CN206339503U - 一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，所述自动换样装置中的N极、S极在磁场强度控制器的控制下形成磁场，磁力线为水平方向；滑块单元固定在导轨上，导轨的上端与伺服电机固定，导轨的下端与磁基座固定，磁基座固定在底座上，底座固定在小角中子散射谱仪的工作平台上；中子束入射窗口位于磁场的中心；滑块单元位于磁场中，计算机控制伺服电机驱动滑块单元通过导轨在竖直方向上下移动，滑块单元的样品窗口依次切换至中子束入射窗口。该自动换样装置能够实现与小角中子散射原位联用的自动换样控制，具有安装简易、容易拆卸、时间同步、位移精确、自动化、节省人力的优点，适用于小角中子散射研究中不同条件下磁性材料测试。

Description

一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置

技术领域

本实用新型属于中子散射原位自动化测量技术领域，具体涉及一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置。

背景技术

现代磁性材料广泛应用在人类生活的方方面面，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济都紧密相关。磁性材料通常是指由铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。例如：纳米结构氧化物弥散强化钢（ODS钢）是一种典型的磁性材料，具有优异的抗辐照抗氦脆性能和良好的高温强度，被认为是未来示范和商业聚变堆包层和快堆燃料包壳的重要候选结构材料。ODS钢中弥散颗粒的形成机制还未达成一致，但是主流观点是溶入—析出机制，即在机械合金化过程中添加的氧化物颗粒和合金元素会溶入到基体中，在随后的热致密化过程中析出富钇、钛和氧的纳米颗粒。这些颗粒的尺寸分布、数量以及与基体的关系对ODS钢的性能有显著影响。结合原位磁场（使样品达到饱和）测试，小角中子散射技术可以有效区分磁散射和核散射信号，并获得重要的析出相结构信息。

目前，国内中子散（衍）射技术处于起步阶段，尚未发现有公司针对中子散（衍）射谱仪设计研发此类磁场条件下配套自动换样装置。而X射线不适合研究磁结构，也尚未发现有基于同步辐射光源和商用光源的类似探索。国际上部分小角中子散射平台上磁场装置已经能够实现磁场条件下的中子散射测试，并实现控制磁场强度，但是都存在一个严重问题，就是在切换样品和磁场强度的过程中，会引入样品位置带来的误差，以及更换样品和启动小角中子散射谱仪及磁场装置所耗费的大量人力物力。

目前，亟需一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，该自动换样装置能够在小角中子散射结合磁场加载环境下进行磁性材料结构演化与外部磁场关系的原位自动化测量，适用于实现多样品相同磁场强度、同一样品不同磁场强度、不同磁场强度不同采集时间等多种模式下的材料磁结构原位自动化检测。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置。

本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，其特点是：所述的自动换样装置包括滑块单元，伺服电机，导轨，磁基座，样品窗口，中子束入射窗口，计算机，N极、S极、磁场强度控制器和底座；所述的N极、S极在磁场强度控制器的控制下形成磁场，磁力线为水平方向；所述的滑块单元固定在导轨上，导轨的上端与伺服电机固定，导轨的下端与磁基座固定，磁基座固定在底座上，底座固定在小角中子散射谱仪的工作平台上；所述的中子束入射窗口位于磁场的中心；所述的滑块单元位于磁场中，计算机控制伺服电机驱动滑块单元通过导轨在竖直方向上下移动，滑块单元的样品窗口依次切换至中子束入射窗口。

所述的磁基座通过限位卡槽固定在底座上，磁基座移出限位卡槽后，取出滑块单元，更换滑块单元上的样品窗口中的样品。

所述的滑块单元、导轨、磁基座的材料为不锈钢、铝、镉等抗中子活化的金属材料加工而成，保证中子散射实验后装置的安全性，样品窗口的材料为蓝宝石。

所述的小角中子散射谱仪为反应堆中子源、脉冲堆中子源或散裂中子源中的一种。

本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置具有以下特点：一，采用磁基座对自动换样装置进行快拆式固定，可以保证位置的准确性，保证不同样品切换过程中，每次测量都在相同位置的中子束入射窗口进行；如果采用手动换样模式，每次放置位置发生偏差，造成的情况是中子照射样品的区域会发生偏差，导致即使相同样品放置两次可能产生的透过率、散射计数率不一样，可能造成的分析结果有偏差；二，自动换样装置的滑块单元，伺服电机，导轨，磁基座，样品窗口等部件，都采用不锈钢、铝、镉等抗中子活化的金属材料加工而成，保证中子散射实验后装置的安全性；三，利用自动换样装置，程序控制N极，S极，滑块单元和小角中子散射谱仪三个组成部分各自的程序设定和三重同步工作，可以实现多样品相同磁场强度、同一样品不同磁场强度、不同磁场强度不同采集时间等多种模式的选择和设定，极大地节约人力和减少误操作的可能；四，所述的中子散射技术使用的中子源可以与多种模式的中子源大科学装置进行联用，即可以采用反应堆中子源、脉冲堆中子源、散裂中子源中的一种。

本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置与小角中子散射实验站联用时主要的工作过程如下：

a.将N极，S极，连同底座安装到小角中子散射实验线站上，自动换样装置通过磁基座固定在底座上，利用激光光源对小角中子散射的光路进行调节，使中子束斑与中子束入射窗口中心在同一中心轴上，然后固定底座的位置。

b. 将滑块单元从磁基座上取下，将需要测试的磁散射样品安装在滑块单元的样品窗口内，再整体安装到磁基座上。自动换样装置与磁场强度控制器和计算机进行连接，开启磁场强度控制器电源，设定磁场控制程序；

c.打开计算机中自动换样装置的软件控制窗口，设定自动换样支架的编号、每个样品窗的运动起始时间；开启小角中子散射谱仪控制和数据采集软件中的批处理模式，设定对应的样品个数，每一个样品的测试时间，和两次测试之间的间隔时间；

d.开启小角中子散射谱仪的第二闸门，启动中子光源，启动磁场控制程序和小角中子散射控批处理程序，对每一个样品施加设置的对应磁场，同时记录在磁场条件下样品的小角中子散射信息，获取不同磁场强度下核散射和磁散射对总散射强度的贡献，从而获取样品的微结构信息；

e.通过对不同配比磁性材料样品实施不同磁场强度，系统研究样品中分散体系组分，含量，老化时间等参数对磁性材料微结构演化的影响，将这些数据耦合起来，最终获得材料宏观性能和微观结构的对应机理。

本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，能够实现与小角中子散射联用的原位磁结构检测的自动换样控制，具有安装简易、容易拆卸、时间同步、位移精确、自动化、节省人力等优点，适合于变换磁场强度条件的自动化控制的小角中子散射联用使用条件，适用于小角中子散射研究中不同条件下磁性材料磁结构测试。

附图说明

图1为本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置的结构图；

图中，1.滑块单元 2.伺服电机 3.导轨 4.磁基座 5.样品窗口 6.中子束入射窗口 7.计算机 8.N极 9.S极 10.磁场强度控制器 11.底座。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置包括滑块单元1，伺服电机2，导轨3，磁基座4，样品窗口5，中子束入射窗口6，计算机7，N极8、S极9、磁场强度控制器10和底座11；所述的N极8、S极9在磁场强度控制器10的控制下形成磁场，磁力线为水平方向；所述的滑块单元1固定在导轨3上，导轨3的上端与伺服电机2固定，导轨3的下端与磁基座4固定，磁基座4固定在底座11上，底座11固定在小角中子散射谱仪的工作平台上；所述的中子束入射窗口6位于磁场的中心；所述的滑块单元1位于磁场中，计算机7控制伺服电机2驱动滑块单元1通过导轨3在竖直方向上下移动，滑块单元1的样品窗口5依次切换至中子束入射窗口6。

所述的磁基座4通过限位卡槽固定在底座11上，磁基座4移出限位卡槽后，取出滑块单元1，更换滑块单元1上的样品窗口5中的样品。

所述的滑块单元1、导轨3、磁基座4的材料为不锈钢、铝或镉中的一种，样品窗口5的材料为蓝宝石。

所述的小角中子散射谱仪为反应堆中子源、脉冲堆中子源或散裂中子源中的一种。

实施例1

不同磁场强度下ODS钢内析出相粒子尺寸的评估的原位磁场小角中子散射实验。

本实施例中的滑块单元1、导轨3、磁基座4的材料为不锈钢，也可更换为铝或镉。

实验目的：

ODS钢作为未来示范和商业聚变堆包层和快堆燃料包壳的重要候选结构材料，其弥散颗粒的形成机制还未达成一致，但是主流观点是溶入—析出机制，即在机械合金化过程中添加的氧化物颗粒和合金元素会溶入到基体中，在随后的热致密化过程中析出富Y、Ti和O的纳米颗粒。这些颗粒的尺寸分布、数量以及与基体的关系对ODS钢的性能有显著影响。本实验旨在结合原位磁场的小角中子散射测试有效区分磁散射和核散射信号，并获得重要的析出相结构信息，帮助理解材料微结构形成机制以及对宏观性能的影响。

实验过程：

对3种不同的ODS钢通过机械加工，制备成1 毫米厚，直径为12 毫米的圆薄片，每个样品两片；分别在没有磁场和磁场强度为1.5特斯拉条件下测试，6个测试样被命名为a0，b0，c0，a1.5，b1.5，c1.5，依次安装到样品窗口的1-6号位置，由于是整体的块材，选用普通的不带蓝宝石片的样品窗口；通过事先的测试预估，没有磁场条件下每个样品需要1小时测试时间，而磁场强度为1.5特斯拉条件需要2小时测试时间，因此打开N极，设置其时间控制程序在3小时2分钟后启动电流模式控制的场强度为1.5特斯拉磁场，运行时间6小时15分钟；设置自动换样电机程序运行1-6号位的停留时间分别为1，1，1，2，2，2小时，除了3号样到4号样之间的时间间隔设置为10分钟，其余时间间隔设置为1分钟；将小角中子散射数据采集程序设置为相同采集时间和间隔程序；同时开启N极控制程序、批处理的自动换样电机程序和小角中子散射数据采集程序设置，开始实验，9小时30分钟后整个实验结束。本实例通过外加磁场与否区分磁散射和核散射的贡献，进而获取了纳米尺度的析出相的尺寸及分布；经过前期实验程序设定后，10小时左右的整个时间过程可以通过远程控制监控，节省人力物力。

实施例2

不同磁场强度下ODS钢粉末样析出相的原位磁场小角中子散射研究。

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于由于样品是粉末状态的金属样品，需要有密封腔体，故选用包含蓝宝石的样品窗口。

本实例通过外加磁场与否区分粉末样中磁散射和核散射的贡献，进而获取了纳米尺度的析出相的尺寸及分布。

本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，其特征在于：所述的自动换样装置包括滑块单元（1），伺服电机（2），导轨（3），磁基座（4），样品窗口（5），中子束入射窗口（6），计算机（7），N极（8）、S极（9）、磁场强度控制器（10）和底座（11）；所述的N极（8）、S极（9）在磁场强度控制器（10）的控制下形成磁场，磁力线为水平方向；所述的滑块单元（1）固定在导轨（3）上，导轨（3）的上端与伺服电机（2）固定，导轨（3）的下端与磁基座（4）固定，磁基座（4）固定在底座（11）上，底座（11）固定在小角中子散射谱仪的工作平台上；所述的中子束入射窗口（6）位于磁场的中心；所述的滑块单元（1）位于磁场中，计算机（7）控制伺服电机（2）驱动滑块单元（1）通过导轨（3）在竖直方向上下移动，滑块单元（1）的样品窗口（5）依次切换至中子束入射窗口（6）。

2.根据权利要求1所述的用于小角中子散射谱仪的自动换样装置，其特征在于：所述的磁基座（4）通过限位卡槽固定在底座（11）上，磁基座（4）移出限位卡槽后，取出滑块单元（1），更换滑块单元（1）上的样品窗口（5）中的样品。