在广东东莞郁郁葱葱的荔枝林里，坐落着一座世界级的“中子观测站”。它就是我国迄今为止已建成单项投资规模最大的大科学装置——中国散裂中子源（CSNS）。

大科学装置是国家科技基础条件平台的重要组成部分，它是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。像我们所熟知的天眼（FAST）、上海光源、高能同步辐射光源（HEPS）都属于大科学装置。

有人会问，我们为什么要建设散裂中子源这样的大科学装置呢？

国之重器

脉冲型散裂中子源，简单点来说，其实就是一种体积比较庞大的“超级显微镜”，用中子的散射来探测物质微观结构和运动的科研装置，在研究中子特性能力方面自然也杠杠的。

我们都知道，在这个世界上有很多用肉眼观察不到的事物，所以后来基于对世界进一步探索的需求，科学家们发明了光学显微镜，接着又发明了分辨率更高，能够观察到更小细胞和病毒的光学显微镜。在脉冲型散裂中子源发明之前，人们都习惯于用这两种显微镜去观察研究细菌、细胞等，这些用肉眼不可能直接观察到的微观世界。

而脉冲型散裂中子源则可以秒杀所有的显微镜，通过它观察到的世界也要更微观，甚至能够绝对清晰的观察到植物根部的一滴水是如何通过动作一点一点的运输到枝叶上的。那脉冲型散裂中子源，为什么能这么细微地探测物质微观结构和运动呢？

其实中子是一种完全不带电荷的粒子，它不是利用X光进行同步辐射的。每当物质的原子核和中子发生相互作用的时候，并不是所有的中子都能够从中间直接穿过，还有些中子在打算穿过原子核时会被弹飞，出现方向偏离的情况。这时脉冲型散裂中子源的谱仪就会发挥作用，及时捕捉到飞行轨迹，然后在反推出原子核的内部结构，方便科研人员进行研究。

比如科学家在做水下可燃冰研究的时候，因为深水下的压力太大，需要用很厚的容器壁，其中的氮、碳、氢等轻元素又比较不易捕捉，而能从中穿过的，并且对这些轻元素敏感的，可以让可燃冰结构清楚分辨出的就只有脉冲型散裂中子源了。

如今，我国脉冲型散裂中子源这种技术已经运用到了检测高铁飞机的安全性和治疗癌症等各方面。除此之外，在带动新型核能开发、国防科研、材料科学、物理学、化学、纳米科学、生命科学和医药等学科的发展上都有很大的作用。所以，脉冲型散裂中子源被誉为“国之重器”是当之无愧的。

探访中国散裂中子源设备

每年，中国散裂中子源都会放“暑假”——停机时间长达一个半月到两个月。这段时间，科研人员要给装置做“保养”。

中国散裂中子源是由国家发展改革委立项支持建设的国家重大科技基础设施，法人单位是中国科学院高能物理研究所。这个装置让中国成为继英国、美国、日本之后世界第4个拥有脉冲散裂中子源的国家。

好看：五彩斑斓的“黑科技”

散裂中子源常被比作“超级显微镜”，因为它能够用加速器加速质子打到靶上产生的中子，来探索物质微观结构。它的源头——加速器系统，像卧龙一般藏在地下。

地下17米，空调和新风系统让原本湿热的空气变得干爽。沿着亮绿色走道向前，人们能看见一个五彩斑斓的“黑科技”世界。

黄色的是可以让粒子“飞奔”起来的漂移管直线加速器系统，蓝色的是可以把粒子聚成一束的四极磁铁，红色的是可以让粒子以15度角“拐弯”的二极磁铁……

它们先是串成一条长串，之后又围出一个大环。长串部位是直线加速器，环形部位是快循环同步加速器。看似庞大、笨重的装备，安装精度要达到10微米到百微米级别，使得自然界微小的物质——质子能够按要求得到控制并加速。

一旦运行起来，每1秒钟，快循环加速器会像旅游大巴一样“接待”25波等待加速的负氢离子。每波负氢离子“上车”后，会转换为质子，并在0.02秒里沿着快循环同步加速器跑约20000圈，直到速度达到0.92倍光速。

接着，接近光速的质子束像“微型子弹”一样冲向重金属靶，金属靶的原子核被撞“碎”。科学家又用特殊装置把“碎片”里不带电的中子降速后，引入一台台谱仪中。

谱仪位于离加速器隧道不远的地方，同样五彩斑斓。

中国散裂中子源一期共建了3台谱仪，分别是有着绿色外壳的通用粉末衍射仪、小角中子散射仪，以及有着蓝色外壳的多功能反射仪。4年来，中国散裂中子源还与粤港澳大湾区高校、研究机构等合作建设了若干台谱仪，以满足全国及地方研究机构和企业的需求。

红的、绿的、蓝的、黄的……以靶站为中心，已经建成和正在建设的谱仪向四面伸展，让中国散裂中子源看起来像一朵绽放的七色花。

“我们的设备国产化率达到90%以上。”散裂中子源科学中心主任、中国科学院高能物理研究所副所长陈延伟告诉《中国科学报》，全国近百家合作单位完成了装置各项设备的研制与批量生产，许多设备达到国际领先或先进水平。

5000、97%、800、122%……

好用：超级显微镜的“超能力”

在中国散裂中子源，科研人员喜欢用数字说话。

最让他们自豪的一个数字是“5000”。在这里，时间不按年、月、日算，而是按小时算。“我们每年打靶提供中子束流的时间是5000个小时。”陈延伟说。

5000小时，意味着一年8700多小时里，中国散裂中子源大部分时间都在产生中子，开展实验。“国际上其他散裂中子源中，英国、日本每年的中子束流时间一般都在4000小时左右。”陈延伟说。

另一个让他们自豪的数字是“97%”。“2020年到2021年，我们的实际运行效率超过了97%，这是全球其他散裂中子源都无法达到的效率。”散裂中子源科学中心副主任、中国科学院高能物理研究所研究员王生说，实际运行效率是散裂中子源实际运行时间与计划运行时间的比值。数字越高，说明散裂中子源故障率越低，按计划运行的稳定性越好。

在描述中国散裂中子源的运行成效时，他们则喜欢用课题的数量来说明。“4年，中国散裂中子源开放运行8轮，共完成800余项课题，重点支持国家重大需求项目的机时。”陈延伟说。

面向世界科技前沿，他们开展了超级钢、分子筛吸附剂、量子材料等研究。

面向经济主战场，他们在高性能芯片、电池、材料、应力检测等领域，为钢铁研究总院、国电电力发展股份有限公司、中国石油天然气集团有限公司等高技术企业和研究机构提供了重要支撑。

面向国家重大需求，他们完成了航空航天发动机叶片应力测试，对“奋斗者”号焊接工艺进行验证。

面向人民生命健康，他们在2020年8月成功研制出我国首台具有完全自主知识产权的硼中子俘获治疗实验装置，并于今年7月底在东莞市人民医院开始安装。

好的数据和成果使用户像滚雪球一般激增。陈延伟介绍，目前，注册用户已超过3800人，2021至2022年度申请课题数同比增长了122%，课题申请的通过率为29%。

提功率、优性能、加终端、做交叉……

好谋：未来的“小目标”

日渐激增的机时申请和正在加剧的科技战，让中国散裂中子源的“升级”成为现实需求。

早在工程设计之初，科研人员就为装置升级预留了空间。正因如此，未来可以直接在一期工程的基础上升级改造。

陈延伟介绍，目前，中国散裂中子源已经完成一期全部设计指标。2020年2月，打靶束流功率达到100千瓦的设计指标，比原计划提前一年半；2022年2月，打靶束流功率达到125千瓦，超过设计指标25%，并且实现了稳定高效运行，大幅提高了装置性能。

提升打靶束流功率，会使装置在同等时间里产生更多中子，进而使实验时间缩短，样品分辨率提高。“就好比白天光线强时拍照，曝光时间会比晚上拍照时短，而且拍出来的照片也会更清晰。”陈延伟解释说。

科研人员未来的“小目标”之一，就是将打靶束流功率提升到500千瓦，让中子源变得更“亮”。

此外，散裂中子源科学中心副主任梁天骄介绍，中国散裂中子源升级改造后，有望覆盖用户需求的绝大部分领域，满足更多尺度结构和动力学表征，为多学科交叉研究提供更有力的支撑。

CSNS与真空技术

CSNS大科学装置的建造涉及众多学科，其中真空技术成为最重要的基础学科之一。下面我们根据CSNS各区段划分，系统的说明真空系统在该装置中发挥的重要作用。

根据CSNS物理需求，真空系统各区段工作压强分别为：

◆ IS和LEBT：2.0×10-3 Pa

◆ RFQ和MEBT：1.0×10-5 Pa

◆ DTL：1.0×10-5 Pa

◆ LRBT & RTBT：1.0×10-5 Pa

◆ RCS：5.0×10-6 Pa

1、 离子源和低能传输线（IS & LEBT）

离子源是加速器粒子的产生装置，CSNS选用加铯的负氢表面源-潘宁离子源。为了保证负氢离子（H-）束流的稳定产生，采用压电阀以25Hz的频率向离子源腔内注入10sccm（1.69×10-2Pa.m3/s）氢气，在离子源电磁场作用下将产生20mA的H-离子流。负氢离子从小孔引出，为了减小H-束流在真空中的剥离损失，动态真空度需要在2×10-3Pa左右。为了达到需要的真空度，离子源用二台2000L/s的分子泵抽气，每台分子泵配备一台8L/s的涡旋泵，动态真空可达到2.5×10-3 Pa。

低能传输线将离子源引出的束流匹配到下游的RFQ中，长度只有1.68m。LEBT真空管道的材料为304不锈钢，经过真空预处理后其表面放气量很小，因此它的气源主要来自离子源中的氢气。LEBT束流管道孔径较小，配备一台800L/s 的分子泵机组，可以通过差分方法来减小离子源氢气对RFQ 真空系统的影响。

2、 射频四极加速器（RFQ）和中能束流传输线（MEBT）

射频四极加速器用来对束流进行聚焦、聚束和加速，有效控制束流发射度增长和提高束流能量。它的加工精度要求高，焊缝多，调场复杂。RFQ腔体的材料为无氧铜，平均直径约350mm，由于腔体内特殊的四翼电极结构，流导非常受限。为了获得有效抽速，在RFQ的每个面上都有CF150法兰抽气孔，四个抽气孔并联在一起，用离子泵和分子泵同时抽气。采用3台1000L/s的离子泵和2台500L/s 的分子泵机组同时抽气，工作压强可小于1×10-5Pa。

中能束流传输线（MEBT）的功能是匹配束流到下一段加速器中，以减少束流损失。它由聚束腔、束流测量元件和真空部件等组成。MEBT真空管用不锈钢加工而成，全长3.03m，真空室内径基本为50mm，在特殊部位可根据束流的包络和磁铁的内径，采用变口径的真空盒。该段上的两个聚束腔由二台200L/s的离子排气，在束流测量设备上加装了二台100L/s的离子泵。

3、 漂移管直线加速器（DTL）

漂移管直线加速器加速效率高，漂移管中的四极透镜可为束流提供很好的聚焦，有效控制束流发射度增长。DTL由四个独立的物理腔组成，每个物理腔包含3个工艺腔，全长约为34m，腔直径为φ490mm。为了达到动态真空度小于1×10-5 Pa的要求，每个工艺腔安装二台1000L/s的离子泵，每套物理腔配置二套500L/s的分子泵机组。

4、 LRBT

LRBT输运线主线长约197 m，其主要任务是传输经过直线加速器（LINAC）预加速的束流到RCS注入剥离膜。另有通向三个废束站的分支输运线（LDBT），总长约42m。LRBT通过9个全金属气动插板阀分成9个区段，每个区段都配备相应的粗抽阀门和放气阀门，真空测量采用冷阴极真空规，同时部分区段还配有残余气体分析仪，以监测系统的运行情况。各个区段相互独立，当某一区段暴露大气或真空变差时可以手动或自动关闭这一区段阀门，以免其他区段受到影响。LRBT平均每6m 安装1台100L/s的离子泵，假定热为出气率1.33×10-11Pa.m3/s.cm2，用欧洲核子中心（CERN）开发的一个程序进行计算，得到5个区段的压强分布曲线，平均压力为5×10-6Pa。

5、 RTBT

RTBT输运线主线（从RCS引出束流到散裂靶窗）长约145m，其主要任务是传输从RCS环引出的高功率质子束流到靶站。另有一条通向废束站的分支输运线（RDBT），总长约37m。RTBT真空盒内径主要为168mm。RTBT共有6个全金属气动插板阀，把真空系统分成6个独立的区段。在靠近散裂靶的前25m处安装了DN200 快阀，一旦质子束流窗或用于远距离拆卸的充气波纹管密封装置漏气，可在40ms内关闭快阀，以免其他区段暴露大气。由于接近束流窗的前25m属于高放射区，工作人员无法接近，此区段在屏蔽墙内不安装真空获得和测量设备，整个区段用一台1000L/s的分子泵在屏蔽墙外排气。其他区段平均每6m安装1台200L/s离子泵，平均压强可达到8×10-6Pa。

6、 快循环同步环（RCS）

快循环同步加速器接受来自直线加速器的负氢离子，通过剥离膜转换为质子。首先，质子在RCS环中累积束流，以提高脉冲流强；然后质子被加速，能量由80MeV逐步提升到1.6GeV；最后，从环中引出高能量质子束流。

RCS全长约228m，通过8个全金属插板阀分成8个区段。每个区段配有预抽阀门和放气阀门，利用可移动分子泵机组预抽真空，对于长的区段用3台分子泵机组同时抽气。真空测量同样采用冷阴极真空规，部分区段配有残余气体分析仪，以监测系统的运行情况。RCS共安装了41台300～1000L/s离子泵，平均压力优于5×10-6Pa。

由于RCS中的二极、四极磁铁磁场快速变化，在二极磁铁和四极磁铁中的真空盒必须能够限制外界快速变化磁场在本身产生的涡旋电流，以免造成巨大的热损耗和磁场干扰。这些真空盒不适合用不锈钢、铝合金和无氧铜等金属材料制成，而由等静压成型的氧化铝陶瓷真空盒有高的强度、好的抗辐射能力和真空性能，对RCS二极磁铁和四极磁铁的真空盒来说是一个好的选择。

中国科学院高能物理研究所通过金属化法和玻璃粘结法分别完成了四极陶瓷真空盒和二极陶瓷真空盒样机的研制。经过测试，陶瓷真空盒样机的机械尺寸、抗拉强度和真空性能达到了设计指标。

作为国际上最先进的多学科交叉大型研究平台，CSNS将成为粤港澳大湾区正在建设的国家科技产业创新中心的核心单元，为基础研究、应用基础研究和高技术产业化提供强有力的研究工具，在新农业、医疗健康、新能源、新材料、电子信息等领域为解决国家发展战略中的若干瓶颈问题作出重要贡献。

文章来源： 光明网，太空记，iVacuum真空聚焦