极端条件下辐射与物质相互作用研究装置概况(2) - 辐射研究与辐射工艺学报杂志社投稿_期刊论文发表|版面费|电话|编辑部- 辐射研究与辐射工艺学报

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极端条件下辐射与物质相互作用研究装置概况(2)

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1.2 多探针测试诊断间

MaRIE装置多探针测试诊断间(MPDH：Multi-Probe Diagnostic Hall)的设计是为了研究材料在极端动态环境下的性能。MPDH致力于实现介观尺度上的多类型成像，可为多种应用提供支持，如：极端环境下原位、实时、三维的实验微结构检验、多尺度流体动力学和强电磁场与物质的相互作用等。通过对微结构的动态观察，有助于实现对材料的控制，从而降低核库存与先进核能系统的成本、并提高其置信度。

MPDH测试诊断间中的极端环境由以下设施产生：高能炸药驱动的气炮与飞片、强磁场与高功率激光器系统。MPDH测试诊断间将同时提供X射线散射成像和带电粒子成像，对动态极端环境下的辐射与物质相互作用进行时间分辨、空间分辨和光谱分辨测量。X射线、电子束(12 GeV)和质子束(0.8 GeV)在多束闪光照相区域交叉穿过样品进行诊断(其中质子闪光照相能力由洛斯·阿拉莫斯国家实验室现有的LANSCE质子加速器提供)，如图 3所示[7]。

MPDH测试诊断间中的诊断射线束有三个特点[8]：高能量(用于介观尺度研究和高原子序数材料研究)、高重频(记录微结构发展演化过程)、多类型(获取尽可能多样的测量数据)。三种诊断射线束的参数如下[8]：

图 3 多探针测试诊断间中三种诊断射线束示意图Fig.3 Three probe beams in Multi-Probe Diagnostic Hall

? X射线自由电子激光(XFEL)：42～126 keV(3Ω)；300 ps帧速率，30帧，2×1010光子@50fs/pulse，>0.1 m分辨率；

? 电子闪光照相(eRad)：12 GeV，25 ns帧速率，30帧，>1 m分辨率，2 nC/pulse；

? 质子闪光照相(pRad)：800 MeV，5～50 ns 帧速率，30帧，20～30 m分辨率。

MaRIE装置介观尺度实验的时间、空间分辨率是根据对诊断能力的分析确定的，对诊断能力的具体参数要求如表 2、表 3所示[8]。

表 2 MaRIE装置在不同应用下的诊断能力要求Table 2 Different diagnostic capability of MaRIE facility in several application scenarios金属制备与老化感知性能高能炸药鉴定与认证材料湍流混合焊接与增材制造(3D打印)分辨率100nm～20mm100nm～20mm500nm1mm～100mm视场100mm～1mm100mm～2mm1mm0 3mm～1cm帧数最高可达30最高可达30最高可达/s最短脉冲间隔300ps500ps30ns10ns宏脉冲长度10ms7ms15ms100ms样品厚度>250mm>10mm～6cm1～10cm0 1～10mm样品种类Be?PuC，H，O，N惰性气体(Ga，Be)Be?Pu

表 3 三种诊断射线束对不同样品的诊断能力Table 3 Diagnostic capability of three probe beams to different samples空间分辨率成帧时间样品厚度#Z=13样品厚度#Z=26样品厚度#Z=92质子闪光照相>20mm50ns15cm/0 8GeV3cm/0 8GeV1cm/0 8GeV电子闪光照相>1mm>25ns6cm/12GeV5mm/12GeV1mm/12GeVX射线成像>0 1mm<100ps>10mm/8keV500mm/42keV200mm/42keV2cm/42keV4mm/122keV2mm/122keV

1.3 裂变与聚变材料设施

裂变与聚变材料设施(Fission and Fusion Materials Facility，简称F3设施)中集成了独特散裂中子源驱动的中子辐照环境(与核反应堆内部环境类似)和精密的原位诊断工具，可为材料辐照研究提供所需环境，并以及时、高效的方式最大化地收集样品在极端辐射环境下的辐照效应数据——包括不同时间尺度和空间尺度的实验数据；更重要的是，该设施将推动材料辐射损伤研究从辐照后测量向原位诊断发展。

F3设施将以能源部核能办公室建设的材料试验台为基础，并将现有的1 MW、800 MeV质子加速器的功率提高至2 MW，来实现聚变及其他先进核能系统的辐照条件。此外，F3设施还将使用基于MaRIE装置光子、质子和电子诊断的一套无损诊断工具，对材料进行4种不同类型的表征[1]：

? 原位测量：对接受辐照的样品进行原位测量；

? 近原位测量：对接受长时辐照的样品，暂时将其移出辐照环境，进行近原位测量；

? 离位测量：比近原位测量更加详细和全面；

? 辐照后测量：利用典型的热室工具进行样品测量。

2 MaRIE装置的发展规划与建设现状

2009年，为了讨论对极端环境下的材料性能进行预测所涉及的科学挑战与研究方向，洛斯·阿拉莫斯国家实验室召集80多家研究机构的225名科学家，主办了5次研讨会。最后一次会议于2009年12月举办，主题为“极端条件下材料性能的预测与控制之未来十年挑战”。此外，洛斯·阿拉莫斯国家实验室MaRIE装置研究团队还进行了一项“首批实验(First Experiments)”程序，召集了来自10个国家60个机构的170名科研人员，根据“十年挑战”的内容确定了利用MaRIE装置可能开展的具体实验。随后，通过确定“首批实验”所需要的装置功能、评估装置能力现状与功能要求之间的差距，最终确定了装置的参数指标要求。

文章来源：《辐射研究与辐射工艺学报》网址: http://www.fsyjyfsgyxb.cn/qikandaodu/2021/0709/1026.html