，並決定在CSNS完成立項前提供3000萬元經費進行前期預製研究。
2005年7月19日，國務院科教領導小組原則批准未來5年內建造9個重大科學裝置，預計投入金額60億元，其中CSNS造價為12億元。
2005年7月27-29日，第二屆散裂中子源多學科套用研討會在物理所召開，170餘位專家學者和研究生參加了會議。與會者對中子散射技術、譜儀及套用、CSNS的建設構想，以及中子散射套用在我國科學研究各領域中的廣闊前景有了進一步了解。
2005年11月27日，中科院計畫局和基礎局組織召開了CSNS前期預製研究專家評審會，會議肯定了前期預製研究的重要性和必要性，同意啟動CSNS預製研究。
2006年2月27日，中科院物理所的CSNS靶站譜儀工程中心（籌）掛牌。
2006年4月25-27日，CSNS加速器工程設計國際研討會在高能所召開，全面評估了加速器各部分的工程設計。
2006年7月31日，第三屆散裂中子源多學科套用研討會在物理所召開。會議邀請了美國、日本、英國散裂中子源項目負責人介紹國際動態，並請用戶對CSNS的性能提出要求，供改進總體設計和譜儀參數參考。
2006年8月3-4日，中科院召開了主題為“同步輻射與中子散射交叉的前沿科學問題”的香山會議（第281次），參加者包括國內科研院所以及美國等20家單位的54名專家學者。會議重點討論了同步輻射技術與中子散射技術的交叉、散裂中子源與反應堆中子源技術的交叉、同步輻射和中子散射技術與凝聚態物理、軟物質與生命科學、成像與醫學等科學領域的交叉等。來自不同領域的專家就充分發揮散裂中子源這一多學科套用平台作用各抒己見，達成了許多重要的共識，提出了許多很好的建議。
2006年11月12-15日, 由美國國家自然科學基金委、中國原子能科學研究院和中國科學院共同主辦的第一屆中美中子散射技術研討會在北京召開。美國國家技術標準局、阿岡國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家試驗室、德國的慕尼黑中子散射中心、哈邁和予利希研究所、英國盧瑟福研究所、法國的勞厄-朗之萬和里昂-布里淵研究所、日本質子加速器研究聯合體、澳大利亞布拉格研究所、韓國原子能研究所、中國原子能科學研究院、中科院物理所、高能所、化學所、金屬所、北京大學、清華大學等八個國家的實驗室負責人、專家、學者、研究生共160餘人參加了會議。
2007年2月13日，中科院與廣東省人民政府簽署了《中國科學院、廣東省人民政府關於中國散裂中子源項目暨廣東東莞散裂中子源國家實驗室合作備忘錄》，雙方將共同向國家申請在廣東省東莞市建設我國首台、世界一流的脈衝中子科學綜合實驗裝置——中國散裂中子源，屆時還將共同建設廣東東莞散裂中子源國家實驗室，以確保中國在中子散射科學領域的先進地位。
2007年2月，CSNS離子源研製取得新進展。作為預注入器的負氫離子源是整個散裂中子源裝置的關鍵設備之一，它提供的束流流強直接影響到散裂靶上最終達到的流強。高能所通過消化吸收從英國ISIS獲得的資料，自行設計和製造了負氫離子源核心部件Penning源，並在ISIS專家的指導和協助下進行了一系列測試。ISIS專家對於測試結果給予了熱情的稱讚和肯定。
2007年2月，CSNS主磁鐵鋁絞線及線圈試樣研製獲得成功。CSNS快循環同步加速器（RCS）中的主磁鐵是由帶直流偏置的25Hz正弦交流源激勵，採用中空水冷鋁絞線線圈是最有效的方法。高能所聯合上海克林技術有限公司、蘭州近物所科近泰基技術有限公司和合肥電漿所聚能電物理技術有限公司分別研製鋁絞線二極磁鐵試驗線圈。經過與多家鋁導線生產單位的協作，國內有兩家試製成功中空水冷鋁絞線。三個合作單位研製成功的鋁絞線線圈，經初步檢測，性能指標均滿足設計要求，解決了散裂中子源RCS環主磁鐵研製中的一個核心問題。研製過程中所取得的多項技術和工藝，為國內相關技術的發展起到了推動和促進作用。
2007年4月25日，CSNS舉行科學報告會，中科院院士方守賢、CSNS項目負責人韋傑等就散裂中子源的安全性、套用等作了報告。專家指出：CSNS基於新一代加速器，不需要核材料，其動力來自電能，其輻射控制在環保全全範圍，是世界一流的安全裝置。在散裂中子源附近居住一年，居民受到的輻射量僅相當於乘一次飛機。
項目啟動
2007年4月26日，廣東東莞中子科學中心在松山湖科技產業園區正式掛牌，這標誌著我國首台散裂中子源項目建設及東莞散裂中子源國家實驗室正式啟動。
2007年4月26-29日，“第十八屆先進中子源國際合作會議”在廣東東莞召開，約100名國外科學家、100多名國內科學家以及相關領域的專家、學者和工程師參加會議。這是先進中子源國際合作會議首次在中國舉辦，意義重大。
2007年5月1-3日，第一屆CSNS項目國際顧問委員會評審會在高能所舉行，這是CSNS工程建設中的一個重要的里程碑。CSNS參照國際慣例設立了國際顧問委員會（由國際科技顧問委員會、國際加速器顧問委員會及國際靶站譜儀顧問委員會組成）。顧問委員會委員均為國際和國內相關領域的知名專家，作為國內首座世界水平強流質子打靶設施，國際經驗對於中國散裂中子源的建設極為重要。國際顧問委員會將在工程建設期間，對於工程建設和發展中的關鍵科學問題和技術問題定期提供評議和諮詢意見，調動和發揮各方面的作用和積極性，確保工程的順利進行。會議聽取了總體及各個分系統的報告，對CSNS的整體方案和具體技術參數進行了全面評審，對總體指標、加速器及靶站譜儀均提出了方向性的建議，對下一步工作提出了具體的意見。
2007年7月6日，CSNS項目可行性研究工程地質勘察評審會在廣東省東莞市大朗鎮召開。參會單位有高能所、物理所、地質與地球物理研究所、東莞市市政府及該市發改局、規劃局、科技局、財政局、環保局、建設局、國土局、松山湖高新技術開發區管委會、大朗鎮政府。評審組由7名地勘專家及高能所、物理所代表共11人組成。中科院地質與地球物理所經過兩個多月的勘察，完成了CSNS項目可行性研究工程地質勘察。專家組聽取了該項目負責人的成果匯報，進行了現場考察和討論，審查和評議了項目組提交的《CSNS可行性研究工程地質勘察報告》總報告、附屬檔案及相應圖件。評審組認為，報告提出的預選場址適合作為散裂中子源工程的建設場地，且選擇中等風化花崗岩或變質岩作為散裂中子源工程裝置地基。該報告經必要修改後可作為開展下一階段方案規劃設計的依據性檔案。
2007年12月2-4日，受國家發展和改革委員會的委託，中國國際工程諮詢公司組織專家對中科院申報的《中國散裂中子源項目建議書》進行了評審。來自中咨公司、中國科學院、原子能科學研究院、中國工程物理研究院、清華大學等單位的14位專家擔任評估組的評審。評估專家組聽取了項目總體情況、科學意義與用戶需求、建設方案與關鍵技術、土建工程、通用設施與環境保護、工程經費質量與進度管理等方面的匯報，並從項目建設的必要性、需求分析、建設目標、方案的合理性、投資估算的合理性、項目效益分析和風險分析等方面進行了提問。經座談、交換意見以及內部討論後，評估組認為：“散裂中子源是大型的多學科共用的研究平台，對國家科學技術的發展具有非常重要的推動作用，在中國建設散裂中子源非常必要也非常及時，建議儘快立項上馬。項目組經多年艱苦努力，深入細緻的工作取得了很好的成果，並且很好地反映在項目建議書上。專家組認為，項目建設的技術方案合理可行，符合中國國情，達到了評審要求。專家們對散裂中子源項目下一步工作的開展也提出了非常有益的建議。
2008年5月31日，CSNS二極磁鐵電源樣機在單網孔B鐵諧振網路上成功實現了滿負荷測試，載入電流1160+860sin(50 t)，其中直流1160安培，交流電流860安培，交流頻率為25Hz。在通電的過程，諧振系統工作正常，各部件承受了設計電壓。這是自2008年2月22日在諧振負載連線完成後首次實現滿負荷運行。二極磁鐵諧振電源系統是CSNS預研的重要攻關項目，這種套用在粒子加速器上的大功率諧振電源在我國首次研製成功，標誌著CSNS電源及磁鐵樣機研製邁出了關鍵的一步。
2008年6月5日，CSNS直線射頻系統與中國原子能科學研究院合作研製的串聯諧振脈衝高壓電源樣機經過專家測試組現場測試，其主要技術指標均已達到設計要求，諧振電抗器Q值大於350，在速調管陰極高壓66kV、高頻輸出功率380kW的情況下，電源整機效率達88%，工作穩定可靠，專家驗收組一致同意通過產品驗收。該項目是CSNS預研的重點項目，它根據我國射頻專家自主提出來的新型脈衝高壓電源方案，在國際上首次將傳統的電容電感串聯諧振原理與調製器（電子開關）相結合，為速調管提供脈衝高壓。它具有結構簡單、安全可靠、故障率低、便於維護等優點。目前這種新型方案國內外尚無採用同類設備結構的報導。其工藝難點在於，對電抗器電感量和電容器電容量精度要求很高，諧振電容器的正切損耗控制在0.04%，高Q值大功率電抗器的研製，其製作工藝十分考究。此研製項目屬開創性的研究工作，全部依靠國內的技術基礎和力量自主研發而成，這是CSNS直線高頻功率源研製工作的一個重要里程碑。
2008年6月17日，國家環保部組織的CSNS環境影響評價專家審評會在廣東省東莞市召開。來自環境保護部核安全與環境專家委員會、環境保護部安全管理司、環境保護部核與輻射安全中心、合肥同步輻射國家實驗室等單位的10位專家擔任審評組的評審，廣東省環保局、東莞市環保局、大朗鎮環保分局、廣東省產業發展研究院等單位列席。CSNS項目經理韋傑介紹了項目總體情況、科學意義與用戶需求、建設方案與關鍵技術等。項目環境影響報告書編制單位清華大學的劉原中教授報告了環境狀況及施工期環境影響分析、建設項目對環境的影響、輻射監測、輻射防護與安全管理、公眾參與等內容。與會專家對東莞市大朗鎮擬選場址進行了考察，並從場址地址、地震、劑量管理目標值、輻射源項等環境影響方面進行了提問，項目組進行了答辯。專家組認為：“報告書對建設散裂中子源的必要性、工程的特點及相關的環境影響作了比較清楚和系統的描述；報告書的格式與內容符合國家有關規定的要求，編制依據充分，評價目的明確，對環境影響因子識別和評價描述清楚，內容比較全面，滿足本項目環境影響評價的要求；該項目對環境的影響是可以接受的結論可信”。
2008年7月17-19日，亞洲未來加速器委員會第三屆強流質子加速器研討會（The 3rd ACFA-HPPA Mini-workshop）在高能所召開。來自日本J－PARC、韓國KAERI、高能所等科研單位40餘名代表參加了研討會。研討會意在交流強流質子加速器在亞洲的發展狀況、並希望通過討論進一步加強亞洲各國在該領域的合作研究。日本J-PARC、韓國KAERI和高能所的專家分別報告了各自的研究進展情況，並就LINAC運行調束、RCS環設計與預製研究、超導技術等議題展開了詳細的討論。與會代表就進一步研究合作達成共識，研討會取得了圓滿成功。目前，日本J-PARC調束獲得初步成功，將為中國散裂中子源的設計、建設提供更多的參考和經驗。與會專家參觀了CSNS關鍵設備預研成果。前兩屆研討會分別在日本KEK和韓國KAERI舉行。
2008年9月28日，國家發改委正式批覆散裂中子源（CSNS）項目建議書，該項目的總體科學目標是建成世界一流的中子散射多學科研究平台，並在項目建成後組建國家散裂中子源科學中心。
建設目標
CSNS的建設將涵蓋我國凝聚態物理、化學、材料等多學科領域套用的需要，同時兼顧生命科學、工業套用等領域研究的套用需求。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，隨著科學研究的深入，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，並且是開發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。
國際動態
近年來，隨著強流加速器技術的發展，百千瓦到兆瓦級束流功率的散裂中子源成為國際公認的、新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。20世紀後期，歐洲、美國、日本等已開發國家紛紛開始計畫、設計並建設新一代、功能強大的散裂中子源，其有效中子通量將比基於反應堆的中子源提高10-100倍。
美國的散裂中子源SNS位於橡樹嶺國家實驗室，總投資14億美元、設計束流功率為1.4 兆瓦。SNS經過7年建設於2006年4月28日產生出第一束中子，其升級工程同時啟動。總投資約18億美元的日本散裂中子源J-PARC正在建設中，建設周期約8年。其快循環同步加速器將提供1兆瓦的質子束流用於驅動散裂中子源。
英國已成功運行20餘年的散裂中子源ISIS（右圖）正在升級改造其質子加速器（投資約3億美元），並建設ISIS的第二靶站。亞洲鄰國南韓和印度，也正在積極籌建束流功率為百千瓦量級的散裂中子源：PEFP和ISNS。
