热 ҈ 热 ҈热 ҈
大暑节气已至
最近全国各地开启“蒸煮模式”
最高温直冲40℃
阳光把路面晒得发烫
空气里都飘着灼热的气息
连风都带着热浪
走在路上仿佛被“裹”进了桑拿房
SUMMER
但就在这片被高温笼罩的土地上
被誉为“超级显微镜”
中国散裂中子源（CSNS）的园区
却透着别样的景致。
暑气仿佛按下了暂停键
葱茏的绿树在烈日下舒展枝叶
阳光透过叶隙洒下斑驳的光点
规整的科研建筑与自然景观相映成趣
办公楼的玻璃幕墙
像一块块巨大的“降温滤镜”
静谧的环境让人暂时忘却外界的燥热
仿佛一处藏在高温里的清凉角落。
在这片清凉之下
更藏着与外界酷热形成
极致反差的“极寒世界”
这里运行着两套先进的低温系统
一套服务于加速器的研究
为粒子加速打造“超导冰道”
一套则为靶站的中子慢化
提供精准温控
保障着CSNS核心设备的稳定运行
今天，就让我们一起走进这
“反季节生存”的科技奇观
看看这些能冻住微观粒子的系统
有多硬核！
一、加速器低温系统：迈向超导时代的技术革新
1. 核心作用：打造近乎零电阻的“超导高速公路”
为满足更高束流功率，二期将新建直线加速器超导低温系统。具体而言，低温系统通过提供稳定的2K（即-271℃）超流氦环境，将超导腔“浸泡”在2K环境中。一方面，零电阻特性允许超导腔通过远超常温腔的电流，而电流越强，产生的加速电场强度越高。这相当于为粒子打造了“高速赛道”，能让负氢离子获得更大能量，直接提升束流功率。另一方面，低温系统还需精确控制超导腔的工作压力，在动态热负荷发生变化时，及时响应以维持工作压力，使超导腔更加稳定工作，为CSNS的性能跃升奠定基础。
2. 技术亮点：超导腔测试与国产制冷机突破
目前，CSNS已投入使用的南方光源研究测试平台低温系统，是粤港澳大湾区首个大型超导腔低温测试与超流氦性能研究平台，有利于推动大湾区超导腔研究发展。该系统的核心使命是为二期工程的超导腔模组“把关”，通过850W@4.5K（-268.65℃）与100W@2K（-271℃）的双温区制冷能力，为超导腔构建接近绝对零度的极限环境。二期所需的18套超导腔模组，需先完成垂直与水平性能测试，确认合格后才能进入隧道安装。
该低温系统技术突破在于实现了核心设备国产化——所采用的制冷机是国内首台长时间综合应用国产制冷机。这背后的技术难度远超日常制冷：要知道，越接近绝对零度越难制冷，普通空调在 16℃下产生 1000W 冷量只需不到 1kW 电；而在接近绝对零度的-271℃环境下，产生同样冷量要耗费 1000kW 以上电能。这套具备极端低温制冷能力的系统，在系统建设期间正值疫情封控期，工程团队驻守园区昼夜攻坚，仅用半年便完成安装调试，迄今已稳定运行超13500小时，为大科学装置低温系统建设积累宝贵经验。
3. CSNS二期：新建超导低温系统
针对CSNS二期工程直线加速器的升级需求，二期超导加速器低温系统正在全力建设中。该系统将承担更为艰巨的使命：制冷量为1kW@2K（-271℃)，为18套超导腔模组提供超流氦浸泡冷却环境，同时也为粒子加速器打造近乎零电阻的“超导高速公路”，大幅提升束流品质和加速效率。
该系统所采用的制冷机为国产制冷机在千瓦级超流氦温区冷量需求的用户装置上首次应用；更值得瞩目的是，压缩机、透平膨胀机、冷压缩机在内的核心部件均实现完全国产化。目前，系统已完成流程、三维布局设计，核心部件2K制冷机已交付加工制造，该低温超导系统的建设工作严格遵循工程进度计划，各项关键节点均按预期推进。
冷压缩机是获取大冷量2K超流氦的核心设备，但国产冷压缩机尚无工程应用先例。这套系统接下来调试的重点，便是以冷压缩机为核心的多部件联合动作超导腔氦压调控策略研究。因此，需在调试中探索其与常温泵组、氦制冷机的多部件协同控制策略；同时，超导腔模组因束流引发的动态热负荷波动，将进一步增加系统稳定性调控难度。这些挑战的突破，将为国产超低温设备的工程化应用写下关键一笔。
二、靶站低温系统：中子“降速器”的深度冷冻舱
作为CSNS的关键组成部分，靶站低温系统承担着为靶站、慢化器等核心设备提供极低温度环境的重任。
1. 系统构成
靶站低温系统主要由氦制冷系统、氢循环系统和氢安全系统构成，氦制冷系统通过氦气的逆布雷顿循环产生2200W@20K(-253℃)的冷量，经氢-氦换热器传递给低温氢；氢循环系统则将18K(-255℃)的超临界氢（压力 1.5MPa，仲氢浓度＞99%）输送至两个慢化器，严格控制其平均温度低于20K(-253℃)，进出口温差小于3℃，为中子慢化创造稳定条件。
2. 核心作用：保障中子散射研究
该低温系统承担着不可替代的双重使命。
一是保障靶站稳定运行；靶站是CSNS产生中子的核心区域，简单来说，高能质子轰击靶核时会释放大量热量，低温系统通过持续冷却及时带走热量，避免靶体过热影响中子产生效率和靶体寿命，保障散裂反应持续进行。
二是优化慢化器性能；慢化器需将高能快中子“减速”为适合中子散射实验的慢中子，而低温环境能显著提升慢化器的慢化效率和中子品质。系统提供的精确温控，确保慢化器输出高质量中子束流，为后续实验研究奠定基础。
3. 低温攻坚：关键技术突破
如果把靶站低温系统比作一个精密运转的“极寒生命体”，其四大关键技术恰似维持生命活动的核心器官：
（1）大型低温制冷技术是系统的“制冷心脏”，通过设计高效的制冷循环，实现氦气的深度冷却，同时聚焦提高制冷效率、降低能耗也是该技术的关键研究方向。
（2）低温流体输送与控制技术如同系统的“血管网络”，采用高真空绝热管道最大限度减少外界热量侵入，搭配能在极低温度下可靠工作的低温阀门，精准调节低温介质的流量和压力，保障制冷效果。
（3）温度精确控制技术是“温控神经中枢”，由于温度波动会影响中子的产生与慢化效果，因此需实时监测各点温度，通过调节制冷量、介质流量等参数，将温度波动严格控制在±0.1K 甚至更高精度。
（4）低温材料技术则为系统“筑牢骨架”，精选具备良好低温韧性、耐腐蚀性和热稳定性的材料制作管道、阀门等部件，应对低温下材料脆性增加、热膨胀系数改变等问题。
在系统研发过程中，科研团队攻克了多项难题。其中，系统集成与调试曾是棘手挑战，由于靶站低温系统是一个复杂的整体，涉及多个子系统和设备的协同，各子系统之间的参数匹配、接口衔接等问题需精确设计参数匹配和接口衔接，因此团队成员在调试中逐步优化参数，确保整个系统能够稳定、高效地运行。制冷效率与能耗的平衡也是持续追求的目标，团队通过优化制冷循环、改进设备结构等方式，在满足制冷量需求的同时提高能效比。
4. CSNS二期：低温系统的性能跃升
CSNS二期工程的设计束流功率将从一期100kW提高到500kW，两台液氢慢化器的热负荷将分别增大到1000W和1400W，同时将新增一台400W的退耦合水慢化器，慢化器总的动态热负荷由从一期的560W提高至2800W。为应对慢化器动态热负荷的增加，靶站低温系统将进行相应的升级改造。
制冷能力上，在保留现有2200W@20K 氦制冷机基础上，新增 3000W@20K 机组，满足更大冷量需求。控制层面引入智能系统，实时监测并自动调节参数，优化运行效率，减少停机时间。能耗方面，通过采用高效压缩机、优化管道绝热及改进制冷循环，降低能耗与成本。系统可靠性提升方面，将升级阀门、泵、压缩机等低温系统的关键部件，优化系统布局以减少故障点，提升维护便捷性。
三、低温技术应用：从微观世界到
星辰大海的跨越
从CSNS园区的“极寒战场”走出，低温技术的影响力早已跨越科研围墙，在更广阔的领域书写着“冷”的传奇。这些能精准驾驭零下 271℃的技术，不仅支撑着微观世界的探索，更在医疗、能源、航天等与人类生活息息相关的领域，展现出改变世界的力量。
在医疗领域，低温冷冻能够破坏病变细胞，达到治疗肿瘤、皮肤病等疾病的目的。同时，低温技术还用于生物样本的保存，如干细胞、疫苗、血液等，通过将其保存在液氮环境（-196℃）中，能够长期保持其生物活性。
在能源领域，低温技术可用于天然气的液化储存和运输。此外，低温技术在超导储能、低温燃料电池等新能源技术中也有着潜在的应用前景。
量子科技领域对低温的要求更为严苛，超导量子比特的计算心脏需在接近10mK的极寒“暗室”中运行，以屏蔽环境热噪声干扰，保护其精巧的量子叠加态，驱动算力的革命性飞跃。
低温技术还在空间探索领域同样施展威力，宇宙深空接近3K的背景低温是常态，在地面模拟空间设备时，利用液氦等媒介构建大型“热沉”环境，为空间设备的测试与研发提供贴近真实太空的低温条件。
大暑的热浪还在持续，但CSNS的低温系统早已用科技力量筑起一片“极寒天地”。从南方光源研究测试平台低温系统的稳定运行，到靶站低温系统对中子慢化的精准温控，这些能驾驭-271℃的“降温黑科技”，正是CSNS给大暑的特别“清凉回应”。
想逃离酷热？不妨走进这里，看极端低温如何撑起微观世界的探索 —— 这，就是中国散裂中子源最硬核的“降温方式”。
策划 | 郑榕 张玮
文案 | 叶斌 杨榆 蔡毅杰 张玙
初审 | 张玮
终审 | 李晓
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END
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