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极端条件下辐射与物质相互作用研究装置概况

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洛斯·阿拉莫斯国家实验室在美国的核材料研究领域多年来一直处于领先地位。实验室研究人员指出，与材料相关的问题与挑战几乎无处不在，特别是，亟须可在各种极端环境下能以稳定状态工作的材料。目前在核武器、核动力堆和先进能源系统中使用的一些复杂材料，通常仅发挥了其固有功能的很小一部分[1]。在认识材料失效机理、提升材料性能与寿命(以满足特定任务需求)方面，研究人员还缺少必要的预测知识与能力，因此必须加强材料研究相关能力的建设。

极端条件下的辐射与物质相互作用(Matter-Radiation Interactions in Extremes，MaRIE)实验装置，是美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室根据核库存维护计划的需要，在其第53技术区(TA-53)正在建设的旗舰级实验装置，主要用于介观尺度材料研究，其目标任务是促进对核武器相关材料的鉴定、认证和评估[2]。该装置将综合运用多种成像诊断方法(质子、光子、中子)，进行各种极端温度、压力和辐射条件下的材料原位表征，实现对材料状态和相变的实时测量，用于研发可耐受各种极端环境的新型材料，并提高对材料性能的预测能力，为新型核系统的认证提供支持。

MaRIE装置建成后，将作为国家用户装置对外开放，供美国其他科学研究机构共同使用[1]。借助利用MaRIE装置所获得的对极端条件下材料性能的认知，将有望使美国更好地应对许多重大的国家安全与能源安全挑战，如建设更可靠的核库存、发展更高效的清洁能源技术等。就美国核库存维护而言，MaRIE装置将填补核库存维护实验装置在介观尺度材料研究方面的空白，促进新型材料的快速发展，推动对核武器库存状况的了解和对核弹头的延寿，为先进制造技术、次临界实验、钚材料战略、艾级计算(计算机浮点运算能力达百万万亿(1018)次)等的发展提供支持[3]。

1 MaRIE装置的组成部分

针对使材料在极端环境下达到良好性能这一目标，MaRIE装置将建立所需的综合实验能力，其中规划建设的三个主要实验区分别为：材料制备、测试与建模设施(M4设施)、多探针测试诊断间(MPDH)以及裂变与聚变材料设施(F3设施)，见图 1[4]。M4设施将提供一流的材料合成与表征能力，MPDH测试诊断间将提供动态极端实验环境，F3设施将提供材料辐照环境。

图1 MaRIE装置总体概貌Fig.1 Aerial view of MaRIE experimental facility

在MaRIE实验装置中将使用多种类型的诊断射线束对极端环境下的材料性能进行动态、瞬时的原位测量，这些诊断射线束在各个实验区的布局设置如表 1所示[5]，从中可以看出，M4设施中将用到X射线和离子束诊断，MPDH测试诊断间将用到X射线、电子束、质子束和激光诊断，F3设施将用到X射线和质子束诊断。

表 1 多种诊断射线束在MaRIE装置各个实验区的布置情况Table 1 Probe beam deployment in the MaRIE experimental facilities实验区射线束类型与能量/keV相干X射线自由电子激光非相干X射线1 55电子束质子闪光照相离子束设施主质子束Omega?EP3路激光裂变与聚变材料设施(F3设施)原位测量√√√√√√离位测量√√√√√√多探针测试诊断间(MPDH)EH?1(北)√√√√EH?1激光区√EH?2(南)√√√√EH?2激光区√材料制备、测试与建模设施(M4)√硬X射线√软X射线√射线源与探测器之间的距离/m

1.1 材料制备、测试与建模设施

材料制备、测试与建模设施(Making，Measuring，and Modeling Materials Facility)简称M4设施(见图2[6])，将高效集成多种独特的材料合成与表征工具，来促使材料的设计与发现从观察、验证转为预测、控制，以研制出多种能在极端环境下更好、更长寿命运行的固态复合材料，同时该设施也可用来研制能在可再生能源和辐射探测领域应用的新一代集成固态材料。

图 2 材料制备、测试与建模设施Fig.2 Making, Measuring, and Modeling Materials facility

M4设施将基于洛斯·阿拉莫斯国家实验室的综合能力构建实验环境[1]，例如，利用综合纳米技术中心(CINT)进行纳米系统研究、利用超级计算能力进行微米尺度的建模、利用Sigma装置进行大尺度处理、利用钚装置进行放射性材料研究、利用国家强磁场实验室的脉冲场装置构建极端磁场环境、利用Lujan中子散射中心提供基于中子的表征技术，等等。

M4设施的核心是一种“协同设计(co-design)”能力，即将不同尺度上的理论研究与实验工作相结合的能力。在M4设施中，有一个独立的可视化中心，可用来对实验数据和计算结果进行同步分析，向用户提供对复杂数据的解读并将数据与预测模拟结果进行对比。在表征实验室中，利用所构建的可视化平台，可实现对材料合成与处理方法的实时评估，并可直接进行参数调整以加强对材料样品的控制。

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