散裂中子源准直器

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1、粗糙准直器整体介绍中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有力手段[1,2]。与X射线不同，中子不带电、具有磁矩、穿透性强、能分辨轻元素、同位素和近邻元素，且有对样品的非破坏性的特点，因此中子不仅可探索物质静态微观结构，还能研究其动力学机制。目前，中子散射技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法取代的作用，中子源与同步辐射光源互为补充，已经成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台。近年来，不断有新的中子源建设投入使用，更加推动了中子散射相关设备以及技术的不断更新发展。现在谱仪技术发展日趋成熟，同时随着科学的发展，对谱

2、仪的要求也越来越高。尤其是在很多样品环境的条件下，背底已成为一个严重的问题，因此在国外相应的装置上，对准直器的要求也越来越高，各种各样的准直器应运而生[3-11]。但在国内，这一领域仍有待开发。随着当前中子散射技术的飞速发展，未来对准直器的需求将会越来越迫切。中子准直器作为中子谱仪的关键部件之一，对于中子谱仪的正常运行以及谱仪的分辨率等性能参数的提高有着不可忽视的作用。放射状的中子准直器[12,13]位于样品/样品散射腔体与有效探测面较大的位置灵敏探测器之间，是一个尺寸相对较大的腔体，内部由水平以及竖直插板将整体腔体分割成

3、一个个棱台状的孔道，每一个孔道对应后端一个探测器模块。放射状中子准直器的主要作用包括两个方面：首先是腔体内部为真空或者通入气氛（氦气或氩气），能够减少在样品处散射出的中子向探测器飞行的途中经历二次散射，从而在一定程度上提高探测器处的中子计数率，保证谱仪的性能；二是准直器内部的蜂窝状结构壁都是由中子吸收材料构成，能够有效吸收杂散中子，进一步减少背景噪声，从而提高谱仪的信噪比。放射状中子准直器的应用范围非常广泛，在国外许多中子谱仪[17]中均由相关的应用，最典型的如美国SNS散裂中子源中Powgen3高分辨中子谱仪[14-16

4、]、VULCAN工程衍射谱仪[18]，日本J-Parc散裂中子源中High-ResolutionChopperSpectrometer谱仪[20]，英国ISIS散裂中子源的Engin-X工程谱仪、Pearl高压粉末衍射谱仪[19]，以及法国ILL反应堆中子源的LiquidsandAmorphousDiffractometer衍射谱仪[21]、SALAS应变成像工程衍射谱仪[22]，等等。由此，可以了解到放射状的中子准直器无论在反应堆中子源还是在散裂中子源中均具有较为广泛的应用前景，尤其是在散裂中子源中，其应用前景更加值得期

5、盼。本项目旨在通过完成包括准直器的物理参数计算、结构设计、碳化硼陶瓷片无缝无基板拼接粘接工艺的设计、真空抽气系统的设计等内容，建造一套结构简单、具备一定通用性的放射状准直器系统（CoarseRadialCollimatorSystem），解决碳化硼陶瓷片由于尺寸限制等因素在同类准直器上的应用限制，满足中子谱仪对于高性能除背底准直器的需求，为未来国内相关谱仪准直器的研制提供宝贵的经验，并为有相关需求的中子谱仪建设提供技术和人才储备。项目的主要研究内容包括以下几个方面：第一，解决准直器结构物理计算工作。在应用放射状的中子准直器

6、的谱仪中，与准直器对应的位置灵敏探测器通常并不是一个，而是由多个探测器模块组成的探测器阵列。放射状的中子准直器处于样品散射腔体与探测器之间，前端对应样品散射腔体位置，而准直器内部孔道与后端的位置灵敏探测器的有效探测面一一对应，因此要确定准直器的结构，必须首先明确准直器后端的探测器模块空间位置排布、单个探测器模块整体面积以及有效探测面积等参数。通过整体探测面的外部尺度，能够计算得到准直器整体腔体的外部尺寸；而通过探测死区以及有效探测面等参数，能够确定准直器内部水平/竖直插板的尺寸限制。所有的物理计算都是为了保证一个前提——样

7、品位置散射出来的所有有效中子都能够通过准直器孔道而被探测器模块有效探测。第二，准直器结构的设计工作。放射状中子准直器的主要作用之一就是减少通过准直器内部腔体的中子的损失，而实现这一手段的途径是腔体抽真空或者腔体内通入一定的气体环境（氦气或者氩气）；其另一主用作用是利用附着在内壁上的中子吸收体吸收背景中子，因此要保证腔体的真空变形并不会对中子吸收体的附着造成影响，并且不会造成插片偏离物理平面，阻挡有效中子。因此在满足准直器物理限制的基础上，合理的进行准直器腔体的结构设计，就显得十分的重要。需要注意的要点包括准直器腔体材料的选

8、择，腔体结构的设计，真空条件下变形的模拟分析以及两端铝窗结构的设计等。第三，准直器内部中子吸收材料的选择。常用的中子吸收材料包括硼，钆，镉等。由于多数的位置灵敏探测器对于中子和伽马射线的区分能力比较弱，中子与钆元素的核反应主要为n-γ反应，吸收中子放出伽马射线，不利于后端位置灵敏探测器的中子探测，而中子