中子应力谱仪双聚焦Si单色器设计、模拟与测试

胡 瑞，刘蕴韬，王 玮，刘中孝，李峻宏，高建波，王洪立，陈东风

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)



中子应力谱仪双聚焦Si单色器设计、模拟与测试

胡 瑞，刘蕴韬，王 玮，刘中孝，李峻宏，高建波，王洪立，陈东风*

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

本文对中国先进研究堆中子应力谱仪使用的双聚焦Si单色器进行了设计、模拟和测试。采用SIMRES模拟程序确定了单色器垂直曲率及Si片厚度的最优值，并得到品质因数与散射角、单色器水平曲率和波长的依赖关系。实际测试结果表明，与平板Cu单色器相比，使用双聚焦Si单色器样品处中子强度提高了15倍。

双聚焦Si单色器；中子应力谱仪；中子衍射；中国先进研究堆

中国先进研究堆(CARR)旁建造了高分辨粉末、高强度粉末、应力、织构、四圆、三轴、反射和小角等谱仪，谱仪的分辨和强度是两个相互制约的指标，使用时需根据具体实验选择合适的设置，以获得期望的强度和分辨。由于提高反应堆的中子注量率较困难，因此人们一直希望开发新的部件，采用新的实验方法以及优化谱仪的布局来达到提高强度和改善分辨的目的。

从反应堆孔道出来的中子能谱符合麦克斯韦分布，通常利用某种单晶作为单色器，通过布拉格反射获取单色的中子束。一直以来，中子谱仪选用镶嵌晶体作为单色器。现在发展了一种新的技术，通过弯曲完美晶体，可极大提高样品处的中子束强度。因为弯曲完美晶体可在水平方向同时对实空间和动量空间进行聚焦[1]。中子应力谱仪对强度和分辨率均有较高要求，世界上中子散射实验室的应力谱仪上基本采用完美弯曲Si单晶作为单色器[2-3]，且采用双聚焦Si单色器在垂直和水平方向对中子束流同时聚焦，可不必使用Sollar型准直器。为提高CARR旁中子应力谱仪的强度和分辨指标，本文设计研发双聚焦Si单色器，并利用反应堆中子束流对其进行测试，研究谱仪分辨及其与单色中子波长、单色器水平曲率和散射角的关系。

1 双聚焦Si单色器原理和设计

目前单色器实现水平聚焦和垂直聚焦的机械结构基本有四柱式[4]、琴丝式[5]和气动式[6]3种。利用完美弯曲Si单色器技术的中子衍射光学系统(图1)可使谱仪获得高的强度和分辨[7-8]。

图1 使用完美弯曲Si单色器的中子光学系统Fig.1 Neutron optical system with perfect bending Si monochromator

准平行入射光束的聚焦条件为：

(1)

要满足αS=0，则：

(2)

其中：αM、αS分别为入射束和衍射束的发散角；LM为单色器至样品的距离；RH为单色器水平曲率半径；θM为单色器Bragg角；θS为样品散射角的一半。

从式(1)、(2)可看出：通过改变Si单色器的水平曲率半径RH可使αS=0，即被样品散射后到达探测器的中子束是准平行的，最后的中子计数被位置灵敏探测器记录。故可通过改变完美弯曲单色器水平方向的曲率半径，将谱仪的分辨调到最好。在实际应用中引入品质因数F描述。

F∝I/FWHM2

(3)

其中：I为衍射峰的积分强度；FWHM为衍射峰的半高宽。

四柱式单色器主要由3部分组成：支撑框架、Si片和驱动弯曲系统(步进电机、减速箱、涡轮蜗杆、偏心轴等)。图2为中子应力谱仪双聚焦Si单色器的设计图。双聚焦单色器的水平曲率半径RH通过控制支撑框架上步进电机的转动，带动减速箱和蜗轮蜗杆(总齿轮比为1 120)驱动偏心轴旋转，在最长的方向上推动Si片弯曲以实现水平曲率半径的改变。实验时根据不同起飞角确定一最优水平曲率半径RH。垂直曲率半径RV则根据蒙特卡罗模拟结果，在最常用的中子波长(0.176 nm)处确定一最优值。设计中采用5排Si片，每排由10片厚度为0.6 mm的Si片叠加而成。Si片长270 mm、宽33.8 mm。5排Si片垂直方向组合起来加上每排Si片间空隙的总高度约为170 mm。

图2 中子应力谱仪双聚焦Si单色器设计图Fig.2 Design drawing of double focusing Si monochromator of neutron residual stress diffractometer

为在90°散射角附近得到衍射峰，不同材料所需中子波长大致在0.15～0.20 nm之间。从Si单晶不同晶面所得到不同波长的强度特性[3]可看出，使用Si(400)和Si(311)晶面可得到强度较高的中子束，其最高强度对应的中子波长分别为0.17 nm和0.20 nm左右。目前Si(400)和Si(311)这两个晶面被大多数的双聚焦Si单色器所选用。CARR中子应力谱仪不仅用于应力分析研究，还需进行一些常规的粉末衍射工作，因此选用Si(311)晶面。该晶面不会引起二级反射，其高级次反射也可忽略不计[9]。

2 双聚焦Si单色器模拟

使用6.0.3版本的SIMRES程序[10-12]对中子应力谱仪双聚焦Si单色器进行模拟，此版本既允许模拟在实空间和动量空间的中子通量和分布，又允许模拟分辨函数。使用此程序模拟晶体衍射的主要优点是：1) 描述弯曲和嵌镶晶体实际衍射的能力；2) 速度快，允许对多重可变的谱仪参数进行大范围扫描。

假设源的温度为310 K，均匀且各向同性，具有麦克斯韦通量分布，中子注量率φ=8×1013cm-2·s-1。假定1个简化的多晶α-Fe样品模型，忽略了织构、微观应力、晶粒尺寸效应和德拜沃勒因子，样品为圆柱形，直径3 mm，高20 mm。模拟用探测器效率为100%，空间分辨为1.5 mm×1.5 mm。

单色器的垂直聚焦根据样品处的强度进行优化，使用的中子波长为0.176 nm，单色器至样品的距离LS为1 900 mm，结果如图3所示。优化的曲线不连续是由于分段数目少引起的，这从与15段模拟结果的对比可看出。所以对Si(311)单色器，垂直曲率(1/RV)固定为0.60 m-1，因此RV为1 667 mm。

图3 样品处中子强度随单色器垂直曲率的变化Fig.3 Neutron intensity at sample as a function of vertical curvature of monochromator

在测量残余应变时需将谱仪最好分辨调整到待测的衍射峰(或散射角)上。图4示出了中子波长0.176 nm时对于3个不同的单色器曲率，分辨和品质因数与散射角之间的关系。从图4可看出，水平曲率1/RH=0.15 m-1时，在散射角80°附近，品质因数达最大，对应的单色器水平曲率半径为6 670 mm。

用Fe(110)和Fe(211)衍射对单色器Si片总厚度的影响进行模拟，中子波长为0.176 nm，结果示于图5。最佳厚度可在品质因数的基础上进行估计，从Fe(211)模拟结果看，Si片总厚度在4～6 mm时品质因数F基本不变，超过6 mm后，品质因数F逐渐下降。基本上单色器Si片的总厚度越厚，中子强度越高，但分辨相应越差。综合考虑，选用6 mm的Si片总厚度。另外，通过模拟未发现单个Si片厚度不同所产生的重要影响，然而单个Si片越薄越易使其弯曲，从而达到较小的水平曲率半径。

图4 谱仪分辨和品质因数与散射角、单色器水平曲率的依赖关系Fig.4 Dependence of relative resolution and figure of merit on scattering angle and monochromator horizontal curvature

3 中子测试结果

双聚焦Si(311)单色器安装在CARR中子应力谱仪上，单色器起飞角设定为65°。反应堆运行期间利用中子束流对单色器进行测试，样品为放在钒管内的α-Fe粉末，探测器为ORDELA 1128N一维位置灵敏探测器。

图6 偏心轴旋转角度与衍射峰积分强度的关系Fig.6 Integral intensity of diffraction peak vs rotation angle of eccentric shaft

首先对单色器的旋转和平移分别进行调试，找到强度最大的位置，然后再对单色器进行水平曲率弯曲调试。测试时，Si(311)单色器的主要参数为：硅片为5排，每排由10片叠加而成，总厚度为6 mm；单个Si片长270 mm、宽33.8 mm；垂直曲率半径固定为1 667 mm。水平曲率半径通过改变单色器偏心轴的旋转角度来进行优化，图6为改变偏心轴旋转角度(0°～360°)与测量Fe(211)衍射峰积分强度之间关系的曲线。从图6可看出，在偏心轴旋转至15°和180°附近时，Fe(211)衍射峰的积分强度最强。调试完成后，将单色器偏心轴调到15°，此位置对应的单色器水平曲率半径根据式(2)估算，约为6 m。

将中子应力谱仪用双聚焦Si(311)单色器测量的Fe(211)衍射峰的相对中子强度I与用平板Cu(220)单色器的[13]进行对比(图7)，考虑了测试时不同的中子狭缝尺寸后，将中子计数除以不同的中子狭缝尺寸，可估算出反应堆功率为10 MW时样品处的单色中子强度提高了15倍。通过金箔活化法测量堆功率10 MW时样品处的单色中子注量率为4.57×106cm-2·s-1。

图7 平板Cu(220)与双聚焦Si(311)单色器中子强度的对比Fig.7 Comparison of neutron intensities by flat Cu(220) and double focusing Si(311) monochromators

4 结论

本文完成了中子应力谱仪双聚焦Si单色器的设计、模拟与测试。双聚焦Si单色器通过步进电机转动，带动总齿轮比为1 120的减速箱和蜗轮蜗杆驱动的偏心轴旋转，在最长方向上推动Si片弯曲以实现水平曲率半径的改变。单色器设计时采用了5排Si片，每排由10片厚度为0.6 mm的Si片叠加而成。单个Si片长270 mm、宽33.8 mm。根据蒙特卡罗模拟计算，在最常用的中子波长(0.176 nm)处确定了最优的垂直曲率半径为1 667 mm。反应堆运行10 MW功率下的中子测试结果显示，与传统平板嵌镶Cu(220)单色器相比，使用双聚焦Si(311)单色器样品处的中子强度提高了15倍，这是弯曲完美单晶在实空间和动量空间同时聚焦达到的。下一步将改变单色中子波长，测试谱仪分辨率及其与单色器水平曲率、散射角的关系。

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Design, Simulation and Test for Double Focusing Si Monochromator of Neutron Residual Stress Diffractometer

HU Rui, LIU Yun-tao, WANG Wei, LIU Zhong-xiao, LI Jun-hong, GAO Jian-bo,WANG Hong-li, CHEN Dong-feng*

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box275-30,Beijing102413,China)

The double focusing Si monochromator was designed, simulated and tested for the neutron residual stress diffractometer on China Advanced Research Reactor. The optimal vertical curvature and the optimal thickness of Si wafers were obtained by SIMRES simulation program. In addition, the figure of merit in dependence on the scattering angle, monochromator horizontal curvature and wavelength was also determined by this program. The neutron beam test results indicate that the intensity of neutron increases by 15 times by using double focusing Si monochromator in comparison with Cu monochromator.

double focusing Si monochromator; neutron residual stress diffractometer; neutron diffraction; China Advanced Research Reactor

2014-03-26;

2014-09-24

国家自然科学基金资助项目(11175265)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2010CB833105)

胡 瑞(1978—)，女，辽宁辽阳人，助理研究员，中子散射专业

*通信作者：陈东风，E-mail: dongfeng@ciae.ac.cn

O571.56

A

1000-6931(2015)07-1315-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1315