基于Mezei算法的FeCoSi中子多層膜極化鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)

王俊杰++張眾++王占山

摘要：

多層膜極化鏡是構(gòu)成中子極化裝置的核心元件，為了實(shí)現(xiàn)中子多層膜極化鏡的研制，開展了中子多層膜極化鏡的設(shè)計(jì)方法研究。首先闡述了中子多層膜極化鏡的原理，基于不同材料的光學(xué)特性，提出了中子多層膜極化鏡的材料選擇方法；其次，介紹了Mezei設(shè)計(jì)方法，并針對Mezei設(shè)計(jì)方法的缺陷，分別通過引入新的膜層結(jié)構(gòu)（亞帽層法）和新的設(shè)計(jì)參數(shù)（乘系數(shù)法），對原設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了上旋中子反射率和極化率較為理想的m=2的中子極化超鏡的設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法均可以提升上旋中子反射率，但都會(huì)增加極化鏡的膜層數(shù)，其中帽層法增加的膜層數(shù)相對較少。

關(guān)鍵詞：

中子極化超鏡； 多層膜； 反射率； 極化率

中圖分類號： 42.79.Wc，O 434.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.017

引言

中子多層膜元件是中子光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一。極化中子是開展研究磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)的優(yōu)良探針，極化中子散射和衍射技術(shù)在磁性材料和超導(dǎo)材料精細(xì)結(jié)構(gòu)研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，從而得到了廣泛應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)中子極化的方法主要有三種：Heusler 合金，3He旋轉(zhuǎn)濾光鏡和中子多層膜極化鏡。Heusler合金昂貴且在市場上難以得到，主要用于極化熱中子束。3He旋轉(zhuǎn)濾光鏡可以達(dá)到非常高的極化率，且對入射角沒有要求，但由于其基于吸收原理，極化中子通量受到影響，同時(shí)由于3He未來生產(chǎn)的不確定性，難以獲得廣泛應(yīng)用。雖然目前只適用于極化冷中子束，但是中子多層膜極化鏡因其擁有中子強(qiáng)度損失小，易于制備等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于極化中子束線。

中子多層膜極化鏡分為兩種：基于Co和Ti組合的反射式極化鏡以及基于Fe和Si組合的透射式極化鏡。前者的特點(diǎn)是超鏡對下旋中子的散射長度密度（scatter length density，SLD）非常接近于0，使超鏡和真空對于下旋中子的折射率幾乎相同，中子從真空入射到超鏡，僅有上旋中子被反射，從而實(shí)現(xiàn)對反射中子（上旋）的極化。后者的特點(diǎn)是超鏡和基底（一般為薄Si晶片）對于下旋中子的折射率相同，中子先入射到基底，再入射到超鏡，下旋中子基本不反射，從而實(shí)現(xiàn)透射中子束（下旋）的極化。由于基于CoTi的反射式極化鏡需要在基底和超鏡之間鍍制釓（Gd）吸收層，以吸收未被反射的中子，由于Gd材料價(jià)格昂貴，并且吸收中子后放熱，可能導(dǎo)致超鏡膜層破壞?；贔eSi多層膜的透射式中子極化鏡對冷中子的吸收非常小，應(yīng)用過程中不改變中子束傳輸方向，因此在中子極化鏡中得到了廣泛應(yīng)用。

Mezei最早提出了中子超鏡。繼Mezei之后，幾種中子超鏡的設(shè)計(jì)方法先后被提出，如HayterMook（H&M）算法以及RSD （realstructure model）算法等，H&M算法是考慮到膜層結(jié)構(gòu)實(shí)際不連續(xù)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，RSD算法基于薄膜實(shí)際結(jié)構(gòu)和生長規(guī)律，采用幾個(gè)不同周期膜系的堆疊來代替原有的非周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。在這幾個(gè)設(shè)計(jì)方法中，以Mezei的方法最為簡單而有效，應(yīng)用最為廣泛。本文針對Mezei算法設(shè)計(jì)出的膜層結(jié)構(gòu)（m=2，m為超鏡反射臨界角與Ni塊材料的全反射臨界角的比值）對其添加帽層并進(jìn)行改進(jìn)，分別通過引入新的膜層結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，克服了Mezei方法原有的缺陷，改善了中子超鏡的反射率和極化率設(shè)計(jì)曲線。

4結(jié)論

本文基于Mezei算法設(shè)計(jì)出的膜層結(jié)構(gòu)（m=2），對其添加帽層（40 nm FeCo+2 nm Si保護(hù)層）并進(jìn)行優(yōu)化，通過亞帽層法和乘系數(shù)法，對其上旋中子反射率和極化率進(jìn)行優(yōu)化。通過計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，在亞帽層法中，所添加膜層的γ值為0.6時(shí)，達(dá)到最優(yōu)效果；在乘系數(shù)中，在一定范圍內(nèi)系數(shù)越大，上旋中子的反射率相對越理想。

兩種方法使用相同膜對數(shù)N所能達(dá)到的m值的對比見圖7（乘系數(shù)法以系數(shù)1.15為例）。結(jié)果表明，為達(dá)到相同的m值，乘系數(shù)法需要更多膜對，且隨著m值或者乘數(shù)系數(shù)的增加，所需膜對數(shù)大大增加。因此，亞帽層法為最佳方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]SCHOENBORN B P，Caspar D L D，Kammerer O F.A novel neutron monochromator[J].Journal of Applied Crystallography，1974，7（5）：508510.

[2]MEZEI F.Novel polarized neutron devices：supermirror and spin component amplifier[J].Communications on Physics，1976，1（3）：8185.

MEZEI F，Dagleish P A.Corrigendum and first experimental evidence on neutron supermirrors[J].Communications on Physics，1977，2（2）：4143.

KRIST T，TEICHERT A，KOVACSMEIEI R，et.al，Neutron supermirror development[M].New York：Springer，2007：335370.

[5]ZHANG Z，LIANG Y，LI W B，et al.Stress evolution in B4C and Cr monolayer and B4C/Cr multilayer films with variable layer thicknesses for neutron detectors[J].Thin Solid Films，2013，531：302305.

[6]MAAZA M，Spegel M，Sella C，et al.Thermal stability of CoTi multilayered neutron polarizers[J].Solid State Communications，1999，112（3）：177181.

[7]Hghj P，Anderson I，Siebrecht R，et al.Neutron polarizing Fe/Si mirrors at ILL[J].Physica B：Condensed Matter，1999，267：355359.

[8]Schrpf O.Comparison of theoretical and experimental behaviour of supermirrors and discussion of limitations[J].Physica B：Condensed Matter，1989，156：631638.

[9]STAHN J，CLEMENS D.A remanent Fe/Si supermirror transmission polarizer[J].Applied Physics A，2002，74（1）：15321534.

HAYTER J B，MOOK H A.Discrete thinfilm multilayer design for Xray and neutron supermirrors[J].Journal of Applied Crystallography，1989，22（1）：3541.

[11]PKESHANOV N K.Algorithm for the realstructure design of neutron supermirrors[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2004，524（1/2/3）：273286.

[12]張眾，王占山，吳永榮，等.中子超鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（1）：8488.

（編輯：程愛婕）