极端条件下辐射与物质相互作用研究装置概况(3) - 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(3)

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MaRIE装置的初步规划主要有[1]：发展新的12 GeV电子直线加速器及能产生50～100 keV X射线的高强度、低平均功率X射线自由电子激光器(XFEL)——最终确定XFEL的能量指标是42 keV(该指标是综合权衡了衍射弹性散射的最大化、热吸收的最小化与钚材料样品的厚度后确定的[8])，重复频率为吉赫兹[9]；将LANSCE质子加速器的功率从1 MW提高至2 MW；建造能够在动态、极端辐射条件下进行多类型射线束原位成像诊断的测试间；建造材料合成、制备与表征综合设施。

MaRIE装置的建设是一项成本高、耗时长的系统工程，实现MaRIE装置的全部功能大约需要花费20亿美元。2012年2月，美国国家核安全管理局要求洛斯·阿拉莫斯国家实验室先完成MaRIE装置的初级版本，即MaRIE 1.0[10]，主要用来满足核武器库存维护的相关需求[11]。MaRIE 1.0的建设重点是将多探针测试诊断间投入运行，在MPDH中，将新建驱动42 keV XFEL的12 GeV电子直线加速器。XFEL是MaRIE 1.0的基石，可满足MaRIE装置三个实验区的光子诊断需求。无论是从XFEL的光子能量来说，还是从脉冲重复频率来说，MaRIE 1.0在现有的和计划建设的光源设施中都具有独特优势，如图4所示[12]。

图4 MaRIE 1.0装置与其他设施的关键功能比较Fig.4 Comparison of key facility functional requirements of MaRIE in multi-pulse repetition rate and photon energy to alternative facilities present or planned

洛斯·阿拉莫斯国家实验室制定了MaRIE 1.0装置的发展规划(见图5[3])，即：

? 2015财年：前期概念设计与替代方案分析；

? 2016-2021财年：开展相关工作来降低技术风险与项目风险，以确定项目工作内容及成本范围，并为下一阶段项目节点的通过提供支持；

? 2021财年：开始初步工程与设计；

? 2023财年：确定性能基准、完成设计、开始先期采购；

? 2024财年：开始建设；

? 2027财年：先行使用，开始试运行；

? 2030财年：项目完成，开始正式运行。

图 5 MaRIE 1.0装置发展规划Fig.5 The notional timeline for MaRIE 1.0 Project

3 MaRIE装置的意义

3.1 对材料科学研究的意义

目前，材料学研究主要集中在纳米(1 nm=10-9 m) 材料研究，即在原子或分子尺度研究材料的性质，在这一尺度上，量子力学效应主导着材料的行为，此时材料会表现出一些特殊性能。但要理解和利用材料行为，还需要对微米(1 m =10-6 m)尺度的材料科学开展研究，微米尺度材料科学研究，就是要对材料固有的和人为导致的缺陷、界面与非均质性进行研究，介于在原子尺度上理解材料性能和在块体尺度(宏观尺度)上验证材料性能之间(见图6[1])。材料在微米尺度上的特性即为通常所指的材料微结构，加深对材料微结构的理解能促进对材料功能的进一步发展。无论是从实验上还是从理论上来说，微米尺度对先进材料研究都至关重要，但却是目前研究得最少的领域。

图 6 介于原子尺度和宏观尺度之间的介观尺度Fig.6 Mesoscale lying between atomic-scale and macroscale

当前美国的国家安全科学挑战要求对材料进行精细测试，以材料为中心的国家安全科学的核心是“控制科学”这一重大挑战。传统的新型材料发现，往往需要经历多次反复的合成制备、测试表征与性能改进尝试，在很大程度上取决于研究人员的经验、直觉和运气，具有一定的偶然性。该方法曾取得过显著成功，但目前出现了可使研究人员在原子尺度上对材料进行处理的新一代合成工具、可实现原位表征的诊断工具以及能预测材料在极端条件下的性质与性能的理论，为新型材料的发现创造了新的机遇。MaRIE装置的核心能力是同时应用多种原位诊断来实时、高分辨地观察材料在各种核武器相关极端条件下的瞬时现象。尽管在MaRIE装置上使用的各项技术，在美国及其他国家的一些现有实验装置中都已有了不同程度的应用，但是，目前还没有哪一种装置将这些技术集成在一起[13]。在MaRIE装置建成后，将其实验数据与各种先进理论、模拟和信息理论工具相结合，将可在单一装置上首次实现多种射线束对材料微结构与物理性质的快速、完整表征[13]，极大地提升研究人员对极端条件下材料行为的有效认知、预测和控制，促进材料设计与发现方式从传统的实验观察与验证转变为理论预测与制备控制，从而大大促进新型材料从概念设计到制备、表征及应用的快速发展。

3.2 对美国核库存维护的意义

在禁核试条件下，美国对核武库的认证依赖于建立在历史试验数据基础上的专家判断和目前正在开展的“库存维护计划(SSP)”。库存维护计划，就是要发展高保真的、基于物理原理的模拟能力，以在禁核试条件下进行核武器的预测、评估、认证与设计。当前，美国核武库面临着四方面的压力[14]：首先，由于老化和寿命问题，必须进行部件更换和材料替换，弹头延寿达到了历史上所从未有过的数量；其次，新《削减战略武器条约》要求裁减现役库存弹头的数量，同时，美国核库存维护现状也要求减少非现役核弹头的数量；第三，为了提高核武器的安全性，要求在整个核武库中尽可能用钝感高能炸药取代传统高能炸药；第四，美国核武器的发展方向是使用更多的通用部件和互操作系统，以构建一个更加标准化的核武库。以上这四个方面的压力都对核武器性能预测能力提出了更高要求。

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