中國散裂中子源強流質子加速器設計、研制及調試運行

王 生，傅世年，*，屈化民，張 旌，馬 力，董海義，董 嵐， 金大鵬，康 玲，康 文，劉華昌，李 健，李 曉，歐陽華甫， 齊 欣，孫 虹，沈 莉，唐靖宇，王慶斌，徐韜光

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803)

中子散射和X射線都是研究物質結構和動力學的強有力工具。X射線通過與原子核外的電子相互作用，而中子通過和原子核相互作用來研究物質結構和動力學。由于中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素以及非破壞性，使得中子散射成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一，在物理、化學、生命科學、能源環境等眾多學科領域中被廣泛采用。要利用中子做探針開展中子散射研究，必須有一個合適的中子源。反應堆中子源中子通量高，應用廣泛，曾是最好的中子源，但由于反應堆散熱技術的限制，使其最大中子通量受到限制。散裂中子源的出現則突破了反應堆中子源中子通量的極限。當高能量粒子，如高能質子轟擊重原子核時，一些中子被剝離，或被轟擊出來，這個過程稱為散裂。與裂變反應相比，散裂反應釋放的能量較低，但它可以將一個原子核打成幾塊，這個過程中會產生中子、質子、介子、中微子等，有利于開展核物理前沿課題研究和應用研究，且次生中子還會與臨近的靶核作用而產生中子，即核外級聯。在1.6 GeV的散裂反應能區，一個質子在打靶后大概可以產生20～30個中子，這是散裂中子源的基本條件。20世紀80年代起，由強流質子加速器驅動的散裂中子源，逐漸進入實際應用階段。其原理是利用高能強流質子加速器，產生800 MeV以上的高功率質子束轟擊重元素靶(如鎢或汞)，在靶中產生散裂反應。散裂中子源的特點是在比較小的體積內可產生比較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大幅擴展了中子科學研究的范圍。散裂中子源起步較晚，但發展很快。20世紀90年代，英國散裂中子源(ISIS)的有效中子通量超過了反應堆。之后，基于強流質子加速器的脈沖型散裂中子源得到快速發展，2000年前后，美、日相繼開工建設新一代MW級脈沖型散裂中子源。設計束流功率為1.4 MW的美國散裂中子源(SNS)于2006年建成；日本的強流質子加速器研究聯合裝置(J-PARC)于2009年正式運行，其能量為3 GeV的快循環同步加速器提供1 MW質子束流用于打中子靶產生短脈沖中子，同時作為高能質子同步加速器的注入器。已運行30余年的ISIS升級改造其質子加速器并建設第2靶站。位于瑞典的歐洲長脈沖散裂中子源(ESS)也于2014年動工，預計2027年建成。

我國于本世紀初提出了建設中國散裂中子源(CSNS)的建議，并于2005年列入國家“十一五”規劃，2011年11月開工建設，2018年3月按工期完成工程建設。CSNS是繼ISIS、SNS和日本散裂中子源之后，世界第4臺脈沖型散裂中子源?？紤]到投資規模和當時的用戶需求，CSNS一期的質子束流功率設計指標為100 kW，但在設計中保留了升級到500 kW以上束流功率的能力。CSNS由1臺80 MeV負氫直線加速器(H-Linac)、1臺1.6 GeV快循環質子同步加速器(RCS)、束流傳輸線、1個靶站和3臺譜儀及相應的配套設施等組成。CSNS加速器產生高能質子轟擊重金屬鎢靶，通過原子的核內級聯和核外級聯等復雜的核反應產生高通量的中子，經慢化后用于開展中子散射研究。中子與樣品作用后，通過圍繞樣品的譜儀收集被散射的中子，經過對散射后中子能量、動量和位置等參數進行分析，得到樣品原子/分子的位置及動力學信息。本文介紹CSNS加速器的設計、關鍵技術、束流調試及運行情況。

1 CSNS加速器設計

為實現百納秒級短脈沖打靶束流，散裂中子源加速器通常采用較低能量的直線加速器加快循環同步加速器組合，或全能量直線加速器加累積環組合。對束流功率為百千瓦量級的裝置，前者造價更低，且易于保留功率升級空間。CSNS采用80 MeV直線加速器加1.6 GeV快循環同步加速器的方案，在一期100 kW設計方案的基礎上，通過預留直線加速器能量升級空間，保留了束流功率升級到500 kW的能力。CSNS裝置構成如圖1所示。

加速器決定整個裝置的主要性能指標，其運行穩定性決定了整個裝置的運行效率。在加速器設計中，既要保證裝置的先進性，也要兼顧運行的可靠性，同時要滿足CSNS未來的升級需求并盡可能降低成本。表1列出了加速器的主要參數[1-2]。

直線加速器由前端加速器和漂移管直線加速器(DTL)主加速器組成。前端加速器主要包括H-離子源、低能束流輸運線、射頻四極加速器(RFQ)和中能束流輸運線。離子源引出的50 keV H-經RFQ加速到3 MeV，經過中能傳輸線(MEBT)匹配到DTL主加速器，加速到80 MeV。圖2為CSNS直線加速器結構示意圖，表2列出了直線加速器主要參數。

圖1 CSNS裝置構成Fig.1 Structure of CSNS

表1 CSNS加速器主要參數Table 1 Main parameter of CSNS accelerator

圖2 直線加速器結構示意圖Fig.2 Schematic layout of CSNS linac

1.1 H-離子源與低能傳輸段

負氫離子源是加速器的起點，離子源用于產生負氫離子束，其關鍵是能提供高流強、低發射度的H-離子束，經直線加速器加速后，通過剝離變為質子注入到環中進行累積與加速。CSNS一期采用技術成熟的潘寧表面離子源[3]，發射度和峰值流強可滿足100 kW運行的要求。低能傳輸段(LEBT)要將來自離子源的束流匹配引入到RFQ中，同時根據同步加速器注入時要求的束流時間結構對束流進行脈沖化切割，設計中還需考慮控制低能束的發射度增長和盡量減少束流損失[4]。根據潘寧負氫離子源狹縫引出束流的非對稱特性，在LEBT中采用三螺線管的磁聚焦結構和靜電斬束器的方案。三螺線管的聚焦結構可將潘寧表面負氫離子源引出的非對稱性束流與RFQ所需要的對稱性接收度進行匹配。

表2 直線加速器主要參數Table Main parameter of CSNS linac

圖3 CSNS RCS的注入束流時間結構Fig.3 Time structure of injection beam for CSNS RCS

CSNS RCS的注入束流時間結構如圖3所示。為產生這樣的時間結構，一般在LEBT采用預斬束器，在MEBT采用快斬束器滿足快上升沿的要求。在CSNS中，國際上首次在LEBT中通過靜電斬束器實現了快斬束[5]，束流上升時間小于15 ns，達到了MEBT中快斬束器相同的水平，不僅大幅降低了成本，也使MEBT的磁聚焦結構可以更均勻，利于控制發射度增長。

為了最大限度地利用低能傳輸線的空間電荷中和效應，靜電斬束器安裝在RFQ的入口。斬束器采用非平行、不等寬的雙靜電板結構來減少負載電容和所需的斬束電壓，從而減少斬束束流的上升/下降沿時間。為了在線測量低能束流傳輸線的束流傳輸效率及發射度，在LEBT的出入口及中間分別安裝束流變壓器(ACCT)和雙縫掃面發射度測量儀。為了減少束流發射度的增長，在設計時需充分利用空間電荷中和效應及盡量縮短LEBT的長度。

1.2 射頻四極加速器

RFQ集聚焦、聚束與加速功能為一體，是強流加速器低能段的首選，能有效控制低能強流束的發射度增長，降低束流損失，且其尺寸特別緊湊。通過RFQ聚束作用產生的束團，在其后的加速結構中的加速相位上可得到繼續加速。RFQ由四翼型腔體、射頻功率源系統及其低電平控制系統、真空系統、水冷系統、束流測量系統、準直支架系統等組成。CSNS RFQ[6]的長度為3.62 m，由兩個物理腔構成，物理腔之間通過共振耦合單元鏈接；每個物理腔則由兩個工藝機械腔組成，機械腔通過法蘭連接形成一個物理腔。CSNS RFQ共裝有48個圓柱型調諧器，調諧器均勻分布在RFQ的4個象限，實現RFQ的調諧、調場。RFQ工作四極模與相鄰四極模之間的頻率間隔，模擬結果大于3 MHz，實測結果小于模擬值，大于2 MHz，無需使用二極模穩定桿也能保證工作四極模與相鄰二極模之間的頻率間隔。

RFQ初始的RF電場分布相對偏差在+20%～-15%之間，遠不能滿足RFQ對RF電場分布平整度好于±3%的要求。利用RFQ專用調諧、調場軟件，經過調諧和調場，RFQ RF電場分布的平整度已從初始很大偏差收斂到約為±2.5%的水平，滿足RFQ動力學對RF電場平整度的要求。

1.3 中能束流傳輸線

MEBT用于將來自RFQ的束流匹配引入到DTL中，并控制束流發射度的增長。由于在LEBT中實現了快斬束，在MEBT中未設計斬束器，使得MEBT的結構緊湊、聚束更均勻。MEBT的長度為3.065 m，包括10塊四極鐵(其中6塊裝有導向線圈具有導向功能ST)、2個聚束腔(Buncher)以及若干用于束流測量的束測元件，其包括6個位置測量(BPM)、1個發射度測量(EM)、2個流強測量(CT)、5個能量測量(FCT)、4個束流剖面多絲(PR)。MEBT元件布局如圖4所示，其中Q為四極磁鐵，GV為門谷，DR為漂移空間。采用TRACEWIN多粒子模擬程序對15 mA束流在MEBT傳輸過程進行了模擬，結果顯示束流RMS發射度在x、y、z3個方向的增長分別為10%、5%和20%。

1.4 漂移管直線加速器

DTL[7-8]將3 MeV H-離子加速至快循環同步加速器的注入能量(80 MeV)。DTL的加速結構設計包括加速單元設計和腔體分段設計。在加速單元的設計中，主要目標是高分路阻抗Z、大渡越時間因子T以及低擊穿表面電場。圖5為有效分路阻抗(ZTT)和Kilpatrick系數隨粒子速度的變化。

圖4 MEBT元件布局Fig.4 Layout of MEBT

圖5 有效分路阻抗(a)和Kilpatrick系數(b)隨粒子速度的變化Fig.5 Shunt impedance (a) and Kilpatrick coefficient (b) vs particle velocity

為了獲得大的有效分路阻抗，在低能區不同腔段設計了不同的腔體及漂移管的幾何尺寸。在加速單元設計的基礎上，采用PARMILA程序設計了這臺DTL，各腔的主要設計參數列于表3。設計中采用30 mA流強和80% SUPERFISH程序計算的分路阻抗計算功率損耗，以計入實際腔更大的腔耗。每腔的功耗基本相同，分別由1臺2.5 MW的速調管提供射頻功率。為了使加速場保持穩定性，受各種機械誤差和束流負載的影響小，各腔中安裝耦合桿穩定器。由于第1腔單元間隔較小，適宜每間隔1個單元安裝1對交錯相對的耦合器，其他腔中可在每個單元上安裝交錯相對的耦合器。在第1腔中，耦合器同時還起到調諧場的作用。

DTL的粒子束流動力學設計既可采用FDFD磁聚焦結構，也可采用FFDD聚焦結構。在CSNS一期調試運行中，采用了FFDD磁聚焦結構。采用TRACE3-D程序對DTL的磁聚焦結構進行了注入束流的匹配，PARMILA程序模擬給出的束流在DTL中傳輸的模擬結果表明，束流很好地與光學結構相匹配，橫向與縱向發射度增長很小。圖6為漂移管半徑與束流在加速器中的均方根rrms和最大包絡rmax，可看出，由于足夠的橫向聚焦，束流的包絡很小，漂移管半徑是束流均方根半徑的4.3～9.3倍，是束流全部粒子包絡的2.4～4.5倍。

表3 DTL各腔的主要參數Table 3 Main parameter of DTL cavity

圖6 漂移管半徑與束流在加速器中的 均方根和最大包絡Fig.6 Radius of drift tube, RMS and maximum beam size

1.5 快循環質子同步加速器

RCS將經過直線加速器加速的80 MeV H-離子束流通過剝離注入進行積累并加速到1.6 GeV[9-11]，然后引出打靶。強流同步加速器一般采用超周期的對稱結構，以減小低階結構共振的影響。超周期數越多，結構共振的影響越弱。考慮到實際磁聚焦結構中對消色散長直線節的需求，強流RCS一般采用3或4個周期的超周期結構。CSNS RCS采用了4折對稱的超周期結構設計。圖7為RCS環的磁鐵布局和1個超周期的Lattice參數。

CSNS RCS磁聚焦結構方案具有以下特點：1) 四折對稱結構，使各區功能相對獨立，束流準直系統可單獨安排在1個獨立直線節；2) 在弧區中間的兩塊二極磁鐵中間保留較長的直線節，該處水平色散函數Dx大而水平包絡函數βx小，較好地滿足了動量準直設計要求；3) 在每個超周期的消色散區域，形成1長2短的直線節結構，滿足了對直線節的不同需求，同時使Lattice具有很高的消色散直線節/周長比；4) 不穿越臨界能量；5) 大的動量接受度；6) 有大的工作點選取范圍，可避免工作點穿越或靠近低階結構共振線；7) 采用Triplet結構，有效降低了二極磁鐵氣隙高度，利于降低磁鐵及電源系統造價。

圖7 CSNS RCS環的磁鐵布局(a)和1個超周期的Lattice參數(b)Fig.7 Magnet layout of CSNS RCS (a) and Lattice parameter of super-period (b)

環周長為227.92 m，4個超周期中，每個超周期結構又關于弧區中心點鏡像對稱。每個超周期包括4組Triplet聚焦結構，全環共16組。弧區中間的兩塊二極磁鐵之間為動量準直留有3.5 m直線節，但動量準直只占用4個超周期中的1個，其余3個直線節可用于放置較長的束測元件，也可根據需要在束流功率升級時放置諧波數為4的雙諧波腔?；^兩側單元的二極磁鐵與相鄰的直線段Triplet單元形成兩個較短的、每段3.8 m長的消色散直線節，直線段兩個Triplet之間形成長11 m的消色散長直線節。注入及引出分別占用1個11 m長的直線節，橫向準直系統占用1個11 m長的直線節和1個3.8 m長的直線節，其他直線節用于放置高頻腔，包括為功率升級需要的諧波數為4的雙諧波腔的預留空間，部分有特殊要求或較長的束測元件也將放置在這些消色散的直線節中。

全環48塊四極磁鐵共分為5族，采用5套獨立電源供電。RCS上還設計安裝有校正二極磁鐵、校正四極磁鐵、用于色品校正的六極磁鐵以及各類束流測量設備、注入引出設備、高頻設備及束流準直設備等。表4列出了RCS環的主要參數。

表4 RCS環的主要參數Table 4 Main parameter of RCS ring

CSNS采用H-剝離雙向涂抹注入，單圈快引出。H-剝離方法避開了Liouville定理的限制，可以不因多圈注入而增加束流發射度。對于重復頻率很高的高功率強流質子同步加速器或累積環，H-剝離是目前最為可行的注入方式，也被世界上其他同類加速器普遍采用。同時，通過在一定的環接收度范圍內對注入束流進行相空間涂抹，可減小橫向電荷密度，并得到合適的束流分布。相空間涂抹注入對于減小環中的空間電荷效應影響，增加累積流強及減小束流損失是非常重要的環節。

RCS每個脈沖中要累積高強度質子束流，注入系統尤其是發射度涂抹方案的設計十分關鍵。涂抹方法可以通過快速移動循環束流凸軌的方式來實現，也可以通過在注入輸運線上進行注入點掃描來實現。前者一般采用4塊凸軌磁鐵進行一個方向的相空間涂抹；后者一般需要2臺掃描磁鐵，雖不占用環中的空間但易受注入條件的影響，且質子穿越剝離膜的次數較多。RCS注入系統的設計在水平和垂直兩個方向上均采用移動凸軌的涂抹方案。

環的磁聚焦結構在每個超周期中提供了1個長為11 m的直線節，這樣的直線節對注入系統的設計非常有利。利用其中的1個直線節可完成注入系統磁鐵的布局，如圖8所示，其中，BH為水平涂抹磁鐵，BV為垂直涂抹磁鐵，BC為固定凸軌磁鐵，ISEP為切割磁鐵，Str為碳玻璃膜。兩對水平凸軌磁鐵和兩對垂直凸軌磁鐵用于進行涂抹注入，而中間的兩對水平偏轉磁鐵則在注入階段提供附加的固定凸軌量。對固定量凸軌磁鐵，理想的情況是在注入結束后迅速下降到零，以減少剝離膜的質子穿越次數和盡量保持環的對稱性，但由于磁場快速下降過程中的渦流效應，要求必須采用陶瓷真空盒，而這部分真空盒結構復雜，因此，在CSNS RCS設計中采用了DC型的固定凸軌磁鐵。DC型固定凸軌磁鐵帶來的注入完成后的剝離膜穿越次數問題，可通過在水平涂抹凸軌磁鐵上增加1個偏置量來解決。固定凸軌軌道高度會隨著束流能量的提高而降低，對Lattice對稱性的擾動可以接受。在一個長直線節內容納所有的注入元件，使得注入系統的設計幾乎不受環磁聚焦結構的影響。

圖8 注入系統元件布局Fig.8 Injection elements layout

束流加速到1.6 GeV后引出打靶，CSNS RCS采用單圈快引出的方法，在每一個加速周期結束后，一次性引出環中能量為1.6 GeV的兩個束團。CSNS RCS的引出系統采用了8塊垂直偏轉沖擊磁鐵加1塊水平Lambertson型切割磁鐵的設計，元件布局如圖9所示。為了保證束流無損引出，沖擊磁鐵的脈沖梯形磁場頂寬保持550 ns 以上，上升時間須快于265 ns。因為磁場的上升時間很短，束流孔徑要求又比較大，所以不能采用金屬真空盒或鍍膜陶瓷真空盒作為束流管道，而是將磁鐵整體放入大的真空箱內。為保證上升時間要求，沖擊磁鐵選擇鎳鋅鐵氧體塊(Ni-Zn ferrite blocks)制作磁鐵鐵芯。脈沖磁鐵峰值磁場為550 Gs，對應的峰值電流要求達到6 kA。

圖9 引出系統元件布局Fig.9 Extraction elements layout

2 關鍵技術

CSNS加速器是國內第1臺中高能強流質子加速器，從2006年開始，開展了大量的關鍵技術預研[12-20]，包括：直線加速器H-離子源是國內首次研發；首次提出并在LEBT實現快斬束；首次在DTL腔筒上采用電鍍技術替代國內尚不成熟的電鑄技術；首次研制成功400 Hz交流串聯諧振式脈沖高壓電源等。快循環加速器的磁鐵和電源需工作在25 Hz諧振工作狀態，圖10為1個循環周期的磁場變化過程?？焖僮兓拇艌鰧Υ盆F、電源、真空盒、加載高頻腔等都提出了全新的技術要求。

圖10 RCS 1個磁場循環周期Fig.10 One magnetic field cycle of RCS

經過5年多的預研，解決了RCS關鍵的技術難題，包括：解決了25 Hz諧振工作狀態下的鐵芯散片和線圈開裂問題，研制成功諧振二極磁鐵和四極磁鐵；國內首次研制成功懷特諧振電源，提出了諧波補償的新方法，使動態磁場的控制精度達到國際領先水平；研制成功等靜壓成型的具有高強度、強抗輻射能力和良好真空性能的氧化鋁陶瓷真空盒；研制成功高梯度鐵氧體加載高頻腔系統；研制成功快引出沖擊磁鐵及電源等。

3 束流調試

CSNS的束流調試工作于2017年正式開始，首先調試DTL的1～3物理腔，并于2017年4月，束流成功加速至61 MeV。2018年1月，DTL成功實現80 MeV/15 mA束流出束。通過對MEBT束流進行縱向與橫向匹配，有效抑制了DTL中束暈產生和束流損失，DTL的傳輸率提高到99.5%以上。CSNS RCS調束于2017年5月開始。首先以61 MeV注入能量進行RCS調束研究，并于2017年7月7日成功將束流加速至1.6 GeV。2018年1月18日RCS在80 MeV注入能量下實現累積并加速到1.6 GeV。2018年8月通過國家驗收，并于9月份正式開放運行。在開放運行中，經過幾次調試優化，束流功率于2020年2月達到指標100 kW，并于2022年2月進一步提高到125 kW。

直線加速器分兩段安裝和調試。首先開展了MEBT和DTL-1的調束，于2016年1月，18 mA的H-離子束流到達臨時廢束站，束流通過率約100%。調束使用的束流脈寬為100 μs，重復頻率為1 Hz。隨后，開展了高功率實驗，使用的束流脈寬為500 μs，切束率為50%，由于臨時廢束站的功率限制，使用的重復頻率為5 Hz。2016年11月，DTL第2物理腔調束成功。2017年4月，DTL第3物理腔調束成功。2018年1月，DTL第4物理腔調束成功。通過飛行時間法測得DTL出口能量為80.34 MeV，與設計值80.09 MeV相對偏差小于<0.5%。同時通過優化橫向匹配實現了直線加速器100%通過率。圖11為DTL各腔的相位掃描結果，其中實線為測量結果，點線為模擬結果?？煽闯?，模擬和測量結果吻合較好，相位精度較高。

快循環同步加速器調束是加速器達到設計指標的關鍵[21-23]，束流調試分為不加速的直流模式調試和加速到1.6 GeV的交流模式調試。在直流調束模式下，用響應矩陣測量了四極磁鐵的實際磁場梯度，其與設定的理論值的比值定義為四極磁鐵的誤差因子。測量結果表明，四極磁鐵誤差因子最大值僅為0.62%，實測工作點和名義工作點的差異小于0.003。表5列出了5族四極磁鐵的實測磁鐵參數和在線模型相比較的誤差因子。在直流模式下標定了定時，測量并校正了光學參數，開展了注入涂抹磁鐵的標定和注入軌道匹配。

a——DTL 1腔；b——DTL 2腔；c——DTL 3腔；d——DTL 4腔圖11 DTL 1～4腔的相位掃描結果Fig.11 Phase scan of DTL cavity 1-4

表5 通過束流測量得到的5族四極磁鐵的誤差因子Table 5 Fudge factor for five families of quadrupole

圖12 DCCT測量的流強曲線Fig.12 Current curve measured by using DCCT

在交流模式調試中，由于磁飽和、渦流效應等因素引起的加速過程中二極磁鐵與四極磁鐵間磁場偏離給定正弦曲線而引起額外的動態磁場跟蹤誤差。通過諧波補償，CSNS RCS四極磁鐵與二極磁鐵間磁場跟蹤誤差從2.5%減小到0.1%以內。RCS交流模式調束在低流強下完成了線性參數測量與校正，即軌道校正、磁鐵與高頻頻率曲線匹配、工作點校正等。通過前期精確的模型設置和校正，在低流強下的束流調試進展順利，只用了2 d時間，即實現了1.6 GeV設計能量的加速，束流通過率100%，圖12為1.6 GeV束流第1次100%通過時DCCT測量的流強I曲線。

在RCS高功率調束中，限制束流功率提高最重要的因素是空間電荷效應、束流不穩定性等集體效應引起的束流損失。在束流功率增加到50 kW以上時，出現空間電荷引起的較大的發射度增長和束流損失，同時發現了束團的相干振蕩現象。這是限制束流功率進一步提高的主要問題。為解決這兩個問題，主要采取了以下方法：1) 優化工作點；2) 利用垂直涂抹磁鐵的上升沿，在反相關涂抹框架下實現了相關涂抹；3) 優化聚束因子；4) 優化色品校正。工作點對空間電荷效應引起的發射度增長和相干振蕩都有重要的影響，在調束過程中通過注入和引出點不同的工作點設置，間接控制1個循環周期中的中間工作點變化，如圖13所示。注入階段工作點設置為(4.81，4.87)以減小空間電荷效應引起的束流損失，加速過程中逐步將工作點降至(4.77，4.77)以抑制不穩定性。結合色品校正，較好地抑制了高功率下的集體不穩定性。

圖13 兼顧空間電荷效應 和集體不穩定性的工作點調控Fig.13 Tune manipulation taking into account space charge effect and collective instability

在反相關涂抹方式下，經歷幾輪優化后，發射度增長引起的束流損失難以得到很好的控制，根據實際參數進行的模擬研究顯示，相關涂抹可更好地抑制發射度增長。在反相關涂抹設計的框架下，提出了利用垂直涂抹磁場的上升沿實現反相關涂抹，如圖14所示，并在調束中實現。通過相關涂抹優化，發射度增長引起的束流損失得到明顯抑制，結合聚束因子的優化，順利實現了100 kW束流功率的設計指標，并通過進一步優化總體參數，使束流功率提高到125 kW。

自2018年9月份CSNS正式開放運行，每年均安排一定時間進行束流調試，不斷提升束流功率，并根據運行情況不斷對硬件系統進行改進。束流功率、開放機時和運行效率不斷提高，在2021—2022運行年度，束流功率達到125 kW，用戶運行時間超過5 200 h，運行效率超過97%。用戶運行時間和運行效率均達到世界上同類裝置的最好水平。圖15為CSNS加速器束流功率的歷史曲線。

a——相關涂抹對應的電流曲線；b——垂直方向利用涂抹磁鐵磁場上升沿實現相關涂抹對應的電流曲線圖14 利用反相關涂抹實現的相關涂抹Fig.14 Realization of anti-correlated painting based on correlated painting scheme

圖15 CSNS加速器束流功率的歷史曲線Fig.15 Historical beam power evolution

4 總結

CSNS強流質子加速器是我國第一臺中高能強流質子加速器，工程于2011年9月正式開工建設，于2018年3月通過測試，達到驗收指標，按預定工期成功完成了工程建設。在2018年9月裝置正式開放運行后，在運行中間按計劃安排調束，束流功率不斷提升，2020年2月份，比計劃時間提前一年半達到設計束流功率100 kW，束流達到設計指標調試時間遠少于國外同類裝置。束流功率在2022年2月份達到了125 kW，并穩定運行。

作為用戶裝置，CSNS正式開放運行后，運行穩定可靠，供束時間和加速器供束效率不斷提高，長期保持在94%以上。在2021—2022運行年度，用戶運行時間超過5 200 h，運行效率超過97%，用戶運行時間和運行效率均達到世界上同類裝置的最高水平，為高水平的科研產出提供了重要保障。

CSNS二期工程項目已列入國家“十四五”計劃，將把打靶束流功率提升5倍至500 kW。由于RCS環能量固定、重復頻率固定，功率的提升完全源自于流強的提升。為避免空間電荷效應引起的束流損失，需要采用超導腔將直線加速器的能量提升到300 MeV，并同時在環中增加磁合金加載的二次諧波腔。目前，加速器升級的設計方案和關鍵技術的預制研究已基本完成。

CSNS從提出建議到成功建設歷時近20年，幾代科研人員，近200名研究人員與技術人員全程或分時段參與了加速器方案設計、預制研究、加速器建造與調試運行，對CSNS的成功建設做出了卓越的貢獻，在此向所有參建人員和關心幫助CSNS工程建設的人員表達衷心的感謝。