中国散裂中子源（CSNS）加速器为散裂靶提供质子束，是整个装置的源头和基础。CSNS加速器采用了一系列先进技术，投资合理，运行可靠，综合性能处于国际先进水平。

CSNS加速器主要由一台8千万电子伏的负氢离子直线加速器和一台16亿电子伏的快循环同步加速器组成，研制难度大，挑战性高。同类加速器国际上可借鉴的经验匮乏，大量技术属国内首次研发，包括25Hz快循环大孔径交流谐振二极和四极磁铁、低能段静电斩束器、强流漂移管直线加速器、大孔径等静压陶瓷真空室、强流负氢离子源、宽带高重复频率铁氧体加载腔等。‍

加速器技术突破：

（1）CSNS设计和建造的射频四极加速器（RFQ）是一种在直线加速器低能端被国际上广泛采用的加速结构，它同时完成对束流的聚焦、聚束与加速，有利于克服低能强流束的空间电荷效应，极大地提高了束流品质。新近建成的美国、日本的散裂中子源均采用了这种加速结构，而较早建成的英国散裂中子源加速器也于近年建造了RFQ，替换原来的高压型加速器。

（2）CSNS在国际上首次尝试将静电斩束器安装在空间电荷中和的传输线上，关键性能指标超过美国和日本同类设备，达到国际前沿水平。所提出的串联谐振高压脉冲电源新想法，经过不断试验与改进，得到实践证实其可行性，现已用于CSNS直线加速器和清华大学的质子直线加速器射频系统中，使一种全新的电源方案在加速器上得到应用。

（3）CSNS快循环同步加速器中的25Hz交流磁铁在我国属首次研制，其间遇到了超乎想象的技术挑战，铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等都是以前经验之外的新问题。CSNS科技人员与工厂技师联合攻关，经过6年时间，改方案、换厂家，逐一攻破技术难关，终于靠自己的力量研制出合格的磁铁。针对磁铁磁场饱和，我们还创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题，其效果优于国外散裂中子源。

（4）不同于国内外大多数加速器，CSNS快循环同步加速器上的主磁铁真空室不能采用不锈钢等金属材料，而必须采用陶瓷，以避免涡流场和涡流发热。这种大尺寸陶瓷真空室技术要求特殊，生产过同类陶瓷真空室的国外公司向我们要价极高。我们决心自己研制，之前我国虽然有一些工业陶瓷生产能力，但主要还是精度要求不高的小陶瓷件的生产。CSNS科技人员同时与多个厂家合作，几年间通过反复多次研制，终于研制出了满足设计要求的样机，得知消息的国外公司大幅降低了报价。目前我国自己生产的陶瓷真空室在加速器上运行正常。

（5）高技术集成创新是加速器研制的重要特点。要把高精度电磁场、超高真空、高功率射频电场、高精密检测与高精度控制等多项先进技术集成在CSNS质子加速器装置之中，需要很高的技术攻关能力。例如，在强流质子漂移管直线加速器的研制中，国内首次实现大尺寸加速腔体内表面电镀高导无氧铜；整台腔体上有2000余道焊缝和密封口，真空度达到了10^-6Pa；制作并精确测量了国内最小孔径电四极磁铁的磁场特性；利用激光干涉仪校准激光跟踪仪实现漂移管的超高精度准直安装；自主研发了高精度电场测量及其调谐分析软件。在环形质子加速器束流位置测量（BPM）系统的信号处理电子学研制中，遇到了要求测量动态范围大、位置分辨率高、事例率高、信噪比高等多重挑战，为此，我们采用了多档放大增益自动切换、高采样率（250MHz）、高分辨率（14-bit ADC）设计，并采用数值积分求电荷的方法实现了系统的优化设计，投入使用后其结果达到国际同类产品的水平。

加速器原理与创新技术介绍

一、 粒子加速器基本原理

粒子加速器是探索物质微观结构与基本物理规律的核心科学装置，被誉为研究微观世界的“超级显微镜”。其核心原理在于利用高频电磁场对带电粒子进行加速，并配合精密磁场进行束流控制，使粒子获得极高动能并达到接近光速。

高能粒子束的应用主要分为两类：

物质结构研究：通过粒子对撞或打靶产生次级粒子（如中子），探测物质的深层相互作用。典型代表为散裂中子源（图1左）。

高亮度辐射源：利用相对论性粒子在电磁场中偏转产生的同步辐射光，广泛应用于材料科学、生命科学及纳米技术等前沿领域。典型代表为同步辐射光源（图1右）。

图1. 散裂中子源与储存环同步辐射光源布局

关键技术与协同

实现粒子束的精确控制依赖于多种技术的深度协同。首先，由离子源或电子枪产生的初始粒子束被引出并送入加速结构。传统高频加速技术通过在真空加速腔中激励高频电磁场，使粒子在特定相位下反复获得能量。图2展示了用于加速负氢离子的漂移管直线加速器（DTL）。

为维持束流的横向包络，输运过程中需利用极性交替的四极磁铁产生聚焦力，实现对束流尺寸的精密约束。

图2. 铁氧体加载高频腔和四极铁

注入与引出技术

加速后的粒子束可进一步注入环形加速器进行二次加速或存储。注入技术的优劣直接决定了环形加速器的束流强度与运行效率：

散裂中子源：采用负氢剥离注入方式，通过剥离膜将负氢离子转化为质子，巧妙克服了相空间密度限制，实现高效率注入；随后通过快速引出系统将高能质子束团精确导向靶站。

同步辐射光源：电子束被注入储存环。与中子源不同，为减小对循环束流的扰动，传统注入通常在横向相空间制造偏置。注入后的电子束在波荡器、扭摆器等插入件中受激辐射，产生高亮度、宽谱段的同步辐射光。

二、前沿技术演进

随着用户对束流性能要求的日益严峻，加速器物理和技术正经历深刻的代际变革。目前，由本部门主导的中国散裂中子源升级工程、强流固定磁场交变梯度加速器、南方先进光源正积极探索以下物理前沿和核心新技术：

1. 高功率强流质子加速器

得益于材料科学、生命科学、高能物理、核物理、工业、医疗及其它应用领域的强烈需求，脉冲型散裂中子源在最近二十年来取得了巨大发展。束流功率是散裂中子源最重要技术指标，目前中国散裂中子源束流功率是170kW。但根据当前国际上各大加速器实验室的发展规划，未来十几年提高束流功率至MW量级是高功率质子同步加速器的最主要发展趋势。本部门将聚焦中国散裂中子源加速器升级，将束流功率提高到0.5-1MW，大幅提高CSNS综合性能和国际竞争力。

图3.中国散裂中子源二期工程布局

2. 强流固定磁场交变梯度加速器

强流固定磁场交变梯度加速器是同步和回旋加速器的创新升级，是唯一可同时实现高能量、高功率、高重复频率，是先进粒子加速器发展的重要方向，展现出广泛应用前景，是我国新一代高精度核数据平台建设亟需攻克的核心技术，也是未来中国散裂中子源三期升级的重要候选方案。日本和欧洲已研制试验装置，美国也正式列入未来十年规划。本部门将聚焦强流效应这一制约束流功率提升的关键科学问题，完成原型样机研制，突破强流强流固定磁场交变梯度加速器理论体系和应用的关键瓶颈。

图4. 基于中国散裂中子源直线加速器注入器的强流固定磁场交变梯度加速器布局

3. 第五代新型光源

尽管第四代光源已极大提升了相干性，但在X-ray波段仍存在纵向相干性不足的问题。通过利用紫外波段激光对储存环束流进行能量调制，并将其转换为密度调制，可以在微观尺度（亚微米）实现粒子束的微聚束过程。这种超短束团结构可产生相干辐射，标志着光源技术向第五代相干光源的代际跨越。图5是基于南方先进光源设计的一种可能的第五代光源布局。

图5.一种可能的第五代光源布局

4. 紧凑化与智能化发展

现代加速器正向高性能、紧凑化、智能化方向全速迈进。

等离子体尾场加速（PWFA/LWFA）：利用等离子体中高达GV/m量级的超强电场实现加速，有望将数公里的装置缩减至实验室规模，是未来高能加速器的重要方向。南方先进光源计划设计一条基于激光驱动的尾场加速作为储存环的注入器，图6是LWFA示意图。

图6.激光驱动产生电子束的等离子体尾场加速示意图

人工智能（AI）赋能：在散裂中子源等装置上，基于机器学习的轨道自动校正、故障预测及运行参数智能优化已逐步开展，推动加速器由“人工调试”向“自主运行”迈进。

结语

粒子加速器技术正以前所未有的速度向更高能效、更高亮度及智能化演进。这些技术突破不仅持续拓展人类探索微观世界的认知边界，更在核医学、新材料、清洁能源等国家战略领域发挥着关键支撑作用。