1、 总体科学技术方案
为达到 100 kW 的束流功率， CSNS 采用较低能量的直线加速器加快循环同步加速器设计方案。对束流功率为百千瓦量级的装置，它比全能量直线加速器加储存环组合（如美国的 SNS ）结构的设计方案造价更低，并且易于升级。
CSNS 的方案设计吸取了当前国际上加速器、靶站和谱仪技术的最新成果，其指标具有国际先进性，将在世界上占有重要地位。 CSNS 设计有效脉冲中子通量达 2.0×1016 /cm2 /s ，超过目前世界运行的英国的 ISIS （ 0.8×1016 /cm2 /s ），美国 IPNS （ 7.5×1014/cm2/s ）和 LANSCE （ 5.0×1015 /cm2 /s ），约为美、日新一代兆瓦级散裂中子源设计指标的 1/5 。脉冲重复频率选择为 25 Hz ，可大幅提高有效长波中子通量和每个脉冲内的中子利用效率（对于大多数中子谱仪， 100 kW/25 Hz 中子源的有效脉冲中子通量和 200 kW/50 Hz 的相当），有利于生物、化学大分子和分子团簇的研究；所选择的谱仪，包括高通量粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪，能够满足大部分生命科学、材料科学、纳米科学、物理学、化学等多学科领域前沿发展对散裂中子源的不同需求。为了使这台装置长时间保持在国际上的先进地位，满足日益增长的多学科用户的研究和应用的需求，装置的设计保留未来进一步提升束流功率和增加谱仪数量的余地。
2、 系统构成及建设内容
根据 CSNS 系统构成，装置建设的主要内容包括：一台 H- 直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和 3 台谱仪。与这些主要装置配套，还需建设装置建筑物、供水、供电、空调、辐射防护设施等。
图1 给出了 CSNS 系统构成示意图。其中，离子源（ IS ）产生的负氢离子（ H- ）束流，通过射频四极加速器（ RFQ ）聚束和加速后，由漂移管加速器（ DTL ）把束流能量进一步提高，负氢离子经剥离注入到一台快循环同步加速器（ RCS ）中，使束流达到最后能量 1.6 GeV 。从环引出后质子束流经传输线打向钨靶，在靶上产生的散裂中子经慢化，再通过中子导管引向谱仪，供用户开展实验研究。
2.1 加速器系统
加速器是散裂中子源的基本部分，它决定整个装置的主要性能指标，也是投资的主体，其运行稳定性决定了整个装置的使用效率。因此，在加速器设计中，遵循以下原则：
⑴ 装置的先进性：将在加速器设计中采用一系列已证明可行的新技术，使 CSNS 建成后处于国际先进散裂中子源的行列。
⑵ 运行可靠性：作为一个用户装置，加速器必须有很高的可靠性，以保证用户的正常使用和足够的开机时间；同时要控制束流损失 ，以保证损失粒子所产生的放射性不妨碍对机器正常的维护。
⑶ 经费合理性： 作为一项大科学工程和多学科研究平台，需要较大投资和较多的运行费，加速器的设计，在满足要求的同时，必须 尽可能降低造价。
⑷ 具有升级能力： 使装置在建成后可根据需要，有进一步升级，提高束流功率的能力。
在加速器构架选择上，确定采用低能量直线加速器加快循环同步加速器的组合结构，对于百千瓦级的束流功率，造价比全能量直线加速器加储存环组合（如美国的 SNS ）结构更低，并且易于实现升级。
CSNS 加速器的主要创新点和特色有： DTL 部分采用较高频率（ 324 MHz ）的射频功率源，而不是传统的 202 MHz ，有利于加速较高峰值电流的束流，同时缩短直线加速器（ LINAC ）的长度和减少造价。环拟采用成熟的铁氧体加载腔技术，可以满足稳定运行的需要；环磁铁由于采用先进的内冷绞线技术，无需大的工程改动即可进行未来的升级改造。
2.2 靶站
靶站是散裂中子源中将经过加速器加速的高能质子脉冲入射重金属靶体，通过散裂效应产生大量中子，并用慢化器将其慢化成适合中子 散射用的慢中子脉冲的设施。为中子散射谱仪 提供了 18 条中子孔道 。靶站是将高能质子脉冲转化成适合中子散射 用的慢中子脉冲的转换器，它的散热和抗辐射损伤等关键问题是进一步提高散裂中子源的中子通量的难点所在。 表2 给出了靶站系统的组成。
表2 靶站系统组成
靶系统 |
含靶体、重水冷却系统、轨道维护车 |
慢化器系统 |
含水、液氢、液体甲烷 慢化器及其低温和冷却系统 |
反射体系统 |
含铍反射体、重水冷却系统、反射体结构 |
氦容器系统 |
－ |
屏蔽体系统 |
含屏蔽体、 18 个中子束流孔道及其开关装置 |
控制系统 |
－ |
遥控维护系统 |
－ |
2.2 谱仪
中子散射谱仪是用于中子散射实验的装置，是散裂中子源应用的最主要部分，是整个工程成败的关键之一。
根据目前国内用户需求和国际相关领域的发展及经费状况， CSNS一期拟建设高通量粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪，共计三台。2004 年以来，在每年召开的散裂中子源多学科应用研讨会暨 CSNS 用户会上，谱仪设计小组均向潜在用户报告了谱仪的选型和概念设计研究进展，上述三台谱仪的选型和关键设计指标都获得绝大部分用户通过和支持。同时，许多用户还反复强调了除谱仪本身设计先进外，还要重视样品环境设备如高温、低温、磁场、压力等的建设。 2002 年 4 月 21 － 26 日在中科院物理所召开的靶站设计国际评议会还对初步选型的谱仪工作进行了评价，对 CSNS 选择建设上述三台谱仪给予了肯定。评议专家认为所选择建设谱仪用户量大，覆盖面广，可确保早出成果，而且技术相对成熟，是合理的选择。评议专家也建议通过用户会议来征求多学科用户的意见，逐步增加谱仪的数量，充分发挥 CSNS 的能力；谱仪设计应与慢化器设计沟通，并不断优化。
① 高通量粉末衍射仪： 散裂中子源粉末衍射仪用于研究基本结构已知的晶体结构和磁结构。 高通量粉末衍射仪主要应用领域包括：固态化学和材料科学；测定原子的占有率，热震动参数；极小样品的衍射实验；随时间变化的测量；高压下的衍射实验；测定完全未知的新结构；磁有序和磁相变研究。
② 小角散射仪：中子小角散射技术广泛应用于凝聚态物质中空间尺度在 10 到 1000A 范围内的结构分析。小角散射研究的结构单元是许多原子组成的集合体（原子团簇）或其他种类的结构不均匀性，其尺度是单个原子的几百甚至上千倍。小角散射数据中包含的信息是散射粒子的尺寸和形状，以及散射粒子中某些成分的方位。中子小角散射技术已经成功地应用于许多不同的学科和研究领域，例如材料科学、生物物理和结构生物学、高分子聚合体、以及凝聚态物理等。只要被研究的无序体系中存在大尺度的不均匀结构 ，小角散射方法就是一种有效的，有时是唯一的，直接测定其结构的手段。
③ 多功能反射仪：中子反射仪用于研究物质表面和界面的结构特性，是中子散射谱仪中最年轻的成员， 主要应用领域包括：液晶取向、表面吸附、固液界面、聚合物及 LB 膜、 生物膜结构、界面现象、低维结构和表面及界面磁性等。
参照国际散裂中子源多学科应用的现状和未来二十年科学的发展，根据不同散射谱仪设计对慢化器、中子飞行距离和中子探测器所需空间的要求，CSNS工程对相应的中子谱仪进行了初略的全局规划，将共建设18台谱仪， 安排如下：
粉末衍射仪 共 6 台：
高分辨粉末衍射仪（液态甲烷， 100 K ）
高通量粉末衍射仪（水， 300 K ） （一期建设已规划）
工程粉末衍射仪（液态甲烷， 100 K ）
高压粉末衍射仪（液态甲烷， 100 K ）
长波粉末衍射仪（液氢， 20 K ）
无序材料衍射仪（水， 300 K ）
单晶衍射仪 共 1 台（水， 300 K ）
小角衍射仪 共 1 台（液氢， 20 K ）（一期建设已规划）
反射仪 共 2 台：
多用途反射仪（液氢， 20 K ） （一期建设已规划）
液体反射仪（液氢， 20 K ）
直接几何非弹性散射谱仪 共 3 台：
高能直接几何非弹性谱仪（水， 300 K ）
eV( 电子伏特 )谱仪（水， 300 K ）
低能直接几何非弹性谱仪（液态甲烷， 100 K ）
单晶分析器谱仪（逆几何非弹性散射谱仪） 共 4 台：
单晶逆几何非弹性谱仪（液态甲烷， 100 K ）
低能逆几何非弹性谱仪（液氢， 20 K ）
高能逆几何非弹性谱仪（水， 300 K ）
背散射谱仪（液态甲烷， 100 K ）
中子物理谱仪 共 1 台 （液氢， 20 K ）
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