基于Mezei算法的FeCoSi中子多层膜极化镜优化设计

王俊杰++张众++王占山

摘要：

多层膜极化镜是构成中子极化装置的核心元件，为了实现中子多层膜极化镜的研制，开展了中子多层膜极化镜的设计方法研究。首先阐述了中子多层膜极化镜的原理，基于不同材料的光学特性，提出了中子多层膜极化镜的材料选择方法；其次，介绍了Mezei设计方法，并针对Mezei设计方法的缺陷，分别通过引入新的膜层结构（亚帽层法）和新的设计参数（乘系数法），对原设计方法进行了改进，实现了上旋中子反射率和极化率较为理想的m=2的中子极化超镜的设计。计算结果表明，两种方法均可以提升上旋中子反射率，但都会增加极化镜的膜层数，其中帽层法增加的膜层数相对较少。

关键词：

中子极化超镜； 多层膜； 反射率； 极化率

中图分类号： 42.79.Wc，O 434.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.017

引言

中子多层膜元件是中子光学系统中的关键元件之一。极化中子是开展研究磁结构和磁激发的优良探针，极化中子散射和衍射技术在磁性材料和超导材料精细结构研究方面具有独特的优势，从而得到了广泛应用。

实现中子极化的方法主要有三种：Heusler 合金，3He旋转滤光镜和中子多层膜极化镜。Heusler合金昂贵且在市场上难以得到，主要用于极化热中子束。3He旋转滤光镜可以达到非常高的极化率，且对入射角没有要求，但由于其基于吸收原理，极化中子通量受到影响，同时由于3He未来生产的不确定性，难以获得广泛应用。虽然目前只适用于极化冷中子束，但是中子多层膜极化镜因其拥有中子强度损失小，易于制备等优点，广泛应用于极化中子束线。

中子多层膜极化镜分为两种：基于Co和Ti组合的反射式极化镜以及基于Fe和Si组合的透射式极化镜。前者的特点是超镜对下旋中子的散射长度密度（scatter length density，SLD）非常接近于0，使超镜和真空对于下旋中子的折射率几乎相同，中子从真空入射到超镜，仅有上旋中子被反射，从而实现对反射中子（上旋）的极化。后者的特点是超镜和基底（一般为薄Si晶片）对于下旋中子的折射率相同，中子先入射到基底，再入射到超镜，下旋中子基本不反射，从而实现透射中子束（下旋）的极化。由于基于CoTi的反射式极化镜需要在基底和超镜之间镀制钆（Gd）吸收层，以吸收未被反射的中子，由于Gd材料价格昂贵，并且吸收中子后放热，可能导致超镜膜层破坏。基于FeSi多层膜的透射式中子极化镜对冷中子的吸收非常小，应用过程中不改变中子束传输方向，因此在中子极化镜中得到了广泛应用。

Mezei最早提出了中子超镜。继Mezei之后，几种中子超镜的设计方法先后被提出，如HayterMook（H&M）算法以及RSD （realstructure model）算法等，H&M算法是考虑到膜层结构实际不连续性的优化设计方法，RSD算法基于薄膜实际结构和生长规律，采用几个不同周期膜系的堆叠来代替原有的非周期结构的设计方法。在这几个设计方法中，以Mezei的方法最为简单而有效，应用最为广泛。本文针对Mezei算法设计出的膜层结构（m=2，m为超镜反射临界角与Ni块材料的全反射临界角的比值）对其添加帽层并进行改进，分别通过引入新的膜层结构和设计参数，克服了Mezei方法原有的缺陷，改善了中子超镜的反射率和极化率设计曲线。

4结论

本文基于Mezei算法设计出的膜层结构（m=2），对其添加帽层（40 nm FeCo+2 nm Si保护层）并进行优化，通过亚帽层法和乘系数法，对其上旋中子反射率和极化率进行优化。通过计算和分析发现，在亚帽层法中，所添加膜层的γ值为0.6时，达到最优效果；在乘系数中，在一定范围内系数越大，上旋中子的反射率相对越理想。

两种方法使用相同膜对数N所能达到的m值的对比见图7（乘系数法以系数1.15为例）。结果表明，为达到相同的m值，乘系数法需要更多膜对，且随着m值或者乘数系数的增加，所需膜对数大大增加。因此，亚帽层法为最佳方法。

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（编辑：程爱婕）