中国散裂中子源

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中国散裂中子源(CSNS)是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置,是位于国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。CSNS由中科院和广东省共同建设,选址于广东省东莞市,项目预计总投资为23亿元人民币。散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置,可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科发展。建成后,CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。
2018年8月23日,中国散裂中子源通过国家验收,投入正式运行,并将对国内外各领域的用户开放 [1]  。2019年9月26日,中国散裂中子源开始新一轮开放运行。 [2] 
中文名
中国散裂中子源
英文名
China Spallation Neutron Source
简    称
CSNS
创办时间
2011年动工、2017年前后建成
类    别
国家“十一五”期间重大科学装置
建设单位
中科院和广东省(东莞大朗镇)
预计总投资
22亿元人民币(CSNS项目)
前沿高科技
成为发展中国家第一台散裂中子源
美-日-英-中
世界四大脉冲散裂中子源

中国散裂中子源基本情况

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中国散裂中子源是我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首,是国际前沿的高科技多学科应用的大型研究平台。该项目总投资约23亿元,由中国科学院和广东省人民政府共同建设,将于2018年前后建成。建成后将成为中国最大的科学装置,在世界上是第三大散裂中子源装置,仅次于美日,是英国散裂中子源功率的4倍,构成世界四大脉冲式散裂中子源。
该项目将为我国在物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科前沿领域的研究提供一个先进、功能强大的科研平台。 [3] 
中国散裂中子源 [4]  (CSNS) [5]  将建在广东省东莞市大朗镇,广东省
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
人民政府首期将提供400亩装置用地和松山湖科技产业园区33亩生活用地及七通一平条件,同时广东省人民政府(包括东莞市)在项目建设期间共为中国散裂中子源项目及广东东莞散裂中子源国家实验室提供配套建设资金5亿元,由中国科学院负责承建。广东提供的5亿元经费用于CSNS配套设施、广东东莞散裂中子源国家实验室基础设施建设及人才引进等。CSNS选址在广东省,将充分利用广东省的经济优势,形成南北均衡的科研布局,提高南方各省在大科学装置上开展基础科学研究和工业研发的水平,进一步带动整个南方经济的发展。
项目法人单位中国科学院高能物理研究所具有建设大科学装置的丰富经验,成功建造了北京正负电子对撞机和我国第一台35MeV质子加速器,拥有一支可承担加速器理论设计、机械设计、设备安装、调试和运行的高素质的科研技术队伍,并在探测器等领域拥有国内一流的技术储备。共建单位中国科学院物理所已在中子散射的应用领域从事研究20余年,是国内中子散射重要的研究基地,积累了丰富的中子散射和以及相关的中子物理的知识和经验;靶站建设方面,中国科学院物理所还有一支由该领域老中青科学家组成的精干的队伍,通过前期预研工作,在靶站的关键技术方面取得了一系列重要成果。除此之外,CSNS项目还与国内其他相关研究单位和大学采取强强联合、优势互补的合作战略,已经有中国原子能科学研究院、中国科学院兰州近代物理研究所等多家单位加入到了合作行列,共同为CSNS项目的成功建设贡献力量。
装置建成后,为更好地实现开放和共享,年度运行计划将
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
在充分听取科技委员会和用户委员会意见的基础上审定,并由理事会监督执行。随着国家实验室的设立,基于装置的多学科研究中心和广泛用户群体,CSNS能够跟踪国际散裂中子应用领域最新实验方法和成果,自主研发,创新超越,充分利用装置的高性能和可升级性,为人类科学事业和社会进步做出贡献。
可以预见,CSNS装置的建成及运行必将对南方各省、全国以及东南亚地区产生长期、巨大的科学影响及社会、经济效益。

中国散裂中子源项目背景

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中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
先进的中子源是中子科学研究的基础。自1932年中子被发现以来,能产生高通量中子的中子源一直是科学家不断努力追求的目标。
高通量的中子源包括反应堆和散裂源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,在中子科学研究中发挥了巨大的作用。通常使用235U作为核燃料,每次核裂变产生一个有效中子,而释放180MeV的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出,才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制,反应堆中子通量在上世纪六、七十年代就达到了饱和。全球公认通量最高的中子散射研究用反应堆是法国的ILL(Grenoble),通量为1.5×1015/cm²/s。
随着科技的进步,相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等,尺度分布更大,获得数量在克量级的样品更为困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源散裂中子源应运而生。脉冲散裂中子源突破了反应堆中子源的中子通量的上限,正快速地向前发展。
散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置。通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应,每个高能质子可产生20~40个中子,每产生一个中子释放的热量仅为反应堆的约四分之一(~45 MeV)。从反应堆中子源发展到高通量脉冲散裂中子源,使中子探针的功能变得日益强大。

中国散裂中子源建设目标

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CSNS的建设将涵盖我国凝聚态物理、化学、材料等多学科领域应用的需要,同时兼顾生命科学、工业应用等领域研究的应用需求。建成后将在发现新型高温超导材料、形成氢离子运动的凝聚态物理新理论、DNA分子识别的纳米自组装、蛋白质相互作用等一系列领域有望获得重大突破。每年将有上千研究人员在散裂中子源利用不同的谱仪互相交流协调、启发借鉴,不同学科也有机会实现渗透、交叉,开辟新领域,创建新学科。工农业生产领域中的许多问题,如研究石油输油管线裂纹的成因、测量飞机涡轮的叶片与轮盘的焊接应力、研究大豆根系的生长等,也能在散裂中子源的帮助下解决。 [6] 
CSNS的建设过程中,将有大量技术难关等待中国最高水平的科研力量携手攻克。质子加速器、靶站、中子散射谱仪的建设,都涉及大量具战略意义的高技术。建设这样的大科学装置,能直接促进相关高科技研究和工业的发展,还能为我国培养和凝聚一大批高水平的科研人才和工程管理人员。 [6] 

中国散裂中子源建设内容

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CSNS建设包括:一台80MeV负氢直线加速器,一台1.6GeV快循环质子同步加速器,两条束流输运线,一个靶站,7台中子散射谱仪、辐射防护系统及相应的配套设施,随着科学研究的深入,未来中子反射谱仪将达18台。束流功率为100千瓦、脉冲重复频率25赫兹的CSNS脉冲中子通量设计指标超过目前世界上正在运行的所有散裂中子源,将为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合试验装置。 [7] 
中国散裂中子源设计效果图 中国散裂中子源设计效果图 [7]
考虑我国国情和科学技术发展的实际需要,12亿元人民币的投入、0.1兆瓦的设计功率,都只有美国SNS的十分之一。但在满足科研需求的关键指标——有效中子通量上,CSNS在构型和重复频率上采用了独特先进的设计,能达到美国SNS的五分之一,将位列世界第三,且这一排名至少可保持到2020年。而有效中子通量的保证,使CSNS届时能满足的研究需求是美国SNS的80%。
CSNS建成后,将与英国、美国、日本的散裂中子源相并列,成为世界四大主要脉冲散裂中子源科学中心之一,并且是发展中国家第一台散裂中子源,每年可接待上千名研究人员在不同的谱仪上展开研究。CSNS建设吸引了国际科学界的广泛参与,自2002年起,世界上该领域最知名的专家就被邀请参与中国散裂中子源的设计和相关研究。 [7] 

中国散裂中子源工程进展

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按照工程设计,散裂中子源项目建设周期6.5年,总投资22亿元,预计2016年进入试运行阶段,2018年前后建成,一期工程预计明年率先竣工。
2000年7月,中科院院长路甬祥访问英国时参观了英国的散裂中子源ISIS。ISIS平均每年用户达1500人,在近20台中子散射谱仪上开展700多个实验,建造ISIS的卢瑟福实验室每年发表500篇高水平的相关论文,早已成为世界级实验室。回国后,路甬祥即要求中科院论证我国建造散裂中子源的可行性,这样的大科学平台,对提高国家科技创新能力十分重要,中国太需要了! [8] 
2001年2月18-20日,根据路院长等领导的批示,中科院召开了主题为“21世纪中子科学的发展”的香山会议(第157次),会上介绍了国内外中子散射研究的进展, 并对在我国建设“散裂中子源”的设想进行了讨论。 [8] 
2001年5月8-9日, 中国散裂中子源研究第一次院士咨询研讨会召开,会议对建设“中国散裂中子源”的必要性进行了深入的讨论,建议对“中国散裂中子源”的先进性和可行性进行进一步的调研。
2001年8月26-27日, 中国散裂中子源研究第二次院士咨询研讨会召开,会议听取了中科院专家和海外专家的专题报告,通过了建设25Hz、100kW的中国散裂中子源CSNS方案。会后呈交了建造中国散裂中子源CSNS的项目建议书。
2001年12月31日,中科院路甬祥、白春礼等领导听取了物理所和高能所的汇报以及海外专家的评论,同意启动“中国散裂中子源CSNS”概念设计。经估算,散裂中子源在我国国内的潜在用户在1900个以上。 [8] 
2002年4月22-26日,第一届中国散裂中子源靶站和慢化器的国际论证会在北京举行,来自世界主要的几个散裂中子源的最高级科学家参加了会议。
2002年7月,中科院知识创新工程重要方向项目“多学科平台散裂中子源的关键技术的创新研究”启动(2004年7月结题)。
2003年4月,科技部国际科技合作重点项目“多学科应用的散裂中子源”启动(2004年5月结题)。
2004年7月26-31日,为了传授中子散射基础知识、培养潜在用户,物理所举办了第一届中子散射暑期培训班,注册人数达109名。
2004年8月4-6日,第一届散裂中子源多学科应用研讨会在物理所召开,180余名专家学者和研究生参加了会议。会议通过了项目组提出的第一期五台中子散射谱仪建设计划,有两家用户提出,在项目组资助少于1000万元的前提下自建2台谱仪。会议决定成立中子散射用户联盟,确定了用户工作条例。
2004年10月15-16日,在第25次中美高能物理合作联合委员会会议上,4项与散裂中子源相关的合作项目首次列入了中美高能物理双边合作计划。
2004年12月8日,物理所召开了“物理所散裂中子源用户研讨会”,会议决定成立“物理研究所散裂中子源用户专家组”,确定了用户专家组人员名单。 [8] 
2005年6月1日,中科院计划局组织了CSNS项目建议书专家评审会。由魏宝文院士等19位专家组成的专家组听取了项目组的总体报告及3个分报告。与会专家充分肯定了CSNS建设的重大科学意义,并认为项目建议书中提出的建造一台束流功率100kW、重复频率25Hz的散裂中子源的方案是综合考虑了用户需求、投资强度、建造周期以及技术难度提出的,符合我国国情。中科院组织物理所和高能所的相关力量,对方案设计及关键技术开展了三年左右的前期研究,为CSNS的建造打下了基础。考虑到国际上散裂中子源迅猛发展的态势和国内对散裂中子源越来越迫切的需求,CSNS应当按照国家大科学工程立项程序尽快立项。
2005年6月2日,中科院院长办公会同意将CSNS上报国家发改委,并决定在CSNS完成立项前提供3000万元经费进行前期预制研究。
2005年7月19日,国务院科教领导小组原则批准未来5年内建造9个重大科学装置,预计投入金额60亿元,其中CSNS造价为12亿元。
2005年7月27-29日,第二届散裂中子源多学科应用研讨会在物理所召开,170余位专家学者和研究生参加了会议。与会者对中子散射技术、谱仪及应用、CSNS的建设构想,以及中子散射应用在我国科学研究各领域中的广阔前景有了进一步了解。
2005年11月27日,中科院计划局和基础局组织召开了CSNS前期预制研究专家评审会,会议肯定了前期预制研究的重要性和必要性,同意启动CSNS预制研究。
2006年2月27日,中科院物理所的CSNS靶站谱仪工程中心(筹)挂牌。
2006年4月25-27日,CSNS加速器工程设计国际研讨会在高能所召开,全面评估了加速器各部分的工程设计。
2006年7月31日,第三届散裂中子源多学科应用研讨会在物理所召开。会议邀请了美国、日本、英国散裂中子源项目负责人介绍国际动态,并请用户对CSNS的性能提出要求,供改进总体设计和谱仪参数参考。
2006年8月3-4日,中科院召开了主题为“同步辐射中子散射交叉的前沿科学问题”的香山会议(第281次),参加者包括国内科研院所以及美国等20家单位的54名专家学者。会议重点讨论了同步辐射技术与中子散射技术的交叉、散裂中子源与反应堆中子源技术的交叉、同步辐射和中子散射技术与凝聚态物理、软物质与生命科学、成像与医学等科学领域的交叉等。来自不同领域的专家就充分发挥散裂中子源这一多学科应用平台作用各抒己见,达成了许多重要的共识,提出了许多很好的建议。
2006年11月12-15日, 由美国国家自然科学基金委、中国原子能科学研究院和中国科学院共同主办的第一届中美中子散射技术研讨会在北京召开。美国国家技术标准局、阿冈国家实验室橡树岭国家实验室布鲁克海文国家实验室洛斯阿拉莫斯国家试验室、德国的慕尼黑中子散射中心、哈迈和予利希研究所、英国卢瑟福研究所、法国的劳厄-朗之万里昂-布里渊研究所、日本质子加速器研究联合体、澳大利亚布拉格研究所、韩国原子能研究所、中国原子能科学研究院、中科院物理所、高能所、化学所、金属所、北京大学、清华大学等八个国家的实验室负责人、专家、学者、研究生共160余人参加了会议。
2007年2月13日,中科院与广东省人民政府签署了《中国科学院、广东省人民政府关于中国散裂中子源项目暨广东东莞散裂中子源国家实验室合作备忘录》,双方将共同向国家申请在广东省东莞市建设我国首台、世界一流的脉冲中子科学综合实验装置——中国散裂中子源,届时还将共同建设广东东莞散裂中子源国家实验室,以确保中国在中子散射科学领域的先进地位。
2007年2月,CSNS离子源研制取得新进展。作为预注入器的负氢离子源是整个散裂中子源装置的关键设备之一,它提供的束流流强直接影响到散裂靶上最终达到的流强。高能所通过消化吸收从英国ISIS获得的资料,自行设计和制造了负氢离子源核心部件Penning源,并在ISIS专家的指导和协助下进行了一系列测试。ISIS专家对于测试结果给予了热情的称赞和肯定。
2007年2月,CSNS主磁铁铝绞线及线圈试样研制获得成功。CSNS快循环同步加速器(RCS)中的主磁铁是由带直流偏置的25Hz正弦交流源激励,采用中空水冷铝绞线线圈是最有效的方法。高能所联合上海克林技术有限公司、兰州近物所科近泰基技术有限公司和合肥等离子体所聚能电物理技术有限公司分别研制铝绞线二极磁铁试验线圈。经过与多家铝导线生产单位的协作,国内有两家试制成功中空水冷铝绞线。三个合作单位研制成功的铝绞线线圈,经初步检测,性能指标均满足设计要求,解决了散裂中子源RCS环主磁铁研制中的一个核心问题。研制过程中所取得的多项技术和工艺,为国内相关技术的发展起到了推动和促进作用。
2007年4月25日,CSNS举行科学报告会,中科院院士方守贤、CSNS项目负责人韦杰等就散裂中子源的安全性、应用等作了报告。专家指出:CSNS基于新一代加速器,不需要核材料,其动力来自电能,其辐射控制在环保安全范围,是世界一流的安全装置。在散裂中子源附近居住一年,居民受到的辐射量仅相当于乘一次飞机。
2007年4月26日,广东东莞中子科学中心在松山湖科技产业园区正式挂牌,这标志着我国首台散裂中子源项目建设及东莞散裂中子源国家实验室正式启动。
2007年4月26-29日,“第十八届先进中子源国际合作会议”在广东东莞召开,约100名国外科学家、100多名国内科学家以及相关领域的专家、学者和工程师参加会议。这是先进中子源国际合作会议首次在中国举办,意义重大。
2007年5月1-3日,第一届CSNS项目国际顾问委员会评审会在高能所举行,这是CSNS工程建设中的一个重要的里程碑。CSNS参照国际惯例设立了国际顾问委员会(由国际科技顾问委员会、国际加速器顾问委员会及国际靶站谱仪顾问委员会组成)。顾问委员会委员均为国际和国内相关领域的知名专家,作为国内首座世界水平强流质子打靶设施,国际经验对于中国散裂中子源的建设极为重要。国际顾问委员会将在工程建设期间,对于工程建设和发展中的关键科学问题和技术问题定期提供评议和咨询意见,调动和发挥各方面的作用和积极性,确保工程的顺利进行。会议听取了总体及各个分系统的报告,对CSNS的整体方案和具体技术参数进行了全面评审,对总体指标、加速器及靶站谱仪均提出了方向性的建议,对下一步工作提出了具体的意见。
2007年7月6日,CSNS项目可行性研究工程地质勘察评审会在广东省东莞市大朗镇召开。参会单位有高能所、物理所、地质与地球物理研究所、东莞市市政府及该市发改局、规划局、科技局、财政局、环保局、建设局、国土局、松山湖高新技术开发区管委会、大朗镇政府。评审组由7名地勘专家及高能所、物理所代表共11人组成。中科院地质与地球物理所经过两个多月的勘察,完成了CSNS项目可行性研究工程地质勘察。专家组听取了该项目负责人的成果汇报,进行了现场考察和讨论,审查和评议了项目组提交的《CSNS可行性研究工程地质勘察报告》总报告、附件及相应图件。评审组认为,报告提出的预选场址适合作为散裂中子源工程的建设场地,且选择中等风化花岗岩或变质岩作为散裂中子源工程装置地基。该报告经必要修改后可作为开展下一阶段方案规划设计的依据性文件。
2007年12月2-4日,受国家发展和改革委员会的委托,中国国际工程咨询公司组织专家对中科院申报的《中国散裂中子源项目建议书》进行了评审。来自中咨公司、中国科学院、原子能科学研究院、中国工程物理研究院、清华大学等单位的14位专家担任评估组的评委。评估专家组听取了项目总体情况、科学意义与用户需求、建设方案与关键技术、土建工程、通用设施与环境保护、工程经费质量与进度管理等方面的汇报,并从项目建设的必要性、需求分析、建设目标、方案的合理性、投资估算的合理性、项目效益分析和风险分析等方面进行了提问。经座谈、交换意见以及内部讨论后,评估组认为:“散裂中子源是大型的多学科共用的研究平台,对国家科学技术的发展具有非常重要的推动作用,在中国建设散裂中子源非常必要也非常及时,建议尽快立项上马。项目组经多年艰苦努力,深入细致的工作取得了很好的成果,并且很好地反映在项目建议书上。专家组认为,项目建设的技术方案合理可行,符合中国国情,达到了评审要求。专家们对散裂中子源项目下一步工作的开展也提出了非常有益的建议。
2008年5月31日,CSNS二极磁铁电源样机在单网孔B铁谐振网络上成功实现了满负荷测试,加载电流1160+860sin(50 t),其中直流1160安培,交流电流860安培,交流频率为25Hz。在通电的过程,谐振系统工作正常,各部件承受了设计电压。这是自2008年2月22日在谐振负载连接完成后首次实现满负荷运行。二极磁铁谐振电源系统是CSNS预研的重要攻关项目,这种应用在粒子加速器上的大功率谐振电源在我国首次研制成功,标志着CSNS电源及磁铁样机研制迈出了关键的一步。
2008年6月5日,CSNS直线射频系统与中国原子能科学研究院合作研制的串联谐振脉冲高压电源样机经过专家测试组现场测试,其主要技术指标均已达到设计要求,谐振电抗器Q值大于350,在速调管阴极高压66kV、高频输出功率380kW的情况下,电源整机效率达88%,工作稳定可靠,专家验收组一致同意通过产品验收。该项目是CSNS预研的重点项目,它根据我国射频专家自主提出来的新型脉冲高压电源方案,在国际上首次将传统的电容电感串联谐振原理与调制器(电子开关)相结合,为速调管提供脉冲高压。它具有结构简单、安全可靠、故障率低、便于维护等优点。这种新型方案国内外尚无采用同类设备结构的报道。其工艺难点在于,对电抗器电感量和电容器电容量精度要求很高,谐振电容器的正切损耗控制在0.04%,高Q值大功率电抗器的研制,其制作工艺十分考究。此研制项目属开创性的研究工作,全部依靠国内的技术基础和力量自主研发而成,这是CSNS直线高频功率源研制工作的一个重要里程碑。
2008年6月17日,国家环保部组织的CSNS环境影响评价专家审评会在广东省东莞市召开。来自环境保护部核安全与环境专家委员会、环境保护部安全管理司、环境保护部核与辐射安全中心合肥同步辐射国家实验室等单位的10位专家担任审评组的评委,广东省环保局、东莞市环保局、大朗镇环保分局、广东省产业发展研究院等单位列席。CSNS项目经理韦杰介绍了项目总体情况、科学意义与用户需求、建设方案与关键技术等。项目环境影响报告书编制单位清华大学的刘原中教授报告了环境状况及施工期环境影响分析、建设项目对环境的影响、辐射监测、辐射防护与安全管理、公众参与等内容。与会专家对东莞市大朗镇拟选场址进行了考察,并从场址地址、地震、剂量管理目标值、辐射源项等环境影响方面进行了提问,项目组进行了答辩。专家组认为:“报告书对建设散裂中子源的必要性、工程的特点及相关的环境影响作了比较清楚和系统的描述;报告书的格式与内容符合国家有关规定的要求,编制依据充分,评价目的明确,对环境影响因子识别和评价描述清楚,内容比较全面,满足本项目环境影响评价的要求;该项目对环境的影响是可以接受的结论可信”。
2008年7月17-19日,亚洲未来加速器委员会第三届强流质子加速器研讨会(The 3rd ACFA-HPPA Mini-workshop)在高能所召开。来自日本J-PARC、韩国KAERI、高能所等科研单位40余名代表参加了研讨会。研讨会意在交流强流质子加速器在亚洲的发展状况、并希望通过讨论进一步加强亚洲各国在该领域的合作研究。日本J-PARC、韩国KAERI和高能所的专家分别报告了各自的研究进展情况,并就LINAC运行调束、RCS环设计与预制研究、超导技术等议题展开了详细的讨论。与会代表就进一步研究合作达成共识,研讨会取得了圆满成功。日本J-PARC调束获得初步成功,将为中国散裂中子源的设计、建设提供更多的参考和经验。与会专家参观了CSNS关键设备预研成果。前两届研讨会分别在日本KEK和韩国KAERI举行。
2008年9月28日,国家发改委正式批复散裂中子源(CSNS)项目建议书,该项目的总体科学目标是建成世界一流的中子散射多学科研究平台,并在项目建成后组建国家散裂中子源科学中心。
2009年10月19日至21日,受国家发展和改革委员会的委托,中国国际工程咨询公司组织专家在中国科学院高能物理研究所对《中国散裂中子源项目可行性研究报告》进行了评估论证。评估组由来自中国工程物理研究院、中国原子能科学研究院、兰州近物所、清华大学、北京大学、中国科学技术大学、中咨公司等单位的加速器、核物理、反应堆工程、基建、经费方面的13位专家组成。专家们在听取报告后,对项目建设目标和建设方案的合理性、投资估算的合理性、项目效益分析和风险分析及组织管理等方面进行了提问,经过答疑和讨论,何多慧院士代表评估组提出评估意见,认为散裂中子源项目组做了很多很好的工作,达到可行性研究报告要求的水平。专家组也提出了验收指标等方面的修改意见,在与项目组交换意见后,已经基本上达成一致。专家组认为,散裂中子源项目组承担了一个非常有挑战性的任务,异地建设是相当不容易的,但是此支工程建设队伍是久经考验的队伍,相信项目组能够完成工程建设任务,最终达到设计指标。
2009年10月底,高能所加速器中心为散裂中子源(CSNS)新研制的RCS四极磁铁旋转线圈测量系统实现了与四极磁铁样机、直流电源的联调,并进行了初步测量。数据分析结果显示,内、外线圈之间测量的磁中心与机械中心偏差小于0.04mm,4个线圈半径的中性面指标均好于设计要求,重复性测量精度好于1.0×10 ,反抵率达到130,优于设计要求值,为顺利完成磁铁样机的磁场测量奠定了良好基础。
2009年11月24日,散裂中子源项目部在广东省东莞市大朗镇召开了第一次地质详细勘察协调会。参加单位有高能所、中科院地质与地球物理研究所、中国科学院广州分院、大朗镇政府、韶关地质工程勘察院、广东省建筑设计研究院等。会议就地质勘察的方案、进度、技术及钻机进场情况进行了讨论。会议的召开标志着散裂中子源项目地质详勘正式开始。
2009年12月4日,中国散裂中子源经理部在高能所组织召开了CSNS/RCS注入凸轨磁铁脉冲电源样机测试、鉴定会。CSNS/RCS注入凸轨磁铁脉冲电源样机是中国散裂中子源的二期预研项目,在研制过程中管理规范,认真执行了各阶段的技术评审,高质量不超预算按期完成了预研工作。在研制过程中,高能所与合作研制单位密切配合,按周提供研制进度报告,严格控制进度,及时有效沟通研制过程中的技术问题,保证了研制工作的顺利进行。
2010年1月21日至23日,散裂中子源(CSNS)工程经理部在中科院高能物理所组织召开了第二届CSNS加速器技术国际顾问委员会(ATAC)评审会。来自英国RAL、美国ORNL和BNL、日本J-PARC及瑞士PSI的10位国际知名的散裂中子源加速器专家组成的ATAC专家组,对CSNS加速器的初步设计报告进行了评审。经过认真评审和讨论,ATAC专家组认为初步设计方案先进,为CSNS加速器的建设奠定了可靠的基础。CSNS项目高质量地完成了大量加速器预研工作。相信项目组能够成功地完成工程建设。ATAC专家组对直线加速器、快循环同步加速器、控制等各系统也提出了具体的建议和意见。
2010年1月25日,散裂中子源工程指挥部第一次会议在广东省发改委召开,散裂中子源工程指挥部总指挥、中科院高能物理所所长陈和生院士主持会议,副总指挥、广东省发改委副主任张军,广东省国土资源厅副厅长杨俊波,中科院计财局局长孔力,高能物理所副所长奚基伟,工程常务副经理马力等指挥部成员及广东省、东莞市、大朗镇的有关负责同志出席了会议。 会上,陈和生代表工程经理部向指挥部汇报了工程进展情况,奚基伟汇报了园区设计及勘探进展。本次会议就散裂中子源项目用地报批、场地平整及办理用地手续涉及的税费等问题进行了讨论。在省发改委、省国土厅的支持配合下,大部分问题落实了解决方案,为散裂中子源项目早日动工的奠定了良好的基础。
2010年4月23日,国家环境保护部批复《中国散裂中子源建设项目环境影响报告书》
2010年5月6日至8日,中国散裂中子源(CSNS)工程经理部在高能所组织召开了第二届CSNS中子技术国际顾问委员会评审会(右图)。来自美国的橡树岭国家实验室(ORNL)和散裂中子源(SNS),日本的高能加速器研究机构(KEK)和质子加速器研究设施(J-PARC),澳大利亚核科学与技术组织(ANSTO),德国于利希研究中心(Juelich)和瑞士保罗谢勒研究所(PSI)的8位国际知名的散裂中子源靶站谱仪方面的专家组成的中子技术国际顾问委员会(NTAC),对CSNS实验分总体所承担的靶站谱仪的初步设计工作进行了评审。经过认真评审,专家认为,CSNS项目组自2007年第一次国际评审会以来,开展了大量的设计和预研工作,并取得了重要进展。专家还从工程管理、靶站谱仪各系统的设计、运行和维护、以及用户等方面提出了非常具体的建议及意见。
2010年5月15日,来自中科院、广东省的专家对施工爆破方案进行了评审,认为施工及爆破方案可行,可以开始爆破施工。
2010年5月27日下午,散裂中子源(CSNS)经理部在中科院高能物理研究所组织召开了二期预研项目——潘宁表面负氢离子源实验平台的鉴定会。来自北京大学、中国原子能科学研究院以及高能所的专家组成的鉴定组,听取了前端系统负责人欧阳华甫研究员代表项目组所作的研制报告,并进行了现场考察、测试和鉴定。鉴定组认为,这是在国内首次研制成功的一台潘宁表面负氢离子源,达到的主要技术指标,具备验收条件。
2010年6月21日,中国散裂中子源(CSNS)经理部在中科院高能物理研究所组织召开了CSNS快循环同步加速器(RCS)注入水平涂抹凸轨磁铁样机鉴定会。来自中科院近代物理研究所及高能所的各位专家组成的鉴定组,听取了项目组的样机设计和研制总结报告,以及样机测试专家组的测试报告。经过提问和讨论,鉴定组对于样机的性能表示肯定,并同意测试报告的结论。
2010年7月26日,中国散裂中子源经理部在中科院高能物理研究所组织召开了散裂中子源快循环同步加速器(CSNS/RCS)引出冲击磁铁样机鉴定会。来自中科院近代物理研究所、上海应用物理研究所和高能物理研究所的11位专家组成的鉴定组,听取了项目组作的样机设计和研制总结报告,以及样机测试专家组的测试报告。经过提问和讨论,鉴定组对于样机的各项性能表示肯定,并同意测试报告的结论。
2010年10月21日,散裂中子源(CSNS)工程经理部在高能所组织召开了CSNS/RCS一期预研项目陶瓷真空盒性能样机鉴定会。来自中科院上海应物所、中科院兰州近物所、中科大合肥光源和中科院高能所的鉴定组人员听取了项目组的研制报告和测试组的测试报告,并进行了现场考察、测试和答疑。经认真讨论,同意通过鉴定。
2010年10月18日至22日,第10届散裂中子源国际材料研讨会于在京举行。 会议共有约70人参加,其中外宾45位,分别来自美国、日本、瑞士、德国、比利时、瑞典、立陶宛、法国、匈牙利等国家的从事散裂中子源及ADS方面研究的相关机构。来自中科院高能所、物理所、兰州近物所、等离子体所、固体所、中国原子能院、北京大学、北京科技大学等单位的国内相关专家也出席了会议。参会代表介绍了运行和在建的各散裂中子源装置的情况,就相关运行经验及发展建议等进行了讨论。会议还侧重讨论了高能质子环境下材料的辐照损伤、ADS相关材料问题特别是液态金属和结构材料的相容性问题、高功率散裂中子源靶面临的相关问题等,会议达到了预期的效果。这次会议对我国正在建设的中国散裂中子源和计划中的加速器驱动次临界系统的研究有很大的促进。
2010年11月12日,中国散裂中子源(CSNS)经理部在中科院高能所组织召开了CSNS二极磁铁励磁电源样机和谐振网络样机鉴定会。来自中科院上海应物所、中科院兰州近物所、中国原子能院和中科院高能所的专家听取了课题组的研制和测试报告,以及生产厂家的项目报告,并进行了现场考察和测试。经认真讨论,鉴定组认为,CSNS二极磁铁励磁电源样机和谐振网络样机性能达到了设计指标,满足了预制研究任务书的要求,同意通过鉴定。
2010年12月6日至8日,由中国散裂中子源(CSNS)项目组、中国原子能科学研究院、中山大学、中国高等科学技术中心联合举办的国家中子源多学科应用研讨会在珠海市成功召开。 参会的代表单位来自国内外18所大学和13个科研院所,会议代表共112人,其中院士3人。
2010年12月17日,散裂中子源(CSNS)工程经理部在高能所组织召开了CSNS/RCS铁氧体加载腔系统样机鉴定会。来自中国原子能科学研究院、中科院近代物理研究所、上海应物所及高能所12位专家组成的鉴定组,分别听取了由生产厂家和课题组作的研制总结报告,以及测试组的测试报告。
2010年12月31日,散裂中子源(CSNS)工程经理部在高能所组织召开了中子带宽限制斩波器样机鉴定会。来自清华大学、中国原子能科学研究院及CSNS项目组12位专家组成的鉴定组,分别听取了课题组作的研制总结报告以及测试组的测试报告,并进行了现场考察、测试和答疑。经认真讨论,鉴定组同意通过鉴定。
散裂中子源工程指挥部第二次会议于2011年1月10日在广东省东莞市大朗镇召开。会上,陈和生代表工程经理部向指挥部汇报了工程进展情况,东莞市大朗镇委书记尹锦辉汇报了征地、七通一平及大朗配合项目建设进展。本次会议就散裂中子源项目的工作重点及存在的问题进行了讨论。会议决定高能所继续推进预研、初步设计等工作;广东省发改委加快协调可研批复所需相关材料,推动国家发改委尽快批复可研报告;东莞市政府承诺解决边坡施工与绿化同步进行、加紧专用道路开工建设等问题,并大力支持和加快项目开工前在东莞的报建和审批手续。会议强调广东省、东莞市及中科院高能所将继续全力合作,加快进度,积极推进散裂中子源项目的建设,力争在2011年年中开工建设。
2011年2月24日,散裂中子源项目可行性研究报告获得国家发展改革委正式批复。项目法人为高能物理研究所,建设地为广东省东莞市大朗镇。该项目已列入国家高技术产业发展项目计划,项目总投资16.699亿元,建设期6.5年。该项目建成后,将成为世界一流的大型中子散射研究平台,满足我国多学科领域对中子散射的迫切需求。它将与我国已建成的同步辐射光源和先进反应堆等先进设施互相配合、优势互补,为生命科学、材料科学、化学、物理学等领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究手段,促进我国在重要前沿领域实现新突破,为在国际上取得一流的创新性成果提供重要的技术条件保障。它将与英国、美国、日本的散裂中子源相并列。
2011年2月24日,散裂中子源项目考察组一行14位人前往广州、深圳,对8家意向土建施工单位中的5家进行了实地考察。考察组成员包括散裂中子源项目相关负责人、国资处有关专业人员、高能所纪委、部分园区规划小组成员等。经过4天紧张有序的考察,考察小组不仅对施工单位的基本情况有了进一步认识,更通过对具体项目现场的实地考察,深入和客观地了解拟选施工单位项目部的管理水平,为最终施工队伍的选定奠定了良好的基础。
2011年2月25日,散裂中子源(CSNS)项目配套道路工程正式进场动工。
2011年3月14日,十一届全国人大四次会议表决通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》,散裂中子源工程被列入国家“十二五”规划的“科技创新能力建设重点”,为国家发展的宏伟蓝图增添了一抹亮丽的色彩。
2011年4月15日,中国散裂中子源(CSNS)经理部在中科院高能物理研究所组织召开了CSNS/RCS四极磁铁样机和磁测系统测试鉴定会。来自中科院上海应用物理研究所、近代物理研究所及高能物理研究所的多位专家组成的测试组和鉴定组,听取了项目组的四极磁铁样机和磁测系统研制总结报告。经过现场测试和提问讨论,专家对于磁铁样机和磁测系统的性能表示肯定,同意通过鉴定。
2011年5月4日,中国散裂中子源项目初步设计报告评审会在高能物理研究所召开,来自中国科学院、中国原子能科学研究院、清华大学等单位的32名专家,包括加速器、靶站谱仪研究领域的六位院士专家,听取了项目建设单位高能物理所对散裂中子源设计内容的介绍报告,并经过分组讨论和答疑,一致同意通过散裂中子源项目的初步设计及概算。2011年5月12日,中国科学院正式下发《关于散裂中子源国家重大科技基础设施项目初步设计及概算的批复》一文,同意散裂中子源项目的初步设计及概算。
2011年6月24日,散裂中子源工程科学技术委员会第一次会议在高能物理研究所召开,会议由工程科技委主任方守贤院士主持,中国科学院副院长詹文龙出席了会议,出席会议的还有工程科技委副主任魏宝文张焕乔、王鼎盛院士和科技委委员总共34名加速器、靶站谱仪和中子散射应用领域的国内著名专家,包括12名院士。会议听取了高能物理所所长、散裂中子源工程经理部经理陈和生关于工程总体进展的报告,以及物理研究所王鼎盛院士关于散裂中子源谱仪规划和用户概况的报告。与会专家对散裂中子源工程建设、谱仪规划和用户培养等方面的问题进行了热烈讨论,提出了许多建设性的意见。 [8] 
2014年10月15日上午,经过三年的施工,中国散裂中子源项目的第一台设备——负氢离子源在东莞“下隧道”安装,标志着该项目正式进入项目设备安装阶段,为2016年试运行打下坚实基础。 [3] 
2017年8月28日10时,在CSNS靶站谱仪控制室,科研人员紧张待命,作质子束流打靶前的最后准备。陈和生发出指令后,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶。10时56分,科研人员在靶站6号和20号中子束线分别测量到从两个不同慢化器输出的中子能谱,散裂中子源顺利获得中子束流。 [9] 
2018年3月25日,建在广东东莞的我国“十一五”国家重大科技基础设施——中国散裂中子源,按期、高质量完成了全部工程建设任务,并通过中国科学院组织的工艺鉴定和验收。“这是散裂中子源建设的里程碑,标志着工程建设已经全部完成,性能达到了预期要求。”中国散裂中子源工程总指挥、中国科学院院士陈和生在接受《中国科学报》采访时说。 [10] 
2018年8月23日,国家重大科技基础设施中国散裂中子源通过国家验收,投入正式运行,并将对国内外各领域的用户开放。 [1] 
2019年9月26日,中国散裂中子源开始新一轮开放运行。 [2] 

中国散裂中子源国内现状

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高通量中子源在我国有
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
近半个世纪的发展历程。1958年,我国建成第一座实验性重水反应堆,为我国原子能事业的发展打下了坚实的基础,赢得了国际同行的尊重,也同时也发展了中子散射研究。上世纪八十年代,我国中子散射研究得到快速发展,在中国原子能科学研究院建成了国内唯一的一个初具规模的热中子散射实验室,并建成了曾是亚洲地区唯一的液氢冷却的冷中子源。在这台装置上,通过与国内有关单位合作,在凝聚态物理、材料科学等方面做出了一批具有国际水平的工作,并在不少方面有所创新和突破,近十多年来共完成了200余项研究成果;例如,在声子圆偏振色散关系高温超导材料中氧原子位置、稀土永磁材料磁结构等方面做出了出色的工作,结果在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B等国际刊物上发表,为我国的热中子散射工作在国际上争得了一席之地。
进入二十一世纪,我国科学研究快速发展,越来越多的研究人员希望利用中子散射深化自己的研究。然而,我国研究用中子源发展相对滞后,高水平中子散射设施缺乏,技术发展缓慢,许多科学家转向国际合作,到国外的中子散射装置上做实验。为适应我国科学研究的发展,增强我国基础科学的原始创新能力,尽快建设我国的散裂中子源和相应的中子散射国家实验室势在必行。
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
中国原子能科学研究院正在建设的中国先进研究堆(CARR)已于2010年建成,它将成为亚洲主要的中子散射中心之一。如上所述,由于反应堆中子源的特点,CARR堆上进行的研究工作会有一定的局限。为了增加我国科技的整体竞争能力,在我国建设一台脉冲散裂中子源是十分必要的。散裂中子源与CARR堆两者各具特色,相互补充,共同为我国中子科学的发展贡献力量。例如,CSNS谱仪能同时测量大范围的动量能量变化,方便物质整体性能的表征,而CARR谱仪每次都测量某一特殊的动量能量变化点,适合物质某些特定性质的精确表征;CSNS的衍射谱仪将重点关注高动量转移的衍射数据,而CARR的衍射谱仪更有利于小的动量转移数据的测量;CSNS散射谱仪利用飞行时间相应的中子能量分辨,重点测量多晶态物质中基本元激发及相应的态密度等,而CARR的三轴谱仪利用单色能量的甄别,重点测量单晶物质中各种激发的色散关系等。除中子散射外,CSNS与CARR在其他研究和应用的领域内也各有优势。例如,CSNS有利于基于质子束、μ子快中子束的各项基础和应用研究以及核废料嬗变研究等;CARR堆则更有利于同位素生产、半导体辐照中子照相等。
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
高通量的散裂中子源是当前研究用中子源的主流发展方向,发达国家把它作为提高科技创新能力的重要举措之一,正在积极建设。我国科技水平和经济实力正在迅速提高,也迫切需要自己的散裂中子源这一多学科应用的大型综合性平台,为科学技术和经济建设的可持续发展提供强有力的支持。尽管散裂中子源在我国尚属空白,但部分相关技术在我国有不同程度的储备。高能物理研究所拥有35MeV质子直线加速器的建造和运行经验,可为散裂中子源的质子直线加速器的设计、制造、安装和调试提供经验和借鉴。强流质子加速器组经过5年的奋斗,成功研制了一台能量为3.5MeV的强流质子射频四极(RFQ)加速器,这是我国自主建成的第一台强流RFQ加速器,其束流工作比已达到了6%,主要指标位居世界前列。自上世纪80年代以来,我国的同步加速器技术取得了长足的发展。北京正负电子对撞机BEPC于1988年竣工,束流能量为1.0~2.5 GeV,已成功运行了近20年,现已完成升级改造;1989年,合肥国家同步辐射光源HLS建成出光,能量为800 MeV、平均流强达100~300mA。兰州重离子冷却储存环HIRFL-CSR也在2007年建成并达到验收指标。能量为3.5GeV的第三代同步辐射光源-上海光源SSRF已在2009年建成,并投入运行。上述同步加速器的设计和建造也可为我国散裂中子源的质子同步加速器的建设提供宝贵的经验。散裂中子源的中子散射谱仪通常使用的飞行时间技术,在我国反应堆的部分谱仪上也曾使用,其方法、技术和工艺均可借鉴。
CSNS是我国第一台散裂中子源。建造综合性能位居世界前列的CSNS,设计和技术上必然存在挑战,众多关键技术必须进行预制研究,研究成果也将为国际散裂中子源的发展做出重要贡献。CSNS的建设将广泛调研国际上散裂中子源的建设和运行情况,认真总结经验和教训,尽可能地采用先进和成熟的技术,确保建成后的CSNS达到设计指标。
中国散裂中子源(CSNS) 中国散裂中子源(CSNS)
CSNS将是发展中国家拥有的第一台散裂中子源,其脉冲中子通量将位居世界前列。在加速器、靶站和谱仪等各方面采用了一系列世界先进的设计和技术,束流功率为100kW的CSNS其有效中子通量将与英国卢瑟福实验室的散裂中子源ISIS所达到的水平相当,可以满足我国在多学科领域内对中子散射的强劲需求。
对中子散射而言,更高的中子通量在进一步减少实验所要求的最小样品量和缩短测量时间上具有优势。与兆瓦级的美国散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC相比,只有极小部分课题如超薄膜、快速反应和快速相变过程等不能在CSNS开展。CSNS设计的最小样品量在毫克量级,最短测量时间在分钟量级,能满足各学科90%以上的中子散射研究需求。
综上所述,投资仅为国际上兆瓦量级散裂中子源百分之十几的CSNS是符合我国国情的、能满足我国科技发展需要的、高性价比的大科学装置

中国散裂中子源社会影响

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2018年12月20日,中国散裂中子源当选为2018年度科技类十大流行语 [11] 
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