散裂中子源靶站谱仪的物理设计

中子散射广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域,是研究物质微观结构和动态的理想工具之一.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章重点介绍了散裂中子源项目CSNS中靶站和谱仪的建设内容和设计工作的进展.     

中国散裂中子源小角散射谱仪

正作为中国散裂中子源(CSNS)首批建设的三套谱仪之一,小角散射谱仪用于探测物质体系在1~100 nm尺度内的微观和介观结构。它的实验应用范围将涵盖化学、物理、生物、材料、地质等广泛学科,服务于国家能源、环境、生物和新材料等诸多高科技研发领域。中国散裂中子源小角散射谱仪建成后,能为图1所示例的诸多科学探索与技术研发工作,提供必需的实验方法及其技术手段。一、中子散射技术的缘起与现状     

CoFeV薄膜材料界面结构的中子反射实验

CoFeV磁性合金是新近发展的一种极化超镜涂层材料，用于中子的白旋极化具有良好的性能。由于CoFeV薄膜的界面和层结构状况直接影响到超镜的极化效率和中子传输能力以及中子束的品质，因此，研究CoFeV薄膜材料表面和界面的微观结构特性有着重要的实际意义。应用极化中子反射技术可以获取CoFeV薄膜材料表面与界面粗糙度、膜层厚度等结构参数以及极化中子反射率等性能参数。     

第一讲中子散射与散裂中子源

中子散射是研究物质微观结构和动态的理想工具之一,广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章简明地介绍了中子散射的特点和它作为物质结构和动态探针的优越性,以及散裂中子源的基本原理、发展状况和多学科的应用优势.我国计划建设的散裂中子源CSNS中,靶站将由多片钨靶、铍/铁反射体和铁/重混凝土生物屏蔽体组成.质子束功率100kW下,脉冲中子通量约为2.4×1016n/cm2/s.第一期将设计建造高通量粉末衍射仪、高分辨粉末衍射仪、小角散射仪、多功能反射仪和直接几何非弹性散射仪等五台典型的中子散射谱仪,以覆盖大部分的中子散射研究领域.     

中国先进研究堆中子科学平台发展现状及展望

依托中国先进研究堆(CARR)高通量中子源,建成了初具规模的中子科学平台,具备中子散射、中子成像和中子活化分析等多种研究技术。其中,中子散射技术包括中子衍射、小角中子散射及中子反射、非弹性中子散射,可以用于分析材料微观结构和动力学性质;热中子成像和冷中子成像可以用于材料内部缺陷等无损检测;中子活化分析系统可以用于物质内核素成分分析。目前已建成和在建中子谱仪共计19台,并初步配备了样品环境装置,为相关应用研究提供了条件基础,可为我国物理、化学、材料科学、生命科学、能源和环境等领域基础研究及工业应用提供重要技术支撑。CARR中子科学平台始终坚持合作共享对外开放的宗旨,将继续为国内外用户提供优质中子技术,服务基础科学前沿和国家重大创新需求研究。     

英国散裂中子源工程材料原位加载衍射实验高温样品环境优化设计

英国散裂中子源(ISIS)在工程材料中子衍射领域有着十余年丰富的研究经验,最为典型的衍射谱仪之一的Engin-X在材料、加工等方向有着广泛应用,包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等.Engin-X通过设置红外加热型高温炉配套材料试验机的样品环境以实现中子衍射原位高温力学实验,目前原位实验中高温炉最高设计温度可达1100℃.通过优化高温炉反射罩形状、布局、反射涂层,以及合理设置反射挡板等措施(例如采用一种椭圆-圆组合形状的反射罩),可实现更优的光线聚焦效果.模拟计算得知样品的能量吸收可提高109%以上,最终高温可达1400℃.相关研究有望拓展Engin-X中子衍射技术在材料研究领域的应用,同时也为中国散裂中子源(CSNS)工程材料衍射谱仪样品环境设计提供借鉴经验.     

中子散射在磁性材料研究中的应用

中子具有天然磁矩,穿透能力强且对轻元素敏感等独特的优势,是目前研究材料中磁结构最有力的工具。发展中子散射技术对开发新型磁性材料和研究磁性物理机理等方面具有重大意义。文章介绍了几种常用的中子散射技术(如粉末衍射、小角散射、反射等),并通过典型的实例来说明它们在磁性材料研究中的具体应用。针对国内介绍中子反射技术的资料相对较少,尤其是极化中子反射技术在精确定量表征薄膜磁性大小和分布方面的研究极度匮乏的现状,文章重点介绍了这一特色技术以及应用实例。     

CSNS通用粉末衍射谱仪

正通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer,简称GPPD)是中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,简称CSNS)首批建设的3台谱仪之一。GPPD的最终目标是尽可能满足大多数潜在用户研究物质晶体结构和磁结构的需求。除了为材料科学、化学、物理、工程、资源环境等领域的基础研究提供强有力的探测手段,也为服务化工、医药、电子信息、新能源、仪器装备等企业工业的高新     

表面磁性的新探针──极化低能正电子

近几年表面磁性研究日渐话跃,理论上已能定量计算过渡族铁磁材料的表面电子性质,如能带结构、电荷密度、自旋密度、表面态等.与此同时也发展了各种探测表面磁性的实验技术,如极化的光电子发射、极化低能电子散射、中子反射、铁磁共振等等.通常,表面磁性的探测是很困难的.原因是     

用于凝聚态物质研究的旋转晶体中子飞行时间谱仪

本文介绍了我所自行设计和制造的一台旋转晶体中子飞行时间谱仪。该仪器对凝聚态物质的各种动力学研究是一个有效的工具。我们通过选取适当的锗单晶(111)平面旋转轴的办法消除了仪器单色束中多晶面反射的“污染”(contamination)。该谱仪的入射初始中子能量范围可为10—100meV,对应的初始中子能量分辨率为2.5—7.2％。本文根据Brockhouse理论对散射中子的分辨率作了详细的理论计算,并将计算结果与实测结果进行了对比。介绍了标准钒样品的非弹性散射中子谱的测量结果并与国外几个同类型谱仪的基本特性作了比较。     

中国散裂中子源的多学科应用

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是我国首台、世界第4台脉冲型中子大科学设施。CSNS基于加速器产生的高能质子轰击钨靶产生中子,然后利用中子进行实验。CSNS面向全世界的用户开放,为科学研究和工业研发服务,在物理、化学、生物、能源、材料等领域都有广泛的应用。文章将介绍CSNS的基本构成、发展历程和中子散射的多学科应用。     

贮氢钛膜氢含量的中子反射分析方法设计

对3 μm厚Ti膜的中子反射率谱进行理论计算,得到了Ti膜在不同含氘量(TiDc,c=0.5、1.0、1.5和2.0)、表面是否氧化下的反射率谱.数据表明,用中子反射技术可以获取含氘量和表面氧化程度等信息.同时,根据需测量的膜层最大厚度,对反射谱仪部分参数提出了要求.     

CSNS靶站谱仪T0信号扇出设备研制

中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)靶站谱仪T0信号的高准确性和高可靠性是CSNS高效运行的重要条件之一。基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)和PMC(Peripheral Mezzanine Card)子母板组合,设计了满足分布式架构的T0信号扇出设备,自主研制了24 V电平触发的中子斩波器专用触发信号接收插件;在1.6 GeV质子束首次打靶前,对T0信号延迟及信号调理做了优化。T0信号扇出设备接口信号灵活多变,具有较强的可维护性和可扩展性,已投入使用近三年,系统稳定可靠,为今后二期谱仪更高需求的T0信号扇出设备的研发积累了宝贵的建设经验。     

CSNS多功能反射谱仪3He管探测器数据获取系统设计

作为中国散裂中子源(CSNS)工程中多功能反射(RM)谱仪一部分的3He管探测器数据获取系统不仅要具有基本的读取和处理数据的功能,还需要协调配合谱仪的整体运行,稳定可靠地与其它异构系统进行交互。通过规划数据获取的整体框架,采取有效的方式优化关键部分,另外挑选合适的三方软件包整合到数据获取系统中,达到了该系统操作方便灵活、功能完善、运行稳定可靠并且高效率,满足谱仪实验需求的目的。包括数据获取系统在内的多功能反射谱仪顺利通过了国家验收,目前这套数据获取系统已经成功应用在多功能反射谱仪的束流实验中。     

中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

用于GPPD谱仪的大面积闪烁体中子探测器性能测试

中国散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source,CSNS）的建成为中子散射技术的发展和应用奠定了基础。通用粉末衍射谱仪（general purpose powder diffractometer,GPPD）是CSNS一期建设的三条谱仪之一。研制了用于GPPD的大面积闪烁体探测器阵列,在CSNS的BL20中子束线上开展了探测器关键性能参数的实验测试。测试结果显示,对波长为1.4 Å和2.8 Å的中子,其探测效率分别为（38.5±1.7）%和（56.1±1.1）%,模拟与实验相结合,给出对2 Å的中子,其探测效率约为（46.1±2.0）%,有效面积内的探测效率不均匀度约为19.6%,经优化后可以降低到14.9%;探测器位置分辨可以达到4.0 mm×4.0 mm,最高计数率约79 kHz。探测器单元的整体性能指标能满足GPPD的物理需求。     

非弹性中子散射在稀土钙钛矿研究中的应用

中子散射技术在科学研究中应用的重要性、独特性源自于中子本身的一些基本物理特点:带自旋、不带电荷、与原子核直接发生强相互作用、恰当的质量使其色散关系与一般物质内部的原子振动和磁性振动的元激发相当,以及可用于无损探测的强穿透性等。这些特点决定了中子散射探测技术在科学研究中无可替代的重要地位。经过多年发展,中子散射技术已经成为研究凝聚态物理中材料晶体结构以及磁结构的主要手段。此外由于中子的能量与物质中的元激发,如声子,磁振子等能量相当,中子散射也是研究物质动力学性质不可替代的关键技术。对于磁性材料来说,非弹性中子散射不仅可以研究对称性破缺下磁有序相的自旋波激发,而且可以直接探测无对称性破缺情况下的自旋关联。这对于研究磁阻挫等量子磁体中新奇的量子化自旋激发尤其重要。文章将主要介绍两种常用的非弹性散射谱仪,并结合最近在稀土钙钛矿结构体系中的具体应用,尤其是低维稀土自旋链中的分数化自旋子的激发,重点介绍非弹性散射技术的特色。     

中国散裂中子源4K低温恒温器研制及测试

中国散裂中子源(CSNS)中子谱仪的运行离不开低温设备提供的低温样品环境，考虑到中子散射的特殊性，样品处不能放置温度计，所以需要对样品温度进行校核。校核结果显示部分低温恒温器样品座测点温度与实际样品温度存在差值。针对该问题，对样品区域进行热工分析及建模求解后，给出了样品区匀温恒温器设计方案。据此CSNS样品环境组设计组装了一套匀温恒温器，该恒温器的温度测试结果显示，4～300 K之间样品温度与测点温度差值在±3 K之内，另外也对300～800 K之间减少样品温差的方案进行了计算和测试。样品区匀温恒温器的研制满足了CSNS对样品测温准确的要求，也对类似设备的匀温方案提供了一定参考，有助于大科学装置设备的国产化。     

基于中国散裂中子源反角白光中子束线的天然锂中子全截面测量

锂是熔盐堆燃料载体盐的主要材料之一,其中子核反应截面数据是熔盐堆芯中子物理设计及堆芯长期安全运行中的重要基础数据.本工作基于中国散裂中子源反角白光中子束线(CSNS Back-n)飞行时间谱仪,利用中子全截面测量谱仪(NTOX),采用透射法测量了天然锂中子全截面.实验中,中子飞行距离约为76.0 m,采用15.0 mm和8.00 mm两种厚度的天然锂金属样品,在0.4 e V—20 Me V中子能量范围内测得了统计计数较好的中子全截面.特别是在ke V及以下能区增补了实验数据,为锂的核数据评价工作提供了更加丰富和可靠的实验数据.在此基础上,采用1/v律和R矩阵理论对Me V以下能区的新测量数据进行了理论分析,获得了7Li和6Li在260 ke V能量附近的中子共振参数.     

用中子散射法研究凝聚态物质的新进展

在近２０年间,由于中子源和散射装置的改进,中子散射在凝聚态物质中的应用日益广泛,许多方面是其它（ｘ射线、电子）散射技术无可比拟的。本文在简单评述供散射用的中子源和散射实验技术进展之后,重点介绍中子散射在凝聚态物质研究中的应用。它们包括晶体结构和磁结构的测定、表面、界面和薄膜的表征、测定结构涨落、磁涨落的现代相变研究、畸变、无序系统（包括分形和小角散射）和高分子材料、高Ｔ＿ｃ氧化物超导体的研究,工业上应用也作了简短讨论。