随着航天技术的飞速发展,航天用的电子器件和集成电路的使用量越来越多,同时电子器件和电路的集成度也越来越高,新的型号不断涌现。为保障航天设备正常的在轨运行以及航天人员的安全,通过加速辐照实验对航天器件进行性能评估尤为重要。近年来,国内用于航天辐照的质子束流实验平台机时严重短缺。本文提出利用CSNS直线加速器中负氢离子被束流管中残余气体分子剥离产生的大量伴生质子,在直线加速器末端引出并搭建了伴生质子束实验平台。在国际散裂中子源的同类强流负氢加速器装置中首次提出伴生质子应用的可行性,该装置是国际上第一个基于加速器中自然剥离出的质子搭建的质子束实验平台。本文针对辐照实验的基本要求:质子能散小于10%,束流均匀性优于90%,通过大量系统性的模拟研究和设计优化,对伴生质子束线进行深入细致的束线物理研究,给出可行设计方案:1)采用150μm厚的Ti作为质子束窗,用于分离直线加速器与伴生质子束线的真空,既降低了成本,又满足了束窗低质子散射效应、低能量沉积、低活化、低降能的要求;2)降能器采用楔形结构设计,材料为石墨,厚度可连续调节;3)伴生质子束线采用三级准直的准直系统,很好的抑制样品处束流的束晕。同时根据大多数电子器件和芯片的外形,设计了方形质子束斑。准直孔径也采用连续可调的设计思路,满足不同类型的实验对束斑尺寸的需求;4)废束站采用紧凑型的组合屏蔽方案,有效的抑制厅内实验本底。停束层采用低活化的聚乙烯,外围采用混凝土,利用加铁粉的硅氧烷对缝隙进行屏蔽封堵。混凝土也用于对伴生质子束线上的其他主要辐射源项进行屏蔽,控制实验厅中的本底以及剩余辐射剂量。质子束流经传输、降能、准直、收集等重要束流操作后,实现能量在10-80 Me V,束斑尺寸在10mm×10 mm-50 mm×50 mm,质子流强在10~7-1010 p/cm~2/s之间连续可调,质子束流均匀性高于90%,质子能量在30-80 Me V之间时,其能散小于10%。物理设计中采用了无磁铁的束线设计思路,大幅降低了建设成本。降能与准直系统也都采用连续可调的设计思想,通过对能量以及束流进行连续调控,可满足不同辐照实验对质子能量、质子束斑尺寸、均匀性、质子束流强度的要求。质子束经多级准直后不仅得到满足实验需求的低束晕本底,而且还得到干净的实验厅本底。该物理设计为CSNS伴生质子束实验平台的工程建设提供理论依据,具有很强的工程应用价值,物理设计完成后依据此物理设计进行了工程设计和建设。伴生质子束实验平台可提供高流强、低本底的高品质质子束,适合开展高流强质子辐照应用相关的实验及测试研究。借助CSNS运行时长的优势,伴生质子束线每年提供近4800小时的束流时间,更适合开展长周期辐照实验研究。基于本研究,伴生质子束实验平台已完成工程建设,正处于束流调试阶段,预计将于2022年对用户开放。