東莞設施功率達原始設計的兩倍
位於廣東省東莞市的中國散裂中子源已開始以 200 千瓦束流功率為研究人員提供服務，是原始設計值的兩倍。中國科學院高能物理研究所於 10 月 24 日宣布，設施在近一個月的加速器調校後，於 10 月 20 日達成這項里程碑。
目錄
這項成果立即提升了設施的能力，目前有 11 台中子儀器開放使用者申請。這也讓研究團隊得以測試第二期工程（CSNS-II）所需的設備與運作方法；該計畫目標是將束流功率提高至 500 kW。
研究所表示，儘管提高功率，加速器專家仍降低了束流損失。讓更多粒子維持在預定路徑上十分重要，因為逸出束流的粒子可能將能量沉積在周邊設備，並增加維持穩定運作的難度。
最新工作不只涉及加速器。新型靶體 T8 於 9 月 25 日安裝並完成測試，其冷卻系統專為 200 kW 運作設計。維護團隊也檢修了研究人員用來分析材料的儀器。
對研究電池、合金、生物材料及其他樣本的科學家而言，實際效益在於能有更多中子抵達實驗。更強的中子源可更快取得有用測量結果，也能支援需要較小樣本或更精細觀察的研究。設施目前的功率已達原始設計的兩倍，但要達到第二期工程的最終目標，仍須進一步興建加速器。
質子束如何成為研究工具
CSNS 透過加速質子，並將質子射向靶體來產生中子。碰撞會透過稱為散裂的過程釋出中子。儀器會將中子導向樣本，並測量中子的散射情形。
科學家分析散射中子的方向、能量與動量變化，藉此推算原子的排列方式及其運動情形。簡單來說，這些粒子就像探針，能用來觀察普通顯微鏡無法看見的結構。
束流功率指質子束每秒傳遞的能量。提高功率可讓中子源產生更多中子，提供研究人員更多資訊。不過，單一實驗能獲得多少效益，也取決於所使用的儀器、樣本與測量方法。
研究人員可望獲得的效益
中國科學院高能物理研究所副所長、升級計畫總指揮王生，在第二期工程於 2024 年 3 月啟動時，說明了預期的科學效益。
「第二期工程完成後，中子源可同時產生更多中子，這意味著實驗時間可以縮短，實驗解析度也能提升，讓研究人員得以測量更小的樣本，並研究更快速的動態過程。」王生說。
測量時間縮短，可讓儀器騰出時間支援更多計畫。解析度提升，能讓研究人員分辨原本可能混在一起的細節；更快速的測量則有助於追蹤材料內部正在發生的變化。
這座設施目前已支援鋰離子電池、太陽能電池、航太元件、磁性材料、超導體、薄膜與高強度合金等研究。負責 CSNS 使用者實驗與應用工作的張俊榮，在第二期工程啟動時介紹設施工作內容，並列出上述領域。
這些研究主題都與實際問題息息相關。電池研究可檢視材料在使用過程中的變化；合金與航太元件研究則有助於了解內部結構如何影響性能。升級計畫也將拓展生命科學、藥物開發與觸媒設計方面的研究。
利用夏季停機配合施工
CSNS-II 團隊利用每年夏季停機期間安裝設備，盡量減少對排定研究工作的影響。這使工程安排相當緊湊：施工、設備測試與加速器調校都必須配合既有科學設施的運作。
最近一次停機期間，工作人員在直線加速器前端安裝並測試設備，完成所有固態調變器的安裝，並在快速循環同步加速器中安裝第三個磁合金腔。調變器提供可控制的電脈衝，腔體則有助於提供加速束流所需的能量。
直線加速器先讓粒子沿直線前進，再送入同步加速器；粒子在同步加速器內循環並進一步獲得能量。兩部分的設備必須協同運作，確保束流以符合要求的狀態抵達靶體。
研究所表示，CSNS-II 規劃的加速器設備目前都已安裝，超導區段除外。剩餘區段是將直線加速器束流能量提高至 3 億電子伏特（300 MeV）所需工程的一部分。
控制更高密度的束流
功率提高後，加速器調校也更為困難。設備設定的變化會與束流內部的作用力及其周遭環境交互影響，形成可能導致粒子群不穩定的條件。
其中一項挑戰是空間電荷效應，也就是帶有相同電荷的粒子彼此排斥。另一項挑戰是束流與加速器結構之間的作用，稱為束流阻抗效應。這些效應可能擾亂束流，並增加粒子沿途流失的數量。
加速器團隊調整升級後直線加速器的關鍵區段，包括射頻四極加速器（RFQ）與中能量束流傳輸段（MEBT）。這些區段會在束流進入下一階段前，對其進行整備、加速與導引。
研究所表示，大幅調整運作模式後，集體束流不穩定問題獲得解決。研究所也指出，束流密度指標超過國際上同類加速器所報告的最高水準。公告未提供該指標的數值，也未說明束流損失減少的幅度。
據報導，束流損失降低，代表計畫取得的成果不只是達到特定功率數字：團隊已證明，能在控制更多粒子的情況下，運作挑戰更高的束流。
新靶體與儀器維護
T8 靶體位於加速質子撞擊並釋出中子的位置。其冷卻設計適用於 200 kW 運作，新增的溫度監測系統則追蹤靶片的狀況。
束流功率提高後，熱管理的要求也更加嚴苛。T8 的測量資料將用於設計 CSNS-II 所需的更高功率靶體，讓工程師在設施進一步提升至 500 kW 前累積實際運轉經驗。
開放使用者申請的 11 台儀器也在夏季進行維護。作業項目涵蓋散射腔、斬波器、探測器與樣本環境，這些設備都會影響實驗的執行與測量方式。
斬波器控制中子脈衝中哪些部分能通過儀器。探測器記錄散射中子；樣本環境則讓科學家能在特定條件下研究材料，例如不同溫度。維護這些系統，可讓設施的實驗端做好準備，使用更強的中子源。
500 kW 計畫如何擴增研究能力
中國科學院高能物理研究所於計畫啟動公告中說明 CSNS-II 的規模。啟動會議於 2024 年 3 月 30 日在東莞舉行，公告所列施工期為五年九個月。
官方計畫將束流功率從 100 kW 提高至 500 kW，並將中子譜儀數量從 11 台增至 20 台。計畫也列出兩個新增實驗終端，其中一個供高能質子實驗使用。工程內容還包括使用者實驗室，以及新的儀器與終端。
譜儀從 11 台增至 20 台，代表新增 9 台，增幅約 82%。功率目標則是原始 100 kW 設計值的五倍。設施目前達到 200 kW，為計畫最終功率的 40%；不過，工程進度並非只取決於這項指標。
最新進度說明指出，工程約完成一半。建築工程於 9 月底完工；一台可在 2 K 下提供約 1 kW 冷卻能力的氦氣冷凍機，則於 10 月 15 日安裝完成。2 K 約為攝氏零下 271 度，是超導加速器系統使用的溫度。
升級工程的重要日期
CSNS 從最初的建設計畫邁入擴建階段，並在擴建期間持續支援使用者研究。以下重要日期呈現最新里程碑如何銜接這項長期工程。
- 2011 年：原始 CSNS 計畫動工，投資金額為人民幣 23 億元。
- 2018 年 8 月：設施開始運作。
- 2024 年 3 月 30 日：CSNS-II 啟動會議在東莞舉行，公告所列施工期為五年九個月。
- 最近一次升級工程期間的 9 月 25 日：T8 靶體完成安裝與測試。
- 9 月底：第二期工程的建築工程完工。
- 10 月 15 日：供 2 K 運作使用的氦氣冷凍機完成安裝。
- 10 月 20 日：經近一個月的束流調校後，設施達到 200 kW 里程碑。
- 10 月 24 日：中國科學院高能物理研究所宣布設施以更高功率服務使用者。
研究所指出，下一步加速器工程是將直線加速器束流能量提高至 300 MeV。近期試運轉累積的經驗，將為這項工作及後續升功率工程提供指引。
需求不只來自加速器
中國科學院高能物理研究所於 2024 年的啟動公告指出，自 CSNS 於 2018 年投入運作以來，已累計超過 6,000 名註冊使用者，完成逾 1,500 項實驗計畫。這些數字反映的是計畫啟動公告發布時的設施使用情況。
研究所表示，已完成的計畫中，有逾 100 項涉及來自香港、澳門、台灣及海外的使用者。使用者社群涵蓋能源、物理、材料與工程領域，因此對儀器使用時段及更多元的實驗條件都有需求。
負責使用者實驗與應用工作的張俊榮，在啟動會議上說明擴建需求。
「使用者需求不斷增加，CSNS 有迫切升級的必要。」張俊榮說。
第二期工程將從兩方面回應這項需求。更強的束流可加快部分測量工作；新增儀器則提供更多實驗設備與方法。對使用者而言，最終效益取決於兩者能否相互配合：既要有更強的中子源，也要有足夠的實驗能力，將中子轉化為研究成果。
重點整理
- CSNS 於 10 月 20 日達到 200 kW，並開始以原始設計功率兩倍的水準服務使用者。
- 研究所表示，經設備調校與運作模式調整後，束流功率提高的同時，束流損失也有所降低。
- 新型 T8 靶體及 11 台使用者儀器的維護，支援設施以更高功率運作。
- CSNS-II 目標為 500 kW，並將中子譜儀從 11 台增至 20 台，同時增設實驗終端。
- 超導加速器區段仍待安裝；下一步工程包括將直線加速器能量提高至 300 MeV。
- 擴建計畫旨在支援更快速的測量、較小的樣本，以及更多元的研究。
