美国洛斯阿拉莫斯中子科学中心

美国洛斯阿拉莫斯中子科学中心洛斯阿拉莫斯中子科学中心（LosAlamosNeutronScienceCenter，LANSCE）隶属于洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL），之前被称为洛斯阿拉莫斯介子物理设施（LAMPF），是世界上最强大的直线加速器之一。LANSCE位于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的TA-53区（如图3-1所示）。LANSCE是美国国家用户装置，其核心是800MeV的直线加速器（LINAC）。LANAC的强脉冲质子可用于质子成像和产生材料所需的宽能谱散射中子，为LANSCE的五个主要先进设施同时提供（质子或中子）束流（beamcurrent）。其中质子照相装置（pRad）、武器中子研究设施（WNR）、Lujan中子分别具备流体动力学研究（hydrodynamics）、武器核科学（Weaponsnuclearscience）和材料科学等方面的研究能力（具体研究能力如图3-2所示），是提高对核武器性能、可靠性和安全性认知的关键，可以用于验证核武器性能预测模型和对武库维护中新材料和新材料模型的测试。除服务于武库维护外，LNASCE还服务于国家安全和科研计划，如能源安全问题、基础材料科学和生物科学研究等。图3-1LANSCE设施鸟瞰图图3-2LANSCE研究能力示意图1LANSCE历史简介和未来规划LANL于20世纪60年代开始在其TA-53区建造LANSCE的前身——美国洛斯阿拉莫斯介子物理设施（LosAlamosMesonPhysicsFacility，LAMPF），并于1972年建成，工程总投资约为5700万美元。20世纪70年代，LANSCE的武器中子研究中心（WeaponsNeutronResearch，WNR）开始建造，1977年投入使用。1982年，LANSCE的质子储存环开始建设，1985年完成，该年4月产生第一个线束。1986年，在WNR设施附近开始建造Lujan中子散射中心，在旧WNR设施基础上建造另外散裂源以提供更高能量的中子。1995年为了反映以武器项目和基础研究为代表的更广泛的中子研究基础，LAMPF重新命名为洛斯阿拉莫斯中子科学中心（LANSCE），同时原来的BES中子散射设施的名字也同时更换为ManuelLujanJr.中子散射中心（Lujan中心）。1998年升级了LANSCE的短脉冲散射源靶，升级后质子束流达到200微安。LANSCE发表的官方报告称，LANSCE在未来将提供以下5方面的能力：提高Lujan中心使用中子探测软物质的能力，这将提高对武器材料性能和老化的认识，也将支持武库维护和威胁降低所需要的光谱材料的研发；增强锕系材料和短寿命同位素的高精度核界面测量能力以获得更高保真度的武器核数据（higher-fidelityweapon-nuclear-data）；提高在800MeV的pRad成像以实现对武器相关流体动力学的更好认知；提高中子强度以用于测试武器电子组件和国土安全使命；提高辐射能力，以测试材料测试工作站的材料和核燃料。2LANSCE主要设施和运行情况LANSCE的核心设施是800MeV质子直线加速器（LIANC）。LINAC是1972年开始服役，可同时给LANSCE当前的五大设施提供束流。LINAC的第一级是独立的H+和H-注入系统。每个注入系统拥有一个750MeV的Cockroft-Walton发生器和离子源。离子源在高压圆顶壳内产生的H+和H-离子离开注入器后，合并成离子束流，进入201.25MHz的核子飘逸管，LINAC进一步加速到100MeV。第三极和更长的直线加速器（800m）是边缘耦合空腔LINAC（side-coupled-cavityLINAC）。经过这一级离子最终达到了最终的能量800MeV。从LINAC出来的离子束分离成三个线束进入pRad、LujanCenter和WNR三个实验区，如图3-3所示。LINAC通过操纵人员来控制H+和H-线束来使得大多数实验可同时进行。图3-3LANSCE实验区和试验设施分布图、LANSCE束线传输图目前在LANSCE的先进设施包括：质子辐照照相设施（ProtonRadiographyFacility，pRad）、武器中子研究设施（WeaponsNeutronResearchFacility，WNR）、Lujan中子散射中心（LujanNeutronScatteringCenter，LujanCenter）、超冷中子中心设施（Ultra-coldneutrons，UCN）、同位素生产设施（IsotopeProductionFacility，IPF）。2012财年这5个设施的申请和运行情况如表3-1所示，各设备的平均满足率高达89.6%，这其中pRad、WNR和Lujan中心与武器研究较为相关，以下将分别介绍。表3-12012财年LANSCE各设备的计划和实际运行情况AreaScheduledHoursDeliveredHoursReliabilitypRad625.4555.988.9%WNR3165.22844.884.8%Lujan996.0877.888.1%UCN1965.61838.093.5%IPF3237.52996.892.6%Total9989.79113.389.6%3质子辐射照相设施3.1pRad设施简介质子辐射照相设施（ProtonRadiographyFacility，pRad）是洛斯阿拉莫斯中子科学中心的一台重要装置。它在LANSCE的LineC.由LANSCE的线性加速器介子实验区（A区）的P3W介子通道提供0.8GeV的质子束。质子照相作为一种束线和质子光学系统，是一种流体动力学实验设施，主要能力是通过质子对静态和动态材料进行辐射照相，记录获取冲击波压缩驱动材料的运动和密度等信息，pRad的实物和原理如图3-4所示。pRad服务于武库维护计划，涉及到的问题包括高能炸药的详细保证行为、材料对冲击波负载的动力学响应（包括材料失效）、理解材料动力学和内爆压缩后期行为等。图3-4pRad实物图、模型图和质子聚焦透镜原理图3.2pRad应用情况pRad主要执行与核武库维护计划有关的实验，具体包括：A.流体动力学和内爆问题，包括高能炸药的性能和安全问题，特别要关注的传爆药的起爆条件、传爆药中高能炸药爆轰和燃烧的物理问题，混合物理/模型单元现象等。如2008年进行了Richtmyer-Meshkov不稳定质子照相实验；2010年进行了高能炸药轰击锡质子照相Richtmyer-Meshkov实验，用于验证喷射源和输运模型。2012年pRad进行的第500次打靶实验，研究了钝感炸药穿越真空间隙或者物质填充间隙的起爆情况。B.金属的热力学（EOS、相图、熔融等）和本构特性（层裂、喷射、屈服强度等）数据。如2004年利用pRad研究了贫化铀（DepletedUramiun）断裂（fracture）演化过程；2007年用质子照相测定了冲击负载样品（铝和铜）的过压状态方程；2009年使用质子照相技术研究冲击负载下材料的状态方程，重点关注的是固-固相转变和确定固-固、固-液相边界。C.其他的相关实验涉及到次级评估技术、提高图像数据的定量使用和解读、支持对制造工艺和性能关系的理解、支持LANL构想的新设施MaRIE的演示工作。D.和PHELIX有关的试验。PHELIX全名为“精密高能密度套筒内爆实验”。为了在pRad上提供高能炸药之外的补充驱动器，设计了PHELIX便携式脉冲功率驱动器，装置要求小且可移动。PHELIX在2010年离线服役（commissionedoff-line）。利用PHELIX进行的另一个实验是“损伤表面流体动力学实验”（DamageSurfaceHydrodynamicExperiment）。PHELIX将首先用于pRad。2012年使用PHELIX在pRad进行了实验。除以上与核武库维护的实验外，pRad还直接服务于国防部项目和美国陆军研究实验室，研究材料压缩和极端条件下的侵彻动力学。3.3pRad运行情况从1995年首次演示质子照相中的质子聚焦技术，1997年进行了动力学实验第一次打靶实验，到目前质子照相已经用于超过500次的动力学实验成像。pRad每年运行时间累计6个月。实验规模从100mg到10磅的高能炸药，实验材料有铀、钚、氙和许多其他元素，密度从mg/cc到10g/cc不等。实验同时也包括多次诊断技术，包括VISAR、PDV、温度探针、可视帧相机、压电光学电压插头等。从2007年开始平均每年在pRad进行的实验为40次，其中三分之二和武器物理有关，三分之一和特殊的武器工程有关，或者和增强pRad测量能力有关。pRad装置2007-2011年期间在各个领域实验数如图3-5所示。图3-52007-2011年pRad在各个领域总实验数统计分布图如上图所示，pRad在各领域研究所占的比例分别为：基础材料22%、应用武器研究19%、炸药安全17%、应用材料16%、国土安全14%、炸药表征12%。目前，pRad装置能同时用于内部用户的机密研究和外部有兴趣用户的非密研究。pRad的研究人员主要解决与库存管理相关的关键问题，并探讨基础和应用科学的问题。4武器中子研究设施4.1WNR设施简介武器中子研究设施（WNR）是LANSCE主要设施之一，它和Lujan中心同属于LANSCE的核科学研究设施，WNR能够提供预测核武器性能所必须的核数据的唯一高强度宽谱中子源。WNR具备测定核反应的能力（裂变、中子捕获、非弹性散射、带电粒子生产和总截面测定等），能够为武器项目和基础科学项目提供准确的核测量数据。WNR服务于武库维护计划，在WNR进行的核科学实验主要是DOE下属机构（NNSA、核能办公室、科学办公室）资助的，进行的具体实验包括测量短半衰期的同位素的反应截面以研究过去核试验的放射化学测试结果，测定锕系同位素和武器材料中子诱导反应的反应截面，提高对武器系统裂变能产额的认识等。20世纪70年代，LAMPF综合体中建造了包括质子束传输系统和一个裂变中子靶组成的武器中子研究装置（WNR）。1977年WNR产生了第一束中子束。1985年WNR附近开始建造现在的Lujan中心的同时，对旧的WNR进行扩建增加新的中子散裂源。90年代，WNR新的中子散裂源投入使用。1996年WNR安装了GEANIE，1998年又在GEANIE的基础上增加了6个检测器。2011年在LANSCE/WNR的Target-4的位置建设了新的大楼，新大楼也提供了一条测量裂变后中子输出的新飞行通道。目前WNR是由高能白中子源（Target-4）、质子反应区（Target-2）和位于Lujan中心的三条核物理飞行通道组成，WNR整体布局如图3-6所示。图3-6WNR整体布局图4.2WNR应用情况WNR的应用主要包括以下三个方面：A.武器研究：WNR在冲击物理（shockphysics）、材料（materials）、核反应活性（nuclearreactivity）、中子输运（neutrontransport）、核产额评估（nuclearyieldassessment）等方面的能力，支持了基于科学的武库维护计划，具体应用包括：测定裂变材料的反应截面、中子能谱数据等，如测定了Pu的四种同位素（239-242）的裂变截面；2011年在WNR测量裂变中子谱数据用作LANL核裂变模型的系统参数来获取裂变碎片的总动能，2006年用于W76解保、引信和点火系统认证。B.应用研究：用于测定工业电子元器件。C.基础研究：中子-质子韧致辐射等，1997年使用WNR进行了中子韧致辐射实验，1997年在WNR上使用快中子辐射照相技术成像。4.3WNR运行情况WNR装置开放给学术界、工业界和全球实验室所有具备资格的研究人员，各领域研究人员的分布如图3-7所示。图3-7WNR用户统计分布图如上图所示，WNR的用户分别来源于大学30%、工业界26%、LANL24%、国家实验室10%、国外10%。，主要用于测量核反应特性，