CN105445780B - 一种中子单色器高次谐波的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子单色器高次谐波的测量装置及方法。所述测量装置包括反应堆，中子传输孔道，中子单色器，飞行时间装置，偏转单色器，旋转台；通过使用偏转单色器，测量偏转束的初级及高次谐波中子波长、波长展宽及成分百分比，基于偏转单色器并辅以适当的数据处理，在偏离出射束方向获得待测中子单色器的高次谐波波长、波长展宽及成分百分比的准确值，克服了出射束方向空间狭小安放不下TOF装置的问题及波长展宽包含TOF装置的仪器本征误差的问题。

Description

一种中子单色器高次谐波的测量装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种中子单色器高次谐波的测量装置及方法，属于中子单色器测量领域。

背景技术

反应堆和加速器提供的慢中子通常都具有连续的能谱，这种中子源称为白光中子源。很多核物理实验(例如中子散射实验)需要的是波长为λ，展宽为Δλ(FWHM)的单色中子束。由白光中子源获取单色中子束最常用的方法是使用晶体单色器(如热解石墨、锗、硅、铜、铍、铁及Heusler晶体等)。利用Bragg反射获得的单色中子束除含有波长为λ的初级中子外，还常含有波长为λ/2、λ/3甚至λ/4的高次谐波中子，污染波长为λ的单色中子束。高次谐波的测量是评价单色器性能、衡量束流质量及物理实验数据处理的重要参考和依据。如图1所示，传统的方法是使用TOF(time of flight)飞行时间装置正对中子单色器出射束方向，获得如图2所示的测量结果。由于中子单色器出射束方向通常都安装仪器设备，所剩空间狭小，经常满足不了TOF装置的安放，这是传统测量方法的局限。此外，高次谐波的测量主要包括波长λ、波长展宽Δλ(FWHM)及高次谐波中子成分百分比，传统测量方法获得的波长展宽Δλ(FWHM)包含TOF装置的仪器本征误差，与真实值可能相差较大，不适合作评价单色器及衡量束流质量的依据，这也是传统测量方法的不足之处。

发明内容

本发明针对中子单色器出射束方向空间狭小安放不下TOF装置的问题，提出使用偏转单色器将束流偏离直射束方向，测量偏转束的高次谐波，辅以必要的修正获得出射束的高次谐波数据。

具体地，本发明提供一种中子单色器高次谐波的测量装置，所述测量装置包括反应堆，中子传输孔道，待测中子单色器，飞行时间装置，偏转单色器，旋转台；

所述中子传输孔道的一端安装在反应堆出口，所述中子传输孔道的另一端放置待测中子单色器；偏转单色器的平板垂直放置固定于旋转台的中心，并一起置于待测中子单色器的出射束方向，旋转台的旋转中心位于所述出射束的中心线上；所述飞行时间装置位于正对偏转单色器的偏转束位置。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量装置，所述飞行时间装置包括顺序排列的镉缝，斩波器，飞行管，探测器。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量装置，所述中子传输孔道是冷中子导管或真空腔，所述探测器是闪烁体探测器。

本发明还提供一种使用如上所述装置的中子单色器高次谐波的测量方法，所述方法包括以下步骤：

(1)选择偏转单色器；

(2)调出偏转束；

(3)飞行时间装置对中；

(4)测量飞行时间谱；

(5)通过数据拟合获得波长；

(6)通过误差扣除获得波长展宽；

(7)计算偏转单色器的反射率；

(8)反推待测中子单色器反射的初级中子及高次谐波中子的成分比例。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量方法，所述步骤(1)具体过程如下：偏转单色器的材质与待测中子单色器相同，厚度大于或等于待测中子单色器；偏转单色器的偏转晶面与待测中子单色器的反射晶面的米勒指数(hkl)相同；偏转单色器的嵌镶分布半高宽为β′，待测中子单色器的嵌镶分布半高宽为β，β′≥3β；使用X射线衍射仪测量偏转单色器的摇动曲线，获得所述嵌镶分布半高宽β′。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量方法，所述步骤(2)和步骤(3)的具体过程如下：

转动旋转台将偏转单色器平板平面调至与待测中子单色器平板平面平行；将一维中子线探测器置于正对偏转束位置，打开位于偏转单色器前中子飞行路径上的屏蔽门放出中子束，转动旋转台在初始位置附近步进扫描，微调线探测器位置，确保偏转束照射到线探测器中心区，记录每个角度下线探测器积分计数率；将旋转台旋转至线探测器积分计数率最大的角度；关闭屏蔽门，移走线探测器，将飞行时间装置置于正对偏转束位置；打开屏蔽门放出中子束，微调飞行时间装置位置，使用手持式中子示踪仪监测偏转束，确保镉缝位于偏转束束斑区，透过镉缝的中子束照射到飞行时间装置闪烁体探测器的中心区。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量方法，所述步骤(4)、(5)、(6)的具体过程如下：

启动飞行时间装置测量飞行时间谱；将飞行时间装置闪烁体探测器移至距离斩波器2mm位置，相同参数条件下再测一次飞行时间谱；将前后两次测量结果叠加在一起，先是起始时间偏移修正，继而将飞行时间谱转换为波长分布谱，最后根据闪烁体探测器的探测效率随波长变化曲线修正探测效率，获得测量结果；距离斩波器2mm位置闪烁体探测器测得的飞行时间装置本征波长展宽即是由镉缝及斩波器狭缝贡献的飞行时间装置本征误差；分别对各个峰进行高斯拟合，获得初级中子波长λ₁及标准偏差σ₁，高次谐波中子波长λ₂、λ₃…...λ_n及标准偏差σ₂、σ₃…...σ_n，飞行时间装置本征波长展宽峰标准偏差σ₀；根据获得的标准偏差使用如下公式扣除飞行时间装置本征误差从而得到初级中子波长展宽高次谐波中子波长展宽 计算出的初级中子及高次谐波中子的波长及波长展宽可表征待测中子单色器出射束的波长及波长展宽。

进一步地，如上所述的中子单色器高次谐波的测量方法，所述步骤(7)和步骤(8)的具体过程如下：

根据所述获得的测量结果计算初级中子及高次谐波中子的积分强度I₁、I₂、I₃…...I_n；使用开放软件NOP，输入偏转单色器的偏转晶面米勒指数(nh,nk,nl)、德拜温度、中子波长λ_n、嵌镶分布半高宽β′及晶体厚度，n为正整数，h、k、l为互质整数，计算出初级中子及高次谐波中子反射率k₁、k₂、k₃…...k_n，用k_n表征(nh,nk,nl)晶面反射波长λ_n中子的反射率，初级中子及高次谐波中子成分百分比表达为I₁/k₁/S、I₂/k₂/S、…...I_n/k_n/S，其中S＝I₁/k₁+I₂/k₂+I₃/k₃+...+I_n/k_n。

通过测量偏转束的初级及高次谐波中子波长、波长展宽及成分百分比，基于偏转单色器并辅以适当的数据处理，在偏离出射束方向(偏转束方向)获得待测中子单色器的高次谐波波长、波长展宽及成分百分比的准确值，克服了出射束方向空间狭小安放不下TOF装置的问题及波长展宽Δλ(FWHM)包含TOF装置的仪器本征误差的问题。

附图说明

图1为高次谐波测量传统装置示意图。

图2为高次谐波传统测量方法的结果示意图。

图3为本发明的高次谐波测量装置图。

图4为本发明的高次谐波测量方法流程图。

图5为本发明Δλ(FWHM)测量TOF装置仪器本征误差扣除方法示意图。

附图标记：反应堆1，中子传输孔道2，中子单色器3，镉缝4，斩波器5，飞行管6，探测器7，TOF装置8，偏转单色器9，旋转台10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的束流偏转测量装置和方法分别如图3、4所示。针对传统测量方法获得的波长展宽Δλ(FWHM)包含TOF装置的仪器本征误差，与真实值可能相差较大的问题，提出TOF装置本征误差测量及扣除方法，如图5所示。

实施例

待测单色器3是石墨单色器，反射晶面(002)，嵌镶分布半高宽0.3°。如图3所示，中子传输孔道2是冷中子导管，待测石墨单色器置于导管出口位置，Bragg反射角2θ约为90°。由于出射束方向安装了中子反射谱仪，出射束方向没有安放TOF装置的空间，因此需将束流偏转测量偏转束的高次谐波。偏转单色器9为偏转石墨单色器，偏转晶面(002)。使用X射线衍射仪测量偏转石墨单色器的摇动曲线，获得嵌镶分布半高宽0.93°。

将偏转石墨单色器平板垂直放置固定于旋转台10中心，并一起置于出射束方向。旋转台旋转中心基本位于出射束中心线上，转动旋转台将偏转石墨单色器平板平面调至与待测石墨单色器平板平面基本平行(如图3所示，偏转束基本与待测中子单色器入射束平行)。将一维位敏中子线探测器置于正对偏转束位置(线探测器灵敏区宽度大于束斑宽度)。打开位于偏转单色器前中子飞行路径上的屏蔽门放出中子束，转动旋转台在初始位置附近步进扫描(步长0.1°)，微调线探测器位置，确保偏转束照射到线探测器中心区，记录每个角度下线探测器积分计数率。将旋转台旋转至线探测器积分计数率最大的角度。关闭屏蔽门，移走线探测器，将TOF装置置于正对偏转束位置。打开屏蔽门放出中子束，微调TOF装置位置，使用手持式中子示踪仪监测偏转束，确保镉缝4位于偏转束束斑区，透过镉缝的中子束照射到TOF装置闪烁体探测器7的中心区。

启动TOF装置测量飞行时间谱(光电开关给出的起飞信号稍早于时间谱的实际零点)；将TOF装置闪烁体探测器移至距离斩波器2mm位置，相同参数条件下再测一次飞行时间谱。将前后两次测量结果叠加在一起，先是起始时间偏移修正，继而将飞行时间谱转换为波长分布谱，最后根据闪烁体探测器的探测效率随波长变化曲线修正探测效率(TOF装置本征波长展宽不用修正探测效率)，获得测量结果如图5所示。距离斩波器2mm位置闪烁体探测器测得的TOF装置本征波长展宽即是由镉缝及斩波器狭缝贡献的TOF装置本征误差。由于冷中子导管出口位置中子能谱限制(四级波长中子强度非常低，四级以上波长中子强度为0)，只测出了初级、次级及三级信号(如图5所示)。分别对各个峰进行高斯拟合，获得初级中子波长及标准偏差高次谐波中子波长及标准偏差TOF装置本征波长展宽峰标准偏差根据获得的标准偏差使用如下公式扣除TOF装置本征误差从而得到初级中子波长展宽高次谐波中子波长展宽由于偏转石墨单色器的偏转晶面与待测石墨单色器的反射晶面的米勒指数相同且前者嵌镶分布半高宽0.93°大于三倍后者嵌镶分布半高宽0.3°，计算出的初级中子及高次谐波中子的波长及波长展宽可表征待测中子石墨单色器出射束的波长及波长展宽。

根据图5所示测量结果计算出初级中子及高次谐波中子的积分强度I₁＝809.5、I₂＝926.0、I₃＝71.7。使用NOP等开放软件，输入偏转单色器的偏转晶面米勒指数、德拜温度、中子波长、嵌镶分布半高宽及晶体厚度等参数，计算出初级中子及高次谐波中子反射率k₁＝1.429、k₂＝0.546、k₃＝0.210，可以用k_n表征(nh,nk,nl)晶面反射波长λ_n中子的反射率，初级中子及高次谐波中子成分百分比可表达为I₁/k₁/S＝21.8％、I₂/k₂/S＝65.1％、I₃/k₃/S＝13.1％，其中S＝I₁/k₁+I₂/k₂+I₃/k₃＝2603.88。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种中子单色器高次谐波的测量装置，其特征在于：

所述测量装置包括反应堆，中子传输孔道，待测中子单色器，飞行时间装置，偏转单色器，旋转台；

所述中子传输孔道的一端安装在反应堆出口，所述中子传输孔道的另一端放置待测中子单色器；偏转单色器的平板垂直放置固定于旋转台的中心，并一起置于待测中子单色器的出射束方向，旋转台的旋转中心位于所述出射束的中心线上；所述飞行时间装置位于正对偏转单色器的偏转束位置；

偏转单色器的材质与待测中子单色器相同，厚度大于或等于待测中子单色器；偏转单色器的偏转晶面与待测中子单色器的反射晶面的米勒指数(hkl)相同；偏转单色器的嵌镶分布半高宽为β′，待测中子单色器的嵌镶分布半高宽为β，β′≥3β；使用X射线衍射仪测量偏转单色器的摇动曲线，获得所述嵌镶分布半高宽β′。

2.如权利要求1所述的中子单色器高次谐波的测量装置，其特征在于：

所述飞行时间装置包括顺序排列的镉缝，斩波器，飞行管，探测器。

3.如权利要求2所述的中子单色器高次谐波的测量装置，其特征在于：

所述中子传输孔道是冷中子导管或真空腔，所述探测器是闪烁体探测器。

4.一种使用权利要求1-3中任意一项装置的中子单色器高次谐波的测量方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

(1)选择偏转单色器；

(2)调出偏转束；

(3)飞行时间装置对中；

(4)测量飞行时间谱；

(5)通过数据拟合获得波长；

(6)通过误差扣除获得波长展宽；

(7)计算偏转单色器的反射率；根据所述获得的测量结果计算初级中子及高次谐波中子的积分强度I₁、I₂、I₃…...I_n；使用开放软件NOP，输入偏转单色器的偏转晶面米勒指数(nh,nk,nl)、德拜温度、中子波长λ_n、嵌镶分布半高宽β′及晶体厚度，n为正整数，h、k、l为互质整数，计算出初级中子及高次谐波中子反射率k₁、k₂、k₃…...k_n，用k_n表征(nh,nk,nl)晶面反射波长λ_n中子的反射率；

(8)反推待测中子单色器反射的初级中子及高次谐波中子的成分比例；初级中子及高次谐波中子成分百分比表达为I₁/k₁/S、I₂/k₂/S、…...I_n/k_n/S，其中S＝I₁/k₁+I₂/k₂+I₃/k₃+...+I_n/k_n。

5.如权利要求4所述的中子单色器高次谐波的测量方法，其特征在于：

所述步骤(2)和步骤(3)的具体过程如下：

转动旋转台将偏转单色器平板平面调至与待测中子单色器平板平面平行；将一维中子线探测器置于正对偏转束位置，打开位于偏转单色器前中子飞行路径上的屏蔽门放出中子束，转动旋转台在初始位置附近步进扫描，微调线探测器位置，确保偏转束照射到线探测器中心区，记录每个角度下线探测器积分计数率；将旋转台旋转至线探测器积分计数率最大的角度；关闭屏蔽门，移走线探测器，将飞行时间装置置于正对偏转束位置；打开屏蔽门放出中子束，微调飞行时间装置位置，使用手持式中子示踪仪监测偏转束，确保镉缝位于偏转束束斑区，透过镉缝的中子束照射到飞行时间装置闪烁体探测器的中心区。

6.如权利要求5所述的中子单色器高次谐波的测量方法，其特征在于：

所述步骤(4)、(5)、(6)的具体过程如下：

启动飞行时间装置测量飞行时间谱；将飞行时间装置闪烁体探测器移至距离斩波器2mm位置，相同参数条件下再测一次飞行时间谱；将前后两次测量结果叠加在一起，先是起始时间偏移修正，继而将飞行时间谱转换为波长分布谱，最后根据闪烁体探测器的探测效率随波长变化曲线修正探测效率，获得测量结果；距离斩波器2mm位置闪烁体探测器测得的飞行时间装置本征波长展宽即是由镉缝及斩波器狭缝贡献的飞行时间装置本征误差；分别对各个峰进行高斯拟合，获得初级中子波长λ₁及标准偏差σ₁，高次谐波中子波长λ₂、λ₃…...λ_n及标准偏差σ₂、σ₃…...σ_n，飞行时间装置本征波长展宽峰标准偏差σ₀；根据获得的标准偏差使用如下公式扣除飞行时间装置本征误差从而得到初级中子波长展宽高次谐波中子波长展宽 计算出的初级中子及高次谐波中子的波长及波长展宽可表征待测中子单色器出射束的波长及波长展宽。