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質子同步加速器(RCS)中，在環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。

圖2.伴生質子束實驗平臺位置

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。準直系統實現了方形束斑的調制。目前采用連續可調方案，實現質子束斑尺寸在10 mm×(10~50) mm×50 mm之間連續可調。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境，因此需要設立一個真空樣品實驗區和一個大氣樣品實驗區。為了緊湊并節約預算，采用圓形真空罐和旋轉平臺搭建真空試驗區，真空罐后方搭建大氣樣品實驗區。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：

質子束參數指標能量范圍：10~80 MeV[>30 MeV情況下的能散(FWHM)<8.65%]束斑尺寸：10×10~50×50 mm2(連續可調方形束斑)質子流強：107~1010 p·cm-2·s流強監測：①CT提供降能前的實時流強數據;②末端法拉第筒提供樣品出流強數據;③二次電子監督器提供樣品前的實時流強數據;④活化片標定樣品位置流強。束線高度：1.2 m真空測試點：真空度≤10-3 Pa，測試工位5個;圓形真空罐內徑Ø0.8 m大氣測試點：空氣測試環境，遠程控制的樣品平臺實驗本底(20×20 mm2束斑)：<1.4E-4(中子)，<3.4E-5(伽瑪)

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