利用径向准直器减轻中子应力测量中的赝偏移的模拟研究

陈彦舟 孙光爱 陈 波

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳 621900）

中子衍射应力分析谱仪测量材料或工程部件的残余应力，其优点是深探测、非破坏[1,2]，广泛应用于时效分析、制造过程、先进材料设计以及荷载部件的残余应力的测量[3]。X 射线衍射(XRD)则主要用于薄膜或材料表面(数十μm)残余应力的测量。但是，它们对近表面区域测量都有局限：XRD需进行剥层测量，会造成残余应力的释放；中子衍射则会因装置设置和测量过程引起衍射峰偏移，样品近表面区域即使没有应力分布，测量到的衍射峰位置也会发生偏移，称为“赝偏移”[4]。中子衍射应力测量的赝偏移，主要源于中子源的流强较弱，往往要求样品发生衍射的体积较大，通常为10 mm3(XRD仅为0.1 mm3)。赝偏移量可能非常大，严重影响测量结果的准确性，为使中子衍射技术能用于材料近表层(距表面100 μm)残余应力的测量，得寻找适当减轻赝偏移的方法。

Michael等[4]认为，减轻赝偏移可减小样品规范体积、入射束角度减小发散等，但这些都会减弱中子束流、延长测量时间。径向准直器(ORC)，是将soller型的狭缝准直器的竖直吸收薄片形成一定角度，并聚焦在规范体积中心点附近，可在更大的空间上探测中子。这种新型准直器定义的中子衍射规范体积比传统限束孔定义的精确，可提高中子透过率，减小束流发散，起减弱或克服赝偏移作用。本文用射线追踪程序 SIMRES 6.0.9对各种准直器配置下的谱仪进行模拟，并分析径向准直器减轻赝偏移的机理。

1 计算模型

常规的中子衍射应力分析谱仪主要由热中子源、水平孔道、单色器、限束孔和探测器等组成。基本模型参数如表1所示。

图1为在基本模型的基础上建立的三种模型：模型A 无径向准直器，模型B仅有第二径向准直器，模型C则有第一、第二径向准直器。

图1 中子衍射应力分析谱仪的三种模型Fig.1 Three models of residual stress neutron diffractometer.

表1 基本模型参数Table 1 Basic parameters of the model.

规范体积为3 mm×3 mm×3 mm。第一径向准直器参数设为(参见文献[5])：长度349 mm，入口尺寸179.82 mm(w)×63.19 mm(h)，出口 109 mm(w)×39.82 mm(h)，共 111个狭缝；第二径向准直器参数为：长度349 mm，入口尺寸109 mm(w) ×200 mm(h)，出口尺寸 179.82 mm(w)×200 mm(h)，共 111 个狭缝。

2 计算结果

根据模型A、B和C，沿着出射束的方向扫描样品内各点的赝偏移量，0 mm点位于样品中心。根据模型计算得到的衍射峰偏移量与样品移动位置的关系见图2(a)。在样品内部扫描即规范体积完全沉浸时，三模型均无明显赝偏移；而当规范体积不完全沉浸时，衍射峰均发生明显的赝偏移；模型A的赝偏移最大，模型B的赝偏移明显减小，模型C的赝偏移最小；在最大赝偏移对应的样品移动位置，仅有限束孔的赝偏移量是设置第一、第二径向准直器的3.2倍；是仅设置第二径向准直器的2.4倍。

图2(b)为出射线方向移动样品位置时衍射峰的强度。模型A的强度最小；对于模型B，由于准直器开口比限束孔大得多，可通过更多的衍射中子束，再考虑到单色器的振荡，强度有所增加；模型C的强度最大。在最大强度对应的样品移动位置，设置第一、第二径向准直器时的强度是仅设置第二径向准直器时的6.6倍，是仅有限束孔时的17.4倍；强度曲线左高右低的原因是由于中子束在样品内的沿程衰减引起的。

图3是模型C的一个衍射峰。当规范体积不完全沉浸时，衍射峰仍为高斯型。

图2 出射线方向移动样品位置时衍射峰的赝偏移量(a)和衍射峰的强度(b)Fig.2 Pseudo shift (a) and intensity (b) of the diffraction peak with the sample moving along the diffraction direction.

图3 模型C的一个衍射峰Fig.3 A diffraction peak of Model C.

3 讨论

部分沉浸的规范体积不仅影响重心的位置，还会影响衍射角。使用位敏探测器而不设置分析器，将导致较大衍射峰峰位的偏移，产生应变偏差，其原因为如下效应：

图4 第一径向准直器对波长效应的抑制Fig.4 Suppression of wavelength effect by the primary ORC.

(1) 波长效应。单色入射束是单色器从白光中子束中选择而得，该单色中子束有一定角度发散分布和波长展宽。用限束孔限定入射中子束，如发散束流部分被限束孔遮挡住，则入射束角度发散分布会产生相应改变。又因为波长分布和角度发散分布直接相关，后者的改变导致入射束的平均波长发生变化。由布拉格定理可知，平均波长变化时衍射角也相应改变。反映在探测器上即为衍射峰峰位产生偏移。

使用径向准直器可将完整的角度发散分布投射到规范体积内的每个点，故即使规范体积部分沉浸，中子波长分布也不会发生任何改变(图4)。

(2) 峰剪切效应。在样品与探测器间设置限束孔来截取规范体积时，出射束角度发散随限束孔吸收而变化。在样品内部扫描应力时，该效应轻微且对称，仅改变峰宽度而峰位不变；规范体积部分沉浸时，其重心发生移动，峰剪切效应变得不对称，衍射峰的位置发生偏移。

径向准直器前端入口较大且整体振荡，使出射束相对完整地被探测器接收，因此使用第二径向准直器可以避免峰剪切效应(图5)。

图5 第二径向准直器对峰剪切效应的抑制Fig.5 Suppression of peak clipping effect by the secondary ORC.

(3) 几何效应。当扫描样品表面应力时，规范体积的重心发生偏移。重心的偏移投射到PSD上，表现为峰位的变化，由此引入一定赝应变。另外几何效应受中子束沿程衰减的影响。增设径向准直器仅能减弱波长效应和峰剪切效应，对几何效应则无能为力。

4 结语

本文采用最新的射线追踪程序 SIMRES 6.0.9 beta对使用径向准直器减轻中子衍射应力分析谱仪赝偏移的方法进行系统研究。建立了仅由限束孔定义规范体积、只设置第二径向准直器和设置第一、第二径向准直器三种模型，模拟计算得到三种情况下样品位置移动与衍射峰偏移及强度的关系曲线。研究结果表明，在样品内部扫描时均无明显的赝偏移；当在样品表面扫描时，衍射峰均发生了明显的赝偏移现象；没有径向准直器时赝偏移最大，强度最小；只设置第二径向准直器时赝偏移明显减小，强度居中；设置第一、第二径向准直器时赝偏移最小，强度最大。

1 郭立平, 李际周, 孙凯, 等. 应力测量中子衍射谱仪聚焦单色器的模拟[J]. 原子能科学技术, 2008, 42(1):74–75 GUO Liping, LI Jizhou, SUN Kai,et al. Simulation study on focused monochromator of neutron diffractometer for stress measurement[J]. At Energy Sci Technol, 2008,42(1): 74–75

2 Allen J, Hutchings M T, Windsor C G. Neutron diffraction methods for the study of residual stress fields[J].Advances in Physics, 1985, 34: 445–473

3 郭立平, 李际周. CARR上的应力测量中子衍射谱仪概念设计和模拟研究[J]. 核技术, 2005, 28(3): 231–235 GUO Liping, LI Jizhou. Conceptual design and simulation on neutron diffractometer for stress measurement at CARR[J]. Nucl Tech, 2005, 28(3):231–235

4 Hutchings M T, Withers P J, Holden T M,et al.Introduction to the characterization of residual stress by neutron diffraction[M]. Boca Raton: CRC Press Taylor &Francis Group, 2005: 127-131, 134

5 Shuki Torii, Atsushi Moriai. The design of the radial collimator for residual stress analysis diffractometer of J-PARC. Physica B, 2006, 385: 1287–1289