中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器設(shè)計(jì)、模擬與測試

胡 瑞，劉蘊(yùn)韜，王 瑋，劉中孝，李峻宏，高建波，王洪立，陳東風(fēng)

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

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中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器設(shè)計(jì)、模擬與測試

胡 瑞，劉蘊(yùn)韜，王 瑋，劉中孝，李峻宏，高建波，王洪立，陳東風(fēng)*

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

本文對中國先進(jìn)研究堆中子應(yīng)力譜儀使用的雙聚焦Si單色器進(jìn)行了設(shè)計(jì)、模擬和測試。采用SIMRES模擬程序確定了單色器垂直曲率及Si片厚度的最優(yōu)值，并得到品質(zhì)因數(shù)與散射角、單色器水平曲率和波長的依賴關(guān)系。實(shí)際測試結(jié)果表明，與平板Cu單色器相比，使用雙聚焦Si單色器樣品處中子強(qiáng)度提高了15倍。

雙聚焦Si單色器；中子應(yīng)力譜儀；中子衍射；中國先進(jìn)研究堆

中國先進(jìn)研究堆(CARR)旁建造了高分辨粉末、高強(qiáng)度粉末、應(yīng)力、織構(gòu)、四圓、三軸、反射和小角等譜儀，譜儀的分辨和強(qiáng)度是兩個相互制約的指標(biāo)，使用時需根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)選擇合適的設(shè)置，以獲得期望的強(qiáng)度和分辨。由于提高反應(yīng)堆的中子注量率較困難，因此人們一直希望開發(fā)新的部件，采用新的實(shí)驗(yàn)方法以及優(yōu)化譜儀的布局來達(dá)到提高強(qiáng)度和改善分辨的目的。

從反應(yīng)堆孔道出來的中子能譜符合麥克斯韋分布，通常利用某種單晶作為單色器，通過布拉格反射獲取單色的中子束。一直以來，中子譜儀選用鑲嵌晶體作為單色器?，F(xiàn)在發(fā)展了一種新的技術(shù)，通過彎曲完美晶體，可極大提高樣品處的中子束強(qiáng)度。因?yàn)閺澢昝谰w可在水平方向同時對實(shí)空間和動量空間進(jìn)行聚焦[1]。中子應(yīng)力譜儀對強(qiáng)度和分辨率均有較高要求，世界上中子散射實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)力譜儀上基本采用完美彎曲Si單晶作為單色器[2-3]，且采用雙聚焦Si單色器在垂直和水平方向?qū)χ凶邮魍瑫r聚焦，可不必使用Sollar型準(zhǔn)直器。為提高CARR旁中子應(yīng)力譜儀的強(qiáng)度和分辨指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)研發(fā)雙聚焦Si單色器，并利用反應(yīng)堆中子束流對其進(jìn)行測試，研究譜儀分辨及其與單色中子波長、單色器水平曲率和散射角的關(guān)系。

1 雙聚焦Si單色器原理和設(shè)計(jì)

目前單色器實(shí)現(xiàn)水平聚焦和垂直聚焦的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本有四柱式[4]、琴絲式[5]和氣動式[6]3種。利用完美彎曲Si單色器技術(shù)的中子衍射光學(xué)系統(tǒng)(圖1)可使譜儀獲得高的強(qiáng)度和分辨[7-8]。

圖1 使用完美彎曲Si單色器的中子光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Neutron optical system with perfect bending Si monochromator

準(zhǔn)平行入射光束的聚焦條件為：

(1)

要滿足αS=0，則：

(2)

其中：αM、αS分別為入射束和衍射束的發(fā)散角；LM為單色器至樣品的距離；RH為單色器水平曲率半徑；θM為單色器Bragg角；θS為樣品散射角的一半。

從式(1)、(2)可看出：通過改變Si單色器的水平曲率半徑RH可使αS=0，即被樣品散射后到達(dá)探測器的中子束是準(zhǔn)平行的，最后的中子計(jì)數(shù)被位置靈敏探測器記錄。故可通過改變完美彎曲單色器水平方向的曲率半徑，將譜儀的分辨調(diào)到最好。在實(shí)際應(yīng)用中引入品質(zhì)因數(shù)F描述。

F∝I/FWHM2

(3)

其中：I為衍射峰的積分強(qiáng)度；FWHM為衍射峰的半高寬。

四柱式單色器主要由3部分組成：支撐框架、Si片和驅(qū)動彎曲系統(tǒng)(步進(jìn)電機(jī)、減速箱、渦輪蝸桿、偏心軸等)。圖2為中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器的設(shè)計(jì)圖。雙聚焦單色器的水平曲率半徑RH通過控制支撐框架上步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動減速箱和蝸輪蝸桿(總齒輪比為1 120)驅(qū)動偏心軸旋轉(zhuǎn)，在最長的方向上推動Si片彎曲以實(shí)現(xiàn)水平曲率半徑的改變。實(shí)驗(yàn)時根據(jù)不同起飛角確定一最優(yōu)水平曲率半徑RH。垂直曲率半徑RV則根據(jù)蒙特卡羅模擬結(jié)果，在最常用的中子波長(0.176 nm)處確定一最優(yōu)值。設(shè)計(jì)中采用5排Si片，每排由10片厚度為0.6 mm的Si片疊加而成。Si片長270 mm、寬33.8 mm。5排Si片垂直方向組合起來加上每排Si片間空隙的總高度約為170 mm。

圖2 中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of double focusing Si monochromator of neutron residual stress diffractometer

為在90°散射角附近得到衍射峰，不同材料所需中子波長大致在0.15～0.20 nm之間。從Si單晶不同晶面所得到不同波長的強(qiáng)度特性[3]可看出，使用Si(400)和Si(311)晶面可得到強(qiáng)度較高的中子束，其最高強(qiáng)度對應(yīng)的中子波長分別為0.17 nm和0.20 nm左右。目前Si(400)和Si(311)這兩個晶面被大多數(shù)的雙聚焦Si單色器所選用。CARR中子應(yīng)力譜儀不僅用于應(yīng)力分析研究，還需進(jìn)行一些常規(guī)的粉末衍射工作，因此選用Si(311)晶面。該晶面不會引起二級反射，其高級次反射也可忽略不計(jì)[9]。

2 雙聚焦Si單色器模擬

使用6.0.3版本的SIMRES程序[10-12]對中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器進(jìn)行模擬，此版本既允許模擬在實(shí)空間和動量空間的中子通量和分布，又允許模擬分辨函數(shù)。使用此程序模擬晶體衍射的主要優(yōu)點(diǎn)是：1) 描述彎曲和嵌鑲晶體實(shí)際衍射的能力；2) 速度快，允許對多重可變的譜儀參數(shù)進(jìn)行大范圍掃描。

假設(shè)源的溫度為310 K，均勻且各向同性，具有麥克斯韋通量分布，中子注量率φ=8×1013cm-2·s-1。假定1個簡化的多晶α-Fe樣品模型，忽略了織構(gòu)、微觀應(yīng)力、晶粒尺寸效應(yīng)和德拜沃勒因子，樣品為圓柱形，直徑3 mm，高20 mm。模擬用探測器效率為100%，空間分辨為1.5 mm×1.5 mm。

單色器的垂直聚焦根據(jù)樣品處的強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，使用的中子波長為0.176 nm，單色器至樣品的距離LS為1 900 mm，結(jié)果如圖3所示。優(yōu)化的曲線不連續(xù)是由于分段數(shù)目少引起的，這從與15段模擬結(jié)果的對比可看出。所以對Si(311)單色器，垂直曲率(1/RV)固定為0.60 m-1，因此RV為1 667 mm。

圖3 樣品處中子強(qiáng)度隨單色器垂直曲率的變化Fig.3 Neutron intensity at sample as a function of vertical curvature of monochromator

在測量殘余應(yīng)變時需將譜儀最好分辨調(diào)整到待測的衍射峰(或散射角)上。圖4示出了中子波長0.176 nm時對于3個不同的單色器曲率，分辨和品質(zhì)因數(shù)與散射角之間的關(guān)系。從圖4可看出，水平曲率1/RH=0.15 m-1時，在散射角80°附近，品質(zhì)因數(shù)達(dá)最大，對應(yīng)的單色器水平曲率半徑為6 670 mm。

用Fe(110)和Fe(211)衍射對單色器Si片總厚度的影響進(jìn)行模擬，中子波長為0.176 nm，結(jié)果示于圖5。最佳厚度可在品質(zhì)因數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行估計(jì)，從Fe(211)模擬結(jié)果看，Si片總厚度在4～6 mm時品質(zhì)因數(shù)F基本不變，超過6 mm后，品質(zhì)因數(shù)F逐漸下降?；旧蠁紊鱏i片的總厚度越厚，中子強(qiáng)度越高，但分辨相應(yīng)越差。綜合考慮，選用6 mm的Si片總厚度。另外，通過模擬未發(fā)現(xiàn)單個Si片厚度不同所產(chǎn)生的重要影響，然而單個Si片越薄越易使其彎曲，從而達(dá)到較小的水平曲率半徑。

圖4 譜儀分辨和品質(zhì)因數(shù)與散射角、單色器水平曲率的依賴關(guān)系Fig.4 Dependence of relative resolution and figure of merit on scattering angle and monochromator horizontal curvature

3 中子測試結(jié)果

雙聚焦Si(311)單色器安裝在CARR中子應(yīng)力譜儀上，單色器起飛角設(shè)定為65°。反應(yīng)堆運(yùn)行期間利用中子束流對單色器進(jìn)行測試，樣品為放在釩管內(nèi)的α-Fe粉末，探測器為ORDELA 1128N一維位置靈敏探測器。

圖6 偏心軸旋轉(zhuǎn)角度與衍射峰積分強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Integral intensity of diffraction peak vs rotation angle of eccentric shaft

首先對單色器的旋轉(zhuǎn)和平移分別進(jìn)行調(diào)試，找到強(qiáng)度最大的位置，然后再對單色器進(jìn)行水平曲率彎曲調(diào)試。測試時，Si(311)單色器的主要參數(shù)為：硅片為5排，每排由10片疊加而成，總厚度為6 mm；單個Si片長270 mm、寬33.8 mm；垂直曲率半徑固定為1 667 mm。水平曲率半徑通過改變單色器偏心軸的旋轉(zhuǎn)角度來進(jìn)行優(yōu)化，圖6為改變偏心軸旋轉(zhuǎn)角度(0°～360°)與測量Fe(211)衍射峰積分強(qiáng)度之間關(guān)系的曲線。從圖6可看出，在偏心軸旋轉(zhuǎn)至15°和180°附近時，F(xiàn)e(211)衍射峰的積分強(qiáng)度最強(qiáng)。調(diào)試完成后，將單色器偏心軸調(diào)到15°，此位置對應(yīng)的單色器水平曲率半徑根據(jù)式(2)估算，約為6 m。

將中子應(yīng)力譜儀用雙聚焦Si(311)單色器測量的Fe(211)衍射峰的相對中子強(qiáng)度I與用平板Cu(220)單色器的[13]進(jìn)行對比(圖7)，考慮了測試時不同的中子狹縫尺寸后，將中子計(jì)數(shù)除以不同的中子狹縫尺寸，可估算出反應(yīng)堆功率為10 MW時樣品處的單色中子強(qiáng)度提高了15倍。通過金箔活化法測量堆功率10 MW時樣品處的單色中子注量率為4.57×106cm-2·s-1。

圖7 平板Cu(220)與雙聚焦Si(311)單色器中子強(qiáng)度的對比Fig.7 Comparison of neutron intensities by flat Cu(220) and double focusing Si(311) monochromators

4 結(jié)論

本文完成了中子應(yīng)力譜儀雙聚焦Si單色器的設(shè)計(jì)、模擬與測試。雙聚焦Si單色器通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動總齒輪比為1 120的減速箱和蝸輪蝸桿驅(qū)動的偏心軸旋轉(zhuǎn)，在最長方向上推動Si片彎曲以實(shí)現(xiàn)水平曲率半徑的改變。單色器設(shè)計(jì)時采用了5排Si片，每排由10片厚度為0.6 mm的Si片疊加而成。單個Si片長270 mm、寬33.8 mm。根據(jù)蒙特卡羅模擬計(jì)算，在最常用的中子波長(0.176 nm)處確定了最優(yōu)的垂直曲率半徑為1 667 mm。反應(yīng)堆運(yùn)行10 MW功率下的中子測試結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)平板嵌鑲Cu(220)單色器相比，使用雙聚焦Si(311)單色器樣品處的中子強(qiáng)度提高了15倍，這是彎曲完美單晶在實(shí)空間和動量空間同時聚焦達(dá)到的。下一步將改變單色中子波長，測試譜儀分辨率及其與單色器水平曲率、散射角的關(guān)系。

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Design, Simulation and Test for Double Focusing Si Monochromator of Neutron Residual Stress Diffractometer

HU Rui, LIU Yun-tao, WANG Wei, LIU Zhong-xiao, LI Jun-hong, GAO Jian-bo,WANG Hong-li, CHEN Dong-feng*

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-30,Beijing102413,China)

The double focusing Si monochromator was designed, simulated and tested for the neutron residual stress diffractometer on China Advanced Research Reactor. The optimal vertical curvature and the optimal thickness of Si wafers were obtained by SIMRES simulation program. In addition, the figure of merit in dependence on the scattering angle, monochromator horizontal curvature and wavelength was also determined by this program. The neutron beam test results indicate that the intensity of neutron increases by 15 times by using double focusing Si monochromator in comparison with Cu monochromator.

double focusing Si monochromator; neutron residual stress diffractometer; neutron diffraction; China Advanced Research Reactor

2014-03-26;

2014-09-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11175265)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB833105)

胡 瑞(1978—)，女，遼寧遼陽人，助理研究員，中子散射專業(yè)

*通信作者：陳東風(fēng)，E-mail: dongfeng@ciae.ac.cn

O571.56

A

1000-6931(2015)07-1315-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1315