中國散裂中子源(CSNS)現已建了伴生質子束實驗平臺(APEP)，為質子輻照相關的實驗研究提供條件。

CSNS一期工程利用一臺直線加速器(LINAC)將負氫離子加速到80 MeV，負氫離子被剝離成質子并注入到快循環(huán)質子同步加速器(RCS)中，在環(huán)形同步加速器中進一步加速到1.6 GeV后引出打靶，產生大量中子，將這些中子引出以開展科學研究。散裂中子源是基于中子應用的研究裝置，但是在建設之初也考慮到質子束流擴展應用，在直線末端預留了開展中能質子束應用研究的空間，如圖1所示。

圖1.CSNS裝置布局及伴生質子束實驗平臺位置

在散裂中子源正常運行的情況下，負氫離子在直線加速器中加速和傳輸過程中，負氫離子會與束流管中殘留的氣體分子相互作用，產生許多能量為80 MeV的質子，即伴生質子。在直線末端有三種電荷態(tài)的離子，即負氫(H^-)、氫原子(H⁰)和質子(H⁺)，經過末端分束二極磁鐵進行了三分束，負氫注入快循環(huán)同步加速器進一步加速，氫原子和質子分別進入到相應的廢束站。

目前，可以利用二極磁鐵切換方式，將束流引導伴生質子束實驗平臺，如圖2所示。伴生質子束實驗平臺主要用于質子輻照應用相關的實驗及測試研究，主要開展電子器件及集成電路的單粒子效應研究、半導體材料的輻照損傷效應和改性、加速器裝置的結構材料的輻照損傷、質子束的活化分析、質子照相、質子探測器的標定實驗研究等方向。

CSNS直線加速器伴生質子束線總長14 m，布局如圖3所示，沿束流方向上主要包括降能器、降流器、3個準直器、3個質子束窗以及2個實驗點。在束線末端放置一個廢束站，用于吸收實驗后的廢束。

圖3.CSNS直線加速器伴生質子束線布局

束窗主要是為了隔絕加速器和應用束線，避免應用束線暴露大氣操作而影響加速器的高真空環(huán)境。降流器主要作用是為了滿足不同類型實驗對束流流強測試需求，可以控制通量下降5個量級。降能器可以實現質子能量在10~80 MeV之間連續(xù)可調。為了滿足實驗上對束斑和實驗本底的控制，束線布置三套準直器，配合使用。準直器1、2、3共同決定了束斑尺寸大小、束斑均勻部分尺寸及束流的強度。準直器1、2作為主準直器控制實驗點樣品位置質子束流的強度和束斑尺寸，準直器3作為輔助準直器減少主束流周圍的束暈，降低本底。準直系統(tǒng)實現了方形束斑的調制。目前采用連續(xù)可調方案，實現質子束斑尺寸在10 mm×(10~50) mm×50 mm之間連續(xù)可調。三個準直距離引出口依次分別為：1.25 m、4.35 m、7.80 m。詳細設計可以參閱最近發(fā)表的文章《Physical design of the APEP beam line at CSNS》^[1]。

伴生質子輻照實驗平臺根據用戶測試需求，可提供多樣品、遠程控制的換樣平臺。由于低能質子對空氣敏感，部分實驗需要存在真空環(huán)境，因此需要設立一個真空樣品實驗區(qū)和一個大氣樣品實驗區(qū)。為了緊湊并節(jié)約預算，采用圓形真空罐和旋轉平臺搭建真空試驗區(qū)，真空罐后方搭建大氣樣品實驗區(qū)。真空樣品實驗點和大氣樣品實驗點分別位于9.1 m和9.6 m處，實驗終端如圖3所示。測試點主要的樣品參數為：

伴生質子束實驗平臺還可以進行航天器件輻照效應研究，為空間飛行器及設備的穩(wěn)定運行提供基礎的測試條件(圖4、圖5)。同時也可以為大型探測器的抗輻照性能研究提供測試條件，促進我國高性能抗輻照性能航天設備和探測器的技術進步。CSNS直線加速器伴生質子束線的優(yōu)勢在于高流強、供束時間長、每年可以提供近5,000 h的束流時間，它的建成將彌補國內中能質子束流時間的不足。

圖4.伴生質子束實驗終端現場

圖5.真空靶室內的樣品布置

目前，完成了用戶服務系統(tǒng)(https://apep.csns./)設計和開通。用戶可以網上遞交實驗申請。(質子中國 編輯報道)