CN111799010A - 一种氦三中子极化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中子极化技术领域，具体涉及一种氦三中子极化装置，本申请的氦三中子极化装置包括极化组件、加热组件、磁场组件和激光组件。其中，极化组件内部形成有一个密封的极化腔，用于盛装氦三气体，加热组件用于对极化组件进行加热，为氦三气体极化提供所需的高温度环境，磁场组件设置在极化组件的外围，用于为极化过程提供一个稳定的极化磁场，激光组件用于向极化腔内通入圆偏振光，为所述氦三原子的极化提供光子，使得碱金属原子吸收光子跃迁的过程持续进行，并与氦三原子连续碰撞，完成极化转移，最终实现氦三原子的极化，进而进行中子的极化。
Description
技术领域
本发明涉及中子极化技术领域，具体涉及一种氦三中子极化装置。
背景技术
中子为1/2自旋粒子，带有磁偶极矩，因此可以被极化而产生极化中子束。极化中子散射在磁性材料的研究上有其他任何技术都无可匹敌的优势，是唯一一种能无差别分别磁散射和核散射的探测技术。在目前主流的中子极化技术中，极化氦三中子自旋过滤装置具有接收角度大、极化率高、本底低、能谱宽、极化与分析能力均匀等显著优势，成为目前实现中子极化的主流选择。氦三中子极化方法中的SEOP方法中，直接在高压(1-10bar)下实现氦三的极化，首先将碱金属最外层电子极化，再通过自旋交换的方式将极化转移到氦三原子的核自旋上。由于其在多波长范围内可使用、接收角大以及可以同时作为极化翻转器和极化分析器使用的优点，是最适用于散裂中子源的极化器。实验室中的原位系统，随着时间的增加，中子的自旋极化率会降低进而影响实验，例如磁成像的测量需要较长的测量时间，因此中子自旋极化必须在几天内保持稳定。原位系统不便于运输，且其极化度随着时间的推迟而迅速衰减，因此需要设计对应的在线极化氦三中子自旋过滤系统，并保持整个过程中中子束的稳定极化，以完成极化中子实验。
发明内容
本发明提供一种氦三中子极化装置，其目的在于在线对中子进行稳定极化。
一种氦三中子极化装置,包括：极化组件、加热组件、磁场组件和激光组件；
所述极化组件内部形成有一个密封的极化腔，用于盛装氦三气体和碱金属；
所述加热组件用于对所述极化组件进行加热，为所述氦三气体极化提供所需的温度环境；
所述磁场组件设置在所述极化组件的外围，用于形成一个稳定的极化磁场；
所述激光组件用于向所述极化腔内通入圆偏振光，为所述氦三气体极化提供光子。
在一种实施例中，所述加热组件包括加热筒体和加热管道，所述加热管道内通入有加热后的气体；
或者所述加热组件包括加热筒体以及加热控制器，该加热控制器为风管型加热控制器，利用空气流通过一个封闭的加热表面来进行加热。
在一种实施例中，所述磁场组件包括AFP线圈组件和主磁场组件；
所述AFP线圈组件包括第一筒体以及绕制在该第一筒体上的AFP线圈，所述AFP线圈沿着所述第一筒体的轴向绕制在所述第一筒体外壁上；
所述主磁场组件包括第二筒体和绕制在该第二筒体外壁上主线圈，所述主线圈沿着圆周方向绕制在所述第二筒体的外壁上。
在一种实施例中，所述主磁场组件还包括两个副线圈，所述两个副线圈均沿着圆周方向绕制在所述主线圈的外围，并且分别位于所述第二筒体两端的位置。
在一种实施例中，还包括冷却水管，所述冷却水管绕制在所述加热筒体的外围；
还包括圆形支撑件，所述支撑件上设有蓝宝石片，所述支撑件设置在所述第一筒体的两端，所述第二筒体套装在所述第一筒体外，所述支撑件的四周与所述第二筒体的内壁接触；
所述冷却水管位于所述加热筒体和第一筒体之间，用于对所述AFP线圈组件和主磁场组件进行热隔离。
在一种实施例中，还包括坡莫合金套筒和封装圆盖，所述坡莫合金套筒套装在所述主磁场组件外围，所述封装圆盖设置在所述坡莫合金套筒的两端，所述封装圆盖上设有通孔，所述通孔的中心、蓝宝石片的中心以及所述加热筒体的轴心在同一光路上，所述极化组件设置在所述加热筒体的空腔内。
在一种实施例中，所述激光组件包括激光器、透镜、偏振分光镜和四分之一波片、反射镜；
所述激光器用于发射固定波长的激光(例如795nm)，所述透镜、偏振分光镜和四分之一波片依次设置在所述光路上，用于将所述固定波长的激光分离成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并使得所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，分别从所述封装圆盖上的通孔内射入所述极化腔内，其中反射镜用于改变光路的方向。
在一种实施例中，还包括箱体，所述极化组件、加热组件、磁场组件均设置在该箱体内，所述箱体的一组相对的侧壁上分别设有一个透射部，所述透射部的中心、封装圆盖上通孔的孔心以及加热筒体的轴心均在同一光路上；
所述激光器设置在所述箱体外，所述透镜、偏振分光镜和四分之一波片均设置在箱体内，所述箱体上还设有通孔，用于中子穿过。
在一种实施例中，所述箱体上设有气体连接管，所述气体连接管的内端口与所述加热管道连通，外端口用于连接加热盒；
所述箱体上还设有液体连接管，所述液体连接管的内端口与所述冷却水管连通，外端用于连接水冷机；
所述箱体上还设有BNC接头，所述箱体内的加热筒体内部上还设有温度传感器，所述温度传感器与所述BNC接头电连接，所述BNC接头用于连接测温仪以及磁场接线；
所述箱体内还设有至少一个散热风扇。
在一种实施例中，所述箱体由活动盖板组成，所述活动盖板上设有压板传感器，所述压板传感器与控制器电连接；
所述激光器的发射处附近还设有光电二极管，所述光电二极管也与所述控制器电连接；
所述极化组件上还设有FID线圈和EPR线圈，其中FID线圈用于测量所述极化腔内的相对极化率，EPR线圈用于测量绝对极化率；
还包括安装筒、D2滤波片和光电二极管，所述安装筒设置在所述箱体上，其一端对准所述极化组件，该光电二极管设置在安装筒的另一端，所述D2滤波片设置在所述安装筒中；
所述冷却水管的管路上还有流量开关，所述流量开关也与所述控制器电连接。
依据上述实施例的氦三中子极化装置,其包括极化组件、加热组件、磁场组件和激光组件。其中，极化组件内部形成有一个密封的极化腔，用于盛装氦三气体，加热组件用于对极化组件进行加热，为氦三气体极化提供所需的高温度环境，磁场组件设置在极化组件的外围，用于为极化过程提供一个稳定的极化磁场，激光组件用于向极化腔内通入圆偏振光，为所述氦三气体的极化提供光子，使得碱金属原子吸收光子跃迁的过程持续进行，并与氦三原子连续碰撞，完成极化转移，最终实现氦三原子的极化，进而进行中子的极化。
附图说明
图1为本申请实施例的极化装置整体结构示意图；
图2为本申请实施例的极化装置的加热组件和磁场组件爆炸图；
图3为本申请实施例的极化装置的结构示意图；
图4为本申请实施例的激光组件的结构示意图；
图5为本申请实施例的极化装置在一种视角下的结构示意图；
图6为本申请实施例的加热组件和冷却水管的结构示意图；
图7为本申请实施例的AFP线圈组件的结构示意图；
图8为本申请实施例的主磁场组件结构示意图；
图9为本申请实施例的联锁控制系统结构示意图；
图10为本申请实施例的联锁控制系统工作流程图；
图11为本申请实施例的光路示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。
本申请的氦三中子极化装置使用的是自旋交换光学泵浦技术SEOP(Spin-exchange optical pumping)，其基本原理是中子穿过通过激光不断地泵浦极化的氦三气体时，极化气体对自旋与氦三反平行的中子吸收截面比与氦三自旋平行的中子吸收截面大约3个数量级，利用这一特点来实现中子束流的极化。
实施例一：
请参考图1，本实施例提供一种氦三中子极化装置,其主要包括：极化组件、加热组件1、磁场组件和激光组件。
其中，如图3，极化组件1为密封玻璃容器，该容器是密封的极化腔，极化腔用于盛装氦三气体和碱金属气体，玻璃容器上设置有注入口，注入口用于注入氦三气体和碱金属气体，同时玻璃容器上还设有FID线圈12，FID线圈12用于测量玻璃容器内的相对极化率；该系统还包括安装筒14、EPR线圈13、光电二极管和D2滤波片15，其中EPR线圈13设置在玻璃容器外用于施加射频场，光电二极管16用于探测荧光信号，D2滤波片15用于过滤激光，该方法用于测量玻璃容器内的绝对极化率。加热组件设置在极化组件1的四周用于对极化组件1的极化腔1进行均匀加热，为氦三气体极化提供稳定的温度环境，以保证极化稳定进行。磁场组件设置在极化组件的外围，用于形成一个稳定的磁场，为了中子极化提供稳定的磁场环境。激光组件用于向极化腔内通入圆偏振光，为氦三气体极化提供光子。使得氦三原子吸收光子跃迁的过程持续进行，以完成中子的稳定极化。为了保证极化氦三对中子的高效过滤，极化腔应具备耐高温、无磁性、透光、低渗透率的特点，因此需选择玻璃作为氦三气体的容器。而极化腔的磁化率通过核磁共振法NMR(Nuclear Magnetic Resonance)的自由衰减感应FID(Free Induction Decay)技术和电子顺磁共振EPR(Electron ParamagneticResonance)技术来分别测量相对极化率和绝对极化率，而通过NMR方法的绝热快速通道AFP(Adiabatic Fast Passage)技术可以改变中子的自旋方向。
其中，如图2，本实施例的加热组件包括加热筒体21以及设置在加热筒体21外围的加热管道，其中加热筒体21采用PEEK(聚醚醚酮)材质，加热管道内通入有加热后的气体，对加热筒体21持续加热，使得极化腔内保持稳定的高温环境，高温环境用于汽化碱金属成蒸汽。然后再在加热管道外层先包裹适当厚度的玻璃纤维达到保温且不散发热量的作用。
其中，本实施例的磁场组件包括AFP线圈组件和主磁场组件，如图7，AFP线圈组件和主磁场组件上线圈的绕制方向垂直，以提供相互垂直的磁场实现中子翻转。具体的，AFP线圈组件包括第一筒体31以及绕制在该第一筒体31上的AFP线圈，在第一筒体31上沿着轴向设置有多个垫片32，AFP线圈绕制在垫片32的四周，这样AFP线圈32沿着第一筒体31的轴向绕制在第一筒体31的外壁上，AFP线圈通电后可以提供一个沿着第一方向的磁场。如图8，主磁场组件包括第二筒体41和绕制在该第二筒体41外壁上主线圈42，主线圈42沿着圆周方向绕制在第二筒体41的外壁上，这样当主线圈42通电后，会形成一个沿着第二方向的磁场，并且第一方向和第二方向垂直，即形成两个互相垂直的磁场。
进一步的，为了形成的沿着第二方向的磁场的均匀性，本实施例的主磁场组件还包括两个副线圈43，两个副线圈43均沿着圆周方向绕制在主线圈42的外围，并且分别位于第二筒体41两端的位置。
磁场中的主磁场用于定义极化的方向，而副线圈43用于施加一个弱横场脉冲，然后通过测量系统计算氦三的极化率。主磁场必须要满足
弛豫时间才能保证足够长。实验中在磁屏蔽外壳的内部，通过使用磁场线圈为极化系统提供均匀的主磁场，并通过在主线圈的两侧添加副线圈43保证磁场的均匀性。
工作时，需要将磁场组件套装在加热组件上，以提供均匀的磁场，为了避免加热组件产生的热量对坡莫合金的损害，影响其磁屏蔽性，如图6，本实施例中还设有冷却水管22，冷却水管22绕制在加热管道的外围，冷却水管22采用Teflon材质制成。具体的，在加热管道与冷却水管22之间形成有间隙的空腔，即保证冷却水管22不与加热管道直接接触，这样避免影响加热效率。
为了避免热量散失过快，本实施例中在第一筒体31的两端还设有蓝宝石片。蓝宝石片62比较薄，因此通过圆形支撑件61固定并起到支撑的作用，支撑件的中心处装有蓝宝石片62，支撑件62通过螺丝固定在第一筒体31的两端，第二筒体41套装在第一筒体31外，支撑件62的四周与第二筒体41的内壁接触。冷却水管22位于加热筒体21和第一筒体31之间，对AFP线圈组件，主磁场组件和坡莫合金起到磁屏蔽的作用。蓝宝石片62可以保证中子和激光穿过，圆形支撑件62的通孔加装蓝宝石片62，用于透光、保温和保证高中子透过率并减小背底。
为了屏蔽外界的磁场，本实施例的装置还包括坡莫合金套筒53和封装圆盖51，坡莫合金套筒53套装在主磁场组件外围，即套装在主线圈42的外壁上，封装圆盖51设置在坡莫合金套筒53的两端，封装圆盖51上设有通孔52，用于激光和中子穿过，通孔52的中心、蓝宝石片62的中心以及加热筒体21内部的圆柱形腔体的轴心均在同一光路上，极化组件设置在加热筒体21的空腔内。由于中子谱仪线上各种铁磁性物体较多，所以谱仪上的磁场环境与实验室相比磁场环境复杂，进而导致退极化时间会缩短。本实施例设计的高磁导率的磁屏蔽材料制成的坡莫合金套筒53可对谱仪上的复杂电磁环境进行屏蔽。
如图4，本实施例的激光组件包括激光器8、透镜81、偏振分光镜82和四分之一波片84以及多个反射镜83。如图11，激光器8用于发射固定波长的激光，透镜、偏振分光镜82和四分之一波片84依次设置在激光光路上，另外光路上还设有多个反射镜83。从激光器8发出的激光束为固定波长的激光(例795nm)，经光纤传导后再经过透镜整形成平行光，随后利用偏振分光镜(也叫标准分光镜PBS(polarized beam splitter))82，实现沿垂直方向的线偏振P光和沿水平方向偏振的S线偏振光分离；分离后的线偏振光则分别通过四分之一波片(QWP)84变成圆偏振光，其中P光变成右旋圆偏振光，S光变成左旋圆偏振光，这时再通过镀膜硅片材质的反射镜83调整光束路径至与极化腔同一水平线上，使得两个不同方向的光沿对称的路径，同时照射进极化腔。激光组件在进行中子自旋过滤时，将持续开启，使得碱金属原子吸收光子跃迁的过程持续进行。
进一步的，本实施例的装置还包括箱体7，极化组件、加热组件、磁场组件均设置有在该箱体7内，箱体7的一组相对的侧壁上分别设有一个中子透射部，该透射部为硅片71，硅片71的中心、封装圆盖51上通孔52的孔心以及加热筒体21的轴心、蓝宝石片62的中心均在同一光路上。
本实施例的激光器8设置在箱体7的底部外，透镜、偏振分光镜82、反射镜83和四分之一波片84均设置在箱体7内部，箱体7底部上还设有通孔，用于激光穿过。
如图5，本实施例的箱体7上设有气体连接管74，气体连接管74的内端口与加热管道连通，外端口用于连接加热盒73，加热盒73用于产生加热气流。箱体7上还设有液体连接管75，液体连接管75的内端口与冷却水管22连通，外端用于连接水冷机，用于提供循环冷却水，进行热隔离。箱体7上还设有BNC接头76，箱体7内的加热筒体21内部上或者极化组件外壁上还设有温度传感器11，例如设置有热电偶，温度传感器11与BNC接头76电连接，BNC接头用于连接测温仪，实时测量极化组件1内部的温度信息，以便对温度进行监控。在箱体7上盖的内壁的四个角处还分别设有一个散热风扇72，用于对箱体7内进行散热。
本实施例的箱体7由活动盖板组成，活动盖板装在铝合金框架上，活动盖板采用铝板，框架的底部是面包板，用于固定光学元件、极化组件1、加热组件、磁场组件和激光组件。其中接线则通过铝板上的BNC接头76连接到测量仪器上，气管和水管也通过铝板上的水孔和气孔分别连接到铝板上的气体连接管74和液体连接管75上。其中透射中子对应的两块板上预留用于安装N型硅片71的安装孔，以过滤外界杂质光线和防止内部激光泄露，并设计了风扇72对在线系统进行散热，防止系统过热。
其中，该在线系统既要保证工作人员的安全，又要同时保证该系统的长时间的安全运行，因此必须为系统添加安全联锁控制装置。当意外发生时，激光联锁控制系统可快速可靠地做出相应动作，避免人员与机器设备损伤，本实施例还设有激光联锁系统，如图9，该激光联锁系统包括一个控制器。活动盖板7上设有压板传感器，压板传感器与控制器电连接；当激光器运行时，箱体紧闭，保持激光器的密闭性，当激光停止时，可打开活动盖板进行检修维护。如图10，为防止在激光器8运行期间活动盖板被打开，或在活动盖板未就位时启动激光器8，在所有的活动盖板上均设有压板传感器，只要有任意盖板未就位，激光器将无法开启或自动关闭。
激光器8的发射处还设有光电二极管，光电二极管也与控制器连接；光电二极管用于检测激光，一旦光电二极管检测到激光泄露，将立即停止激光器8。冷却水管的管路上还有流量开关，流量开关也与控制器连接。激光器8在工作时会产生大量的热量，为防止激光器过温导致损坏，需通过冷却水带走激光器8产生的热量。因此在冷却水管道上设立流量开关，流量开关可实时检测冷却水流量，一旦冷却水流量低于阈值或流量开关关闭，系统将立即关闭激光器8。
当系统掉电时，电源开关将自动调至关闭状态，以保证再次来电时激光器仍处于关闭状态。激光联锁控制系统的模式需要操作员使用安全钥匙在“调试模式”和“运行模式”之间切换。当安全钥匙处于调试模式时，控制系统进入调试模式，此时关闭联锁控制系统。当安全钥匙处于运行状态时，系统进入联锁状态，此时将开启联锁控制系统。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种氦三中子极化装置,其特征在于，包括：极化组件、加热组件、磁场组件和激光组件；
所述极化组件内部形成有一个密封的极化腔，用于盛装氦三气体和碱金属气体；
所述加热组件用于对所述极化组件进行加热，为所述氦三气体极化提供所需的温度环境；
所述磁场组件设置在所述极化组件的外围，用于形成一个稳定的极化磁场；
所述激光组件用于向所述极化腔内通入圆偏振光，为所述氦三气体极化提供光子。
2.如权利要求1所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述加热组件包括加热筒体以及加热管道，所述加热管道内通入有加热后的气体。
3.如权利要求2所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述磁场组件包括AFP线圈组件和主磁场组件；
所述AFP线圈组件包括第一筒体以及绕制在该第一筒体上的AFP线圈，所述AFP线圈沿着所述第一筒体的轴向绕制在所述第一筒体外壁上；
所述主磁场组件包括第二筒体和绕制在该第二筒体外壁上主线圈，所述主线圈沿着圆周方向绕制在所述第二筒体的外壁上。
4.如权利要求3所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述主磁场组件还包括两个副线圈，所述两个副线圈均沿着圆周方向绕制在所述主线圈的外围，并且分别位于所述第二筒体两端的位置。
5.如权利要求3所述的氦三中子极化装置，其特征在于，还包括冷却水管，所述冷却水管绕制在所述加热筒体的外围；
还包括圆形支撑件，所述支撑件上设有蓝宝石片，所述支撑件设置在所述第一筒体的两端，所述第二筒体套装在所述第一筒体外，所述支撑件的四周与所述第二筒体的内壁接触；
所述冷却水管位于所述加热筒体和第一筒体之间，用于对所述AFP线圈组件和主磁场组件进行热隔离。
6.如权利要求5所述的氦三中子极化装置，其特征在于，还包括坡莫合金套筒和封装圆盖，所述坡莫合金套筒套装在所述主磁场组件外围，所述封装圆盖设置在所述坡莫合金套筒的两端，所述封装圆盖的上设有通孔，所述通孔的中心、蓝宝石片的中心以及所述加热筒体的轴心在同一光路上，所述极化组件设置在所述加热筒体的空腔内。
7.如权利要求6所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述激光组件包括激光器、透镜、偏振分光镜和四分之一波片；
所述激光器用于发射固定波长的激光，所述透镜、偏振分光镜和四分之一波片依次设置在所述激光的光路上，用于将所述固定波长的激光分离成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并使得所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别从所述封装圆盖上的通孔内射入所述极化腔内。
8.如权利要求7所述的氦三中子极化装置，其特征在于，还包括箱体，所述极化组件、加热组件、磁场组件均设置有在该箱体内，所述箱体的一组相对的侧壁上分别设有一个透射部，所述透射部的中心、封装圆盖上通孔的孔心以及加热筒体的轴心均在同一光路上；所述箱体上还设有通孔，用于激光穿过。
9.如权利要求7所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述箱体上设有气体连接管，所述气体连接管的内端口与所述加热管道连通，外端口用于连接加热盒；
所述箱体上还设有液体连接管，所述液体连接管的内端口与所述冷却水管连通，外端用于连接水冷机；
所述箱体上还设有BNC接头，所述箱体内的加热筒体内部上还设有温度传感器，所述温度传感器与所述BNC接头电连接，所述BNC接头用于连接测温仪；
所述箱体内还设有至少一个散热风扇。
10.如权利要求9所述的氦三中子极化装置，其特征在于，所述箱体由活动盖板组成，所述活动盖板上设有压板传感器，所述压板传感器与控制器电连接；
所述激光器的发射处还设有光电二极管，所述光电二极管也与所述控制器电连接；
所述极化组件上还设有FID线圈和EPR线圈，其中FID线圈用于测量所述极化腔内的相对极化率，EPR线圈用于测量绝对极化率；
还包括安装筒、D2滤波片和光电二极管，所述安装筒设置在所述箱体上，其一端对准所述极化组件，该光电二极管设置在安装筒的另一端，所述D2滤波片设置在所述安装筒中；
所述冷却水管的管路上还有流量开关，所述流量开关也与所述控制器电连接。
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