CSNS一期工程利用一台直线加速器(LINAC)将负氢离子加速到80 MeV，负氢离子被剥离成质子并注入到快循环质子同步加速器(RCS)中，在环形同步加速器中进一步加速到1.6 GeV后引出打靶，产生大量中子，将这些中子引出以开展科学研究。散裂中子源是基于中子应用的研究装置，但是在建设之初也考虑到质子束流扩展应用，在直线末端预留了开展中能质子束应用研究的空间，如图1所示。

图1.CSNS装置布局及伴生质子束实验平台位置

在散裂中子源正常运行的情况下，负氢离子在直线加速器中加速和传输过程中，负氢离子会与束流管中残留的气体分子相互作用，产生许多能量为80 MeV的质子，即伴生质子。在直线末端有三种电荷态的离子，即负氢(H-)、氢原子(H0)和质子(H+)，经过末端分束二极磁铁进行了三分束，负氢注入快循环同步加速器进一步加速，氢原子和质子分别进入到相应的废束站。

目前，可以利用二极磁铁切换方式，将束流引导伴生质子束实验平台，如图2所示。伴生质子束实验平台主要用于质子辐照应用相关的实验及测试研究，主要开展电子器件及集成电路的单粒子效应研究、半导体材料的辐照损伤效应和改性、加速器装置的结构材料的辐照损伤、质子束的活化分析、质子照相、质子探测器的标定实验研究等方向。

图2.伴生质子束实验平台位置

CSNS直线加速器伴生质子束线总长14 m，布局如图3所示，沿束流方向上主要包括降能器、降流器、3个准直器、3个质子束窗以及2个实验点。在束线末端放置一个废束站，用于吸收实验后的废束。

图3.CSNS直线加速器伴生质子束线布局

束窗主要是为了隔绝加速器和应用束线，避免应用束线暴露大气操作而影响加速器的高真空环境。降流器主要作用是为了满足不同类型实验对束流流强测试需求，可以控制通量下降5个量级。降能器可以实现质子能量在10~80 MeV之间连续可调。为了满足实验上对束斑和实验本底的控制，束线布置三套准直器，配合使用。准直器1、2、3共同决定了束斑尺寸大小、束斑均匀部分尺寸及束流的强度。准直器1、2作为主准直器控制实验点样品位置质子束流的强度和束斑尺寸，准直器3作为辅助准直器减少主束流周围的束晕，降低本底。准直系统实现了方形束斑的调制。目前采用连续可调方案，实现质子束斑尺寸在10 mm×(10~50) mm×50 mm之间连续可调。三个准直距离引出口依次分别为：1.25 m、4.35 m、7.80 m。详细设计可以参阅最近发表的文章《Physical design of the APEP beam line at CSNS》[1]。

伴生质子辐照实验平台根据用户测试需求，可提供多样品、远程控制的换样平台。由于低能质子对空气敏感，部分实验需要存在真空环境，因此需要设立一个真空样品实验区和一个大气样品实验区。为了紧凑并节约预算，采用圆形真空罐和旋转平台搭建真空试验区，真空罐后方搭建大气样品实验区。真空样品实验点和大气样品实验点分别位于9.1 m和9.6 m处，实验终端如图3所示。测试点主要的样品参数为：

质子束参数指标能量范围：10~80 MeV[>30 MeV情况下的能散(FWHM)<8.65%]束斑尺寸：10×10~50×50 mm2(连续可调方形束斑)质子流强：107~1010 p·cm-2·s流强监测：①CT提供降能前的实时流强数据;②末端法拉第筒提供样品出流强数据;③二次电子监督器提供样品前的实时流强数据;④活化片标定样品位置流强。束线高度：1.2 m真空测试点：真空度≤10-3 Pa，测试工位5个;圆形真空罐内径Ø0.8 m大气测试点：空气测试环境，远程控制的样品平台实验本底(20×20 mm2束斑)：<1.4E-4(中子)，<3.4E-5(伽玛)

伴生质子束实验平台还可以进行航天器件辐照效应研究，为空间飞行器及设备的稳定运行提供基础的测试条件(图4、图5)。同时也可以为大型探测器的抗辐照性能研究提供测试条件，促进我国高性能抗辐照性能航天设备和探测器的技术进步。CSNS直线加速器伴生质子束线的优势在于高流强、供束时间长、每年可以提供近5,000 h的束流时间，它的建成将弥补国内中能质子束流时间的不足。

图4.伴生质子束实验终端现场

图5.真空靶室内的样品布置