微观探秘的超级引擎 | 解码中国散裂中子源加速器

从原子认知到微观探索的难题

你知道人类是如何从对原子的模糊认知，一步步深入到原子核乃至更微小的粒子世界吗？这背后藏着一段充满探索与突破的科学历程。

早在上世纪初，卢瑟福的α粒子散射实验如同一场科学革命，让人类首次窥见原子内部的秘密：原子中心存在一个微小而致密的原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动；原子核带正电，电子带负电。这一发现像一把钥匙，打开了探索微观世界的大门，也让科学家们意识到，要了解更深层次的物质结构，必须不断突破观测的极限。

那么，当研究进入到20世纪中叶，物质结构的探索深入到原子核和粒子层次时，又面临着什么新的挑战呢？

# ONE

测不准原理：微观世界的能量密码

海森堡的测不准原理揭示：要分辨越微小的结构，所需探测粒子的波长必须越短。根据德布罗意关系式（λ = h/p），这等价于需要更高能量的粒子束。也就是说，研究的微观尺度越小，就需要使用能量越高的粒子。这就好比要用更锋利的“探针”才能刺探到更细微的结构，可随着探索目标越来越小，所需粒子的能量成几何倍数增长，原本用于研究原子结构的低能粒子源早已无法满足需求。科学家们开始陷入困境：没有高能量的粒子，就像在黑暗中摸索，根本无法看清微观世界的深层样貌。

这时，一种能人为制造高能量粒子的装置成为了科学界的迫切需求，没错，就是粒子加速器！它可以利用电磁场来推动带电粒子使之获得高能量。粒子加速器的发明，就像为科学家们配备了一把“超级手术刀”，能够“定制”任意能量的粒子束。

# TWO

科学重器的“体型密码”

你知道吗？粒子需要的能量越高，加速器的规模就必须做得越大。这是因为要让粒子获得更高的能量，就需要更长的加速路径或更强的加速电场，自然就需要更大的空间来容纳复杂的设备。正因如此，探索微观世界的大科学装置应运而生。

在中国东莞松山湖畔，便矗立着这样一座科技地标：中国散裂中子源（CSNS）。作为我国重大科技基础设施，它的占地面积相当可观，达到了约400亩（相当于45个标准足球场）。广阔的空间正是为了容纳其中复杂而精密的各类设备，尤其是核心的加速器系统。

加速器不仅是粒子物理、核物理等研究的关键设备，也为诸多学科交叉前沿研究提供了不可替代的先进平台。在粤港澳大湾区，中国散裂中子源每年稳定运行超5000小时，已完成了超过2000个科研课题，取得了一批重要科学成果。这一切科研成果的光芒，都源自中国散裂中子源那对永不停歇的粒子加速器双引擎。

# THREE

CSNS的双加速器组合

—— 质子束的“接力赛”

CSNS加速器系统主要由一台8千万电子伏的负氢离子直线加速器（Linear Accelerator）和一台16亿电子伏的快循环同步加速器/环形加速器（Rapid Cycling Synchrotron，简称 RCS）组成。

二者如同精密咬合的齿轮，共同完成负氢离子束和质子束从“起步”到“冲刺”的全程加速。它们的协作不仅是技术的结晶，更藏着科学家对能量效率与空间利用的深刻考量。

直线加速器——粒子的“起跑器”

直线加速器的核心任务是为质子束提供初始能量。其前端的负氢离子源（IS）是粒子的“发源地”，能为加速器系统提供满足后续设备加速所需的负氢离子束流。这些离子先通过高压电场被加速到1%光速（50keV），随后经过低能束流输运线（LEBT）的聚焦和包络调制后注入射频四极加速器（RFQ）。

离子束在RFQ内迎来第一次蜕变：首先被压缩成微束团，然后像冲浪一样按照射频电场的周期和相位被加速到8%的光速(3.0Mev)。离开RFQ的束流随即进入中能传输线（MEBT），这里的核心功能是通过聚焦和压缩束团，使之与下游的漂移管直线加速器（DTL）匹配，同时实现束流参数的测量。

漂移管直线加速器是直线加速器的“主力加速段”，其大型腔体的研制是装置的关键技术之一。负氢离子束流穿过漂移管中间的小孔沿腔体轴向运动，在漂移管之间的间隙处不断与高频电场相互作用，持续获得能量。值得注意的是，漂移管的长度会随粒子速度的增加而逐渐变长，这一巧妙设计确保了高频电场始终与粒子运动保持同步，让每一次“推加速”都精准高效。

负氢离子束流经多种设备加速至 81 兆电子伏后，在直线加速器末端注入区通过剥离膜时，外层电子被剥离，瞬间转化为带正电的质子，顺利注入快循环同步加速器（RCS），完成“第一棒”到“第二棒”的无缝交接。

快循环同步加速器——质子束的

“高速赛道”

中国散裂中子源快循环同步加速器是我国首台快循环同步加速器，周长228米，采用四折对称的超周期结构，由4个弧区和4个长直线段构成核心框架。

• 弧区：4 个弧区分布着各类磁铁及束流测量等设备，24台大型偏转二极磁铁、16个三合一磁铁组，48台四极磁铁组成了同步加速器的骨架、磁聚焦结构。偏转磁铁通过强磁场迫使质子束沿环形轨道转弯，像汽车方向盘；四极磁铁则像聚焦透镜，将质子束压缩成直径仅几毫米的致密束流。

• 长直线段：4个11米长的直线段分别安装束流涂抹注入横向束流准直系统、快引出和射频加速设备。其中，环高频加速系统由 8 台铁氧体加载同轴谐振腔组成，它们如同“能量补给站”，为注入到环中的束流提供加速所需的能量，并保证其纵向运动的稳定性。

质子束进入环形加速器后，在20毫秒内完成约2万圈的循环加速，能量从81兆电子伏飙升至 16 亿电子伏，速度达到光速的 92%。

这一过程中，束流测量系统如同加速器的“眼睛”，时刻监视束流的强度、位置、闭轨轨道和损失情况。各种设备在精密设计的束流诊断和控制系统的作用下，以 25Hz的重复频率严格同步工作，使得质子束流在超高真空束流管道中按照加速器物理学家们设计好的黄金轨道飞行。极少量的束流损失被严格限制在包裹厚屏蔽体的准直器区域，为设备维护提供安全保障。最终，由引出冲击磁铁将质子束“踢”出环形轨道运输至钨靶，引发散裂反应产生中子。

为何必须建造“直线+环形”双引擎？

读到这里，你可能会产生疑问：既然两种加速器都能加速粒子，为何 CSNS 要采用“直线 + 环形”的组合，而非单一结构？

这背后藏着科学与工程的平衡智慧。若只用直线加速器，要将质子加速到 16 亿电子伏，需要数公里长的加速腔，占地和能耗剧增，既不经济也不现实。若只用环形加速器，初始能量极低的粒子难以在环形轨道上稳定运动，频繁的转弯会导致大量能量损耗，且无法高效积累足够强度的束流。

而“直线 + 环形”完美互补，既控规模又保效率，是高功率散裂中子源的最优设计。

# FOUR

生活中的微观探针：藏在身边的加速器

其实，加速器并非只存在于大型科学装置中，它的“简化版”早已融入我们的日常生活，在工业、安检、医疗等领域默默发挥作用。

比如我们家中的老式CRT电视机，显像管里就藏着一个“迷你加速器”。电子枪通过电场加速电子，让高速电子束轰击荧光屏上的荧光粉，从而呈现出彩色画面。这正是利用了加速器的核心原理，只不过能量极低，仅几千电子伏。

在海关、机场的安检仪中，加速器的身影更为常见。安检设备里的X射线源，本质上是一种低能电子加速器，电子经电场加速后撞击金属靶产生 X 射线，从而穿透行李检测内部物品。这种加速器能量通常在几十到几百千伏，既能保证检测效果，又能控制辐射安全。

医疗领域也离不开加速器，像放疗用的医用电子直线加速器可加速电子至几兆电子伏，用射线精准杀灭癌细胞；PET-CT 所需的放射性同位素，不少也由小型回旋加速器加速粒子轰击靶物质产生。

这些生活中的加速器，虽没有CSNS大科学装置里的那般庞大，却同样遵循着“电场加速电子”的基本原理，用不同能量的粒子束，为我们的安全、健康和便利生活保驾护航。

精彩预告

探索微观世界永无止境！

本期我们深入剖析了CSNS中直线加速器与环形加速器的双引擎协作机制，还带大家认识了生活中那些“简化版”的加速器。

目前，中国散裂中子源的二期加速器升级工作正在稳步推进中，未来它将以更强大的性能助力科研突破。关于二期升级的更多精彩内容，我们将在后续推出专篇进行详细介绍，敬请期待。

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