盘间距可调斩波器设计及模拟

2010-09-23李新喜黄朝强

核技术 2010年3期

李新喜王燕黄朝强陈波

(中国工程物理研究院核物理与化学研究所绵阳 621900)

中子散射是研究材料微观结构、磁结构及微观动力学性质的权威性手段[1–3]。中子飞行时间方法可建立波长-时间的空间体系，在中子无损伤探测技术中发挥特有作用[4]，一大批飞行时间模式中子散射谱仪相继建造起来[4–12]。稳态反应堆上通常用斩波器将连续中子束切割为一系列宽度相等的中子脉冲束[13]。

中子反射实验主要目的是测量垂直于反射表面的散射矢量函数的镜反射率，确定垂直于材料表面的一维散射势(Scattering Potential, SP)，由此获取中子散射密度与深度的关系信息。当材料分层和其化学组分已确定时，SP信息与材料的化学成分剖面及结构相关，中子反射实验可获取分层介质各层的厚度、密度和界面粗糙度等典型参数。水平散射几何中子反射谱仪，样品表面是垂直的，主要用来研究固体样品材料的表面和界面性质。考虑镜反射实验技术，掠入射到样品材料表面的中子束流的发散度直接影响整台中子反射谱仪的整体分辨[11,14]。

本文重点关注水平散射几何反射谱仪的中子斩波器设计。转盘式中子斩波器[15,16]模型类型主要集中在斩盘数目、斩盘窗口、窗口大小、盘间距、转速等物理参数的不同。采用四盘斩波器设计模型，利用第三斩盘和第四斩盘与第二斩盘的间距不同，实现中子斩波器的波长分辨调节。转盘式斩波器在工程上，实现盘间距的线性可调比较困难。因此，为实现用盘间距变化调节中子斩波器的斩波特性，最好设计两个不同位置的中子斩盘，根据不同需要启用相应的中子斩盘，停止转动的斩盘窗口同时可作狭缝进行中子束流准直，将水平发散过大中子滤掉。针对四盘中子斩波器的设计，用Mcstas模拟计算软件[17]对相关物理参数的影响进行模拟计算。

1 盘间距可调斩波器的基本结构模型

盘间距可调斩波器的设计模型结构为如图1的四盘斩波器模型，图中1#斩盘和2#斩盘的转动反向，转速为mw，组合的主要作用是产生有较好中子束流特性的束流脉冲，将1#和2#称中子脉冲产生斩盘。图1中“/”表示斩盘上留有供中子通过的窗口，1#和2#斩盘的斩窗间无位相差。

图1 四盘斩波器的结构示意图W1、W2、W3 和 W4：1#、2#、3#和 4#斩盘窗口对应的边缘弧线长；d12、d23、d34：相应斩盘的盘间距；f：2#和3#斩盘或2#和4#斩盘窗口间的位相差Fig.1 The sketch map of four disk chopper.W1, W2, W3 and W4, window arc length of the edge of Disks 1#,2#, 3# and 4#, respectively; d12, d23 and d34, space between Disks 1# and 2#, Disks 2# and 3#, and Disks 3# and 4# respectively;f, phase difference between Disks 2# and 3# or Disks 2# and 4#.

四盘斩波器中每个斩盘的详细结构图见图 2。图3给出不同波长中子的飞行示意图。中子脉冲分别经过不同位置的3#和4#中子斩盘，当3#斩盘旋转工作时，4#斩盘静止，反之亦然。图3中4#斩盘的窗口张角大于3#斩盘的窗口张角，中子脉冲3#和4#中子斩盘波段明显不一样。

图2 斩盘结构示意图R：斩盘半径；W：斩盘窗口张角对应的边缘弧线长；h：窗口沿斩盘半径方向的长Fig.2 Sketch map of the chop disk frame.R, disk radius; W, window arc length of disk; h, radial length of window.

图3 不同波长中子的飞行示意图Fig.3 Flight of neutrons in different wavelengths.

2 模拟计算

模拟计算采用四盘中子斩波器模型，四个斩盘大小尺寸完全一致，斩盘半径R=250 mm，斩盘窗口高h=50 mm，盘间距d12=100 mm。1#和2#斩盘模拟见文献[18,19]。斩波器前注量率为 3.36´1010cm–2×s–1，斩盘为中子吸收材料，模型未考虑斩盘散射。3#和4#斩盘的轮换工作计算软件编写，考虑静止状态下，狭缝窗口和降低中子水平发散度作用，斩盘窗口远小于半径，将其近似为狭缝模型，狭缝宽度为窗口中点处的弧线长。

2.1 3#和4#斩盘窗口弧线长变化的计算结果

四盘中子斩波器根据不同参数的变化，有多种组合方式。为简化模型，采用1#和2#斩盘窗口保持完全一致，即大小变化同步。计算采用的输入参数为：W1=4 mm，W2=4 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，ω=2100 r/min，f =1.5°。计算重点考察 3#和 4#斩盘工作时的斩束效果。

图4给出3#和4#处于工作状态时中子脉冲的注量率随窗口W变化的函数关系曲线。3#处于工作状态时，随脉冲斩盘窗口张角对应的外边缘弧线长W增大，中子脉冲注量率基本在 107量级，成线性增长。4#处于工作状态时，随W增大，中子脉冲注量率基本在106量级，逐渐变大。

图4 3#盘(■)和 4#盘(□)工作时脉冲注量率与窗口W的函数关系Fig.4 Flux as function of W when Disk 3# (■) or Disk 4# (□)rotates.

图5 给出3#和4#斩盘处于工作状态时中子脉冲的水平发散随窗口W变化的函数关系曲线。3#处于工作状态时，随脉冲斩盘窗口张角对应的外边缘弧线长W增大，中子脉冲水平发散逐渐变大，基本都在1°以上。4#处于工作状态时的计算结果和3#类似，随W增大，中子水平发散逐渐变大，但水平发散度相应的要小些，基本在1°以下。

图5 3#盘(■)和 4#盘(□)工作时脉冲水平发散与窗口W的函数关系Fig.5 Divergence as function of W when Disk 3# (■) or Disk 4# (□) rotates.

2.2 转速变化的影响

转速是斩波器设计中的一个重要参数，在中子斩波器中最容易调节，它的改变涉及到很多参数的改变[20]。尽管目前电动马达的转动精确度越来越高，但转速还是有一定偏差。因此，中子斩波器设计中，通常要考虑转速波动带来的实验误差。为了解两种模型参数情况下，四盘斩波器对中子束流的衰减情况，采用输入物理参数为：W1=4 mm，W2=4 mm，W3=25 mm，W4=50 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，f =1.5°。针对转速的改变分别对 3#和 4#处于工作状态时进行模拟计算。

图6给出3#和4#斩盘处于工作状态时输出中子脉冲的注量率随转速变化的函数关系曲线。3#处于工作状态时，随脉冲斩盘转速ω增大，中子脉冲强度逐渐减小。4#处于工作状态时的计算结果和3#时类似，随ω增大中子脉冲强度逐渐减小，但脉冲中子强度较3#时小。从变化趋势来看，二者衰减趋势基本相同。

2.3 位相差变化的影响

3#或4#斩盘与脉冲斩盘的位相差是斩波器设计要关注的物理参数之一，在实际使用工程中不易可调，由于它直接影响中子波段的选取[20]，在设计中要予以重点关注。如图1所示，计算模型的位相差f为3#或4#斩盘与2#斩盘存在的位相差。当斩盘非工作状态时，用狭缝模型对静止斩盘窗口近似处理。3#和4#斩盘分别处于工作状态时，位相差f对中子脉冲强度的影响分别模拟计算，采用的基本输入物理参数为：W1=4 mm，W2=4 mm，W3=25 mm，W4=50 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，ω=2100 r/min。

图6 3#盘(■)和 4#盘(□)工作时斩波器注量率与转速ω的函数关系Fig.6 Flux as function of ω when Disk 3# (■) or Disk 4# (□)rotates.

图7 给出3#和4#斩盘处于工作状态时中子脉冲强度随位相差f变化的函数关系曲线。3#处于工作状态时，当位相差f≤4°时，中子脉冲强度随f增大逐渐增大；但当f≥4°时，脉冲强度逐渐减小。4#处于工作状态时的计算结果与 3#时类似，中子脉冲随f变化的函数关系曲线都有一个峰值，4#时的峰值点较3#时相对大一些；当f≥8°后，脉冲强度开始下降，这可能是4#斩盘窗口比较大以及距2#斩盘的距离较远的原因。

图7 3#盘(a)和4#盘(b)工作时的输出注量率与位相差f的函数关系Fig.7 Flux as function of f when Disk 3# (a) or Disk 4# (b) rotates.

3 误差分析

中子斩波器实际使用中，由于机械方面的难度，转盘间距、位相差、斩盘窗口张角等参数都不易调节，只有中子斩波器的斩盘转速较易调节。1#和2#斩盘组成的中子脉冲斩盘，盘间距的大小对中子强度的损失起一定作用。当中子通过1#斩盘，长波长的中子飞行速度较慢，在飞行1#和2#斩盘间距这段时间中，2#斩盘转动，所以不能从2#斩盘窗口飞出去，造成中子强度的损失。因此，设计中尽可能缩短脉冲斩盘的间距，但由于机械要求、斩盘厚度及其他方面的需要，间距不可能过短。斩盘通常用中子吸收材料做成，将打在斩盘上的中子吸收掉，斩盘的厚度对中子吸收、刚性及强度起一定作用，斩盘太薄容易变形，也容易造成透射中子多从而造成脉冲发散及本底增大。

斩波器的脉冲波长分辨近似为式(1)[10]：

式中，τc为斩盘窗口张角引起的脉冲时间，τh为入射束流宽度引起的脉冲时间，τDA(λ)为探测系统的道宽时间，t为波长λ的中子飞到探测器的时间，w为探测器厚度，L为脉冲盘到探测器的距离。

由式(1)，斩波器分辨受多种因素影响。τc在斩波器设计中是一个重要因素，它涉及到脉冲斩盘窗口张角的设计。脉冲盘到探测器的距离通常会受入射注量率、脉冲是否重叠及散射大厅空间的客观条件限制，受限制后设计归宿点还是要回到脉冲斩盘窗口的设计上。

中子斩波器设计根据相关客观物理参数的组合，有多种设计模型，四盘中子斩波器是斩波器模型设计中的一个尝试。设计采用异向转动双盘作脉冲斩盘，相对于单脉冲斩盘，在斩盘窗口大小相同的情况下，不易造成由于中子束流宽度与斩盘窗口不匹配造成的拖尾现象，同时还可缩短脉冲时间。四盘斩波器的设计除常规的通过改变中子斩波器转速来调节中子斩波器的斩速性能外，还加入调节盘间距与斩盘转速组合使用来改变脉冲的束流特性。3#或4#中子斩盘在非工作状态时，由于窗口张角很小，其作用可近似为狭缝，起到降低水平束流水平发散作用。

4 结果与讨论

本文分别给出四盘斩波器脉冲斩盘窗口、转速及位相变化的模拟计算结果。针对脉冲斩盘窗口变化模拟计算，给出其对斩波器脉冲注量率及水平发散带来的影响，脉冲注量率随斩盘窗口张角的增大而增大，但相比较，4#处于工作状态时，整个中子注量的损失比较严重，整个变化区间低于3#时约一个数量级；相应的脉冲水平发散随斩盘窗口张角增大的模拟计算结果曲线有一定波动，可能是计算误差及高斯拟合误差引起，3#或4#斩盘处于工作状态时，脉冲水平发散基本分别处于1°以上和1°以下变化，这对于中子反射谱仪的设计非常重要，水平散射几何模式中子反射谱仪的分辨与中子束流水平发散有很大关系，中子脉冲束流水平发散的降低可提高谱仪分辨[14,21,22]，降低水平发散在谱仪设计中可用准直器或准直狭缝来达到，但前端设计中子斩波器产生的脉冲束流水平发散降低在后来设计中可提高准直的有效中子注量率。提高转速的变化计算结果表明，无论是3#或4#斩盘处于工作状态时，脉冲注量率随转速的增大都呈衰减趋势，衰减趋势类似，总体衰减幅度都不大。只是4#斩盘处于工作状态时，相应产生的脉冲注量率要低一个数量级左右。转速的改变会影响到四盘斩波器另外一个重要性能参数脉冲时间，脉冲时间的降低可提高整个四盘斩波器的波长分辨，从而提高斩波器的斩束性能，但脉冲注量率会随转速的提高降低。因此，转速范围选择要根据需求，不能选择过高。在客观物理参数下，位相差的模拟计算结果给出相应的脉冲强度随位相差增大而增大的范围。3#斩盘处于工作状态时，位相差4°以下脉冲强度随位相差增大而增大。4#斩盘处于工作状态时，位相差8°以下脉冲强度随位相差增大而增大。计算结果表明，四盘斩波器的设计模型实现了中子斩波器斩波特性的可调，通过转换使用3#和4#斩盘，成功地解决了工程中难以实现的盘间距可调，为斩波器的斩波特性可调又增添了一个易于实现的物理参数。同时，静止的斩盘还能起到降低水平发散度的作用。计算结果可为水平散射几何中子反射谱仪中四盘斩波器的设计及四盘斩波器的参数选择提供理论参考。

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