极端条件下辐射与物质相互作用(MaRIE)研究装置概况

焦晓静，马 锋，冯寒亮

(西北核技术研究所，陕西西安710024)

极端条件下辐射与物质相互作用(MaRIE)研究装置概况

焦晓静，马 锋，冯寒亮

(西北核技术研究所，陕西西安710024)

极端条件下的辐射与物质相互作用实验装置，是洛斯·阿拉莫斯国家实验室针对美国核武器库存维护计划需要，正在建设的旗舰级实验装置，其主要任务是促进对核武器相关材料的鉴定、认证和评估。本文从建设目的、组成部分和发展规划等方面简述了该装置的概况，并结合美国核库存维护目前面临的挑战，分析了该装置的建设对美国核库存维护的重要意义。

辐射；核武器；材料；MaRIE

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

注：1. 50 keV X射线从测试点到探测器的总发散度为7°。 2. 材料制备、测试与建模设施实验区硬X射线的能量为20～50 keV，软X射线的能量为0.5～1.5 keV。

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。

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，>0.1m分辨率；

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

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

表 3 三种诊断射线束对不同样品的诊断能力

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。

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=10-9m) 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(1m =10-6m)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。

研究核武器材料在各种武器条件下的行为是库存维护计划中的一个重要部分。在核爆炸过程中，核武器材料处于极端压力、应变、应变率和温度环境中，这些极端环境参数往往比正常环境条件高数个量级，材料的相应载荷范围可能会跨越6个量级甚至更多。在核武器库存维护计划中，要发展对核武器性能的预测能力，需要彻底研究影响材料(包括金属、陶瓷、聚合物、电子元件等各种材料)在环境条件到极端条件下动态行为的基础物理学。就完整核武器(包括非核部件在内)来说，要理解材料在正常、异常和敌对环境下的响应行为，需要开展包括理论建模、小尺度实验和大型综合实验在内的完整材料科学研究。不过，很难在实验室中或利用非核爆炸系统营造材料研究所需的极端条件，在某些情况下，必须借助某些大型实验装置，如双轴X光照相流体动力学试验装置(DARHT)、国家点火装置(NIF)和Z脉冲功率装置等。

目前，由于在对介观尺度材料行为的基础理解方面还存在着空白，导致了这方面武器材料模拟能力的欠缺。这造成了对特定材料行为的预测存在不确定性；同时，在材料制造方面，无法判断处理工艺是如何影响材料微结构直至最终的武器整体性能的；此外，还导致难以有效预测核武器部件的失效。MaRIE装置的建成，将有望填补美国核库存维护实验装置在介观尺度材料研究方面的空白，为在双轴X光照相流体动力学试验装置(DARHT)、U1a综合体进行的综合实验研究与在国家点火装置(NIF)、Z脉冲功率装置进行的小尺度实验研究提供补充数据[8]。MaRIE装置所得到的测量数据，可用于为武器模拟代码构建新的或改进现有的高保真材料模型，增进对高能炸药和钚材料在内爆动力机制和初级助爆条件下的材料行为的理解，由此将提高延寿武器性能预测的置信度。MaRIE装置在核武器库存管理中的作用主要有两个[14]，一是通过对动态材料性能的研究，帮助了解核武库的状况，二是通过建立“过程感知”制造能力，来帮助延长核弹头的寿命，如图 7所示[3]。此外，MaRIE装置还将有助于现代化美国国家核安全管理局的基础设施和加强其科学、技术与工程基础[14]。MaRIE装置初级版本MaRIE 1.0的任务需求如表 4所示[14]。

图 7 MaRIE装置在核武器库存管理中的作用Fig.7 Function of MaRIE facility in nuclear weapons stockpile management

表 4 MaRIE 1.0的任务需求

4 结束语

MaRIE装置的建设是一项持续数十年的系统工程，目前已完成前期概念设计与替代方案分析，正在进行初步工程与设计之前的相关技术研发，预计到2030年左右将投入运行。MaRIE装置建成后，将集成一流的材料合成与表征能力、动态极端环境、材料辐照环境以及先进的诊断能力，突破材料研究在介观尺度方面的局限，促进新型材料的快速发展，对于美国材料科学研究和核库存维护都具有重大意义。为了在材料科学研究这一领域跟上一流国家的水平，我国相关机构也应尽快着手开展相关研究。

[1] Shlachter J S. Experimental Physical Sciences Vistas: MaRIE (draft), LA-UR-10-06071[R].Los Alamos National Laboratory, 2010.

[2] Walstrom P L, Garnett R W, Barber R L, et al. Radiography Capabilities for Matter-Radiation Interactions in Extremes: the 6th International Particle Accelerator Conference, Richmond, VA, USA, 2015[C]. Jefferson Lab, Newport News, VA, USA, 2015-5-3.

[3] Stevens M F, Barnes C W. MaRIE: A Presentation to the Science Campaigns Round Robin, LA-UR-14-27998[R].Los Alamos National Laboratory, 2014.

[4] Garnett R W, Gulley M S. Matter-Radiation Interactions in Extremes: the 37th International Free Electron Laser Conference, Daejeon Convention Center, Korea, 2010[C]. Korea Atomic Energy Research Institute and Pohang Accelerator Laboratory, 2015-8-23.

[5] Toole J O, Bodelson M, Erickson J, et al. Proposed Facility Layout for MARIE, LA-UR-11-10032[R].Los Alamos National Laboratory, 2011.

[6] Barnes C W. MaRIE: An Experimental Facility Concept Revolutionizing Materials in Extremes, LA-UR-11-00145[R].Los Alamos National Laboratory, 2011.

[7] Barnes C W, Barber J L, Kober E M, et al. MaRIE 1.0: The Matter-Radiation Interactions in Extremes Project, and the Challenge of Dynamic Mesoscale Imaging, LA-UR-15-21334[R].Los Alamos National Laboratory, 2015.

[8] Barnes C W, Stevens M F, Wang Z J. Diagnostic Needs for the Matter-Radiation Interactions in Extremes (MaRIE) Project, LA-UR-15-27772[R].Los Alamos National Laboratory, 2015.

[9] Pieck M, Garnett R W, Smith B G, et al. MaRIE-Instrumentation & Control System Design Status and Options: the 15th International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems, Melbourne Convention, Australia, 2015[C]. Australian Synchrotron (AS) and Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO), 2015-10-23.

[10] Russell S J, Anisimov P M, Barnes C W, et al. Current Status of the MaRIE: (Matter-Radiation Interactions in Extremes) Science Facility at Los Alamos National Laboratory: workshop series on Physics and Applications of High Brightness Beams, San Juan, Puerto Rico, 2013[C]. International Committee for Future Accelerators, 2013-3-25.

[11] Hockaday M Y. MaRIE 1.0: Matter Radiation Interactions in Extremes 1.0,LA-UR-13-25738 [R]. Los Alamos National Laboratory, 2013.

[12] Barnes C W, Funk D J, Hockaday M P, et al. The science of dynamic compression at the mesoscale and the Matter-Radiation Interactions in Extremes (MaRIE) project[J]. Journal of Physics: Conference Series 500 (2014) 092001, 2014:1-5.

[13] Fiscal Year 2016 Stockpile Stewardship and Management Plan[R]. Washington, DC: National Nuclear Security Administration of United States Department of Energy, 2015.

[14] Sarrao J. MaRIE 1.0: A Flagship Facility for Predicting and Controlling Materials in Dynamic Extremes, LA-UR-12-00500[R].Los Alamos National Laboratory, 2012.

OverviewofMatter-radiationInteractionsinExtremes(MaRIE)Facility

JIAOXiao-jing,MAFeng,FENGHan-liang

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an of Shanxi Prov. 710024, China)

According to the requirements of the Stockpile Stewardship Program, the Los Alamos National Laboratory is now building a flagship experiment facility of Matter-Radiation Interactions in Extremes. The mission of this facility is to provide qualification, certification, and assessment of materials in the nuclear deterrent stockpile. In this paper, the purpose, constitution, and development planning of this facility is outlined, and its significant implication to nuclear stockpile stewardship of America is analyzed, which is faced with several severe challenges.

Radiation; Nuclear weapons; Material; MaRIE

2016-12-29

焦晓静(1980—)，女，河南许昌人，工程师，硕士，现从事核技术及应用科技信息研究方面研究

TJ91+0.4

：A

：0258-0918(2017)04-0628-10