闪光X射线衍射成像系统设计及实验方法

为实现材料在冲击加载下微观动力学响应测量,基于小型闪光X射线源开展衍射成像系统设计.利用直流X光机及高纯锗探测器实现系统衍射光路的精确调节,克服了闪光X射线瞬时强度高及连续辐射本底强导致的衍射角度确定困难,并采用Scandiflash AB公司TD-450S和成像板建立了衍射成像系统.应用该系统在冲击加载实验中获得了LiF单晶单脉冲的Mo-Kα线静态及动态衍射图像.该闪光X射线衍射系统时间分辨率可达25ns,为冲击压缩实验中材料瞬时结构变化测量提供了新的实验方法.     

用于中子衍射的原位应力加载装置

一种小型化的应力加载系统,配合中子衍射应力谱仪可实现对多晶材料的原位测量,为进一步获得材料内部相、织构与应力演化的原位中子衍射实验结果,建立基于微观机制的材料宏观本构模型提供可能。该系统利用伺服电机提供动力,机架使用7050铝合金材料制造,系统的拉伸强度可达10 kN,运动速度可调（1 m/s~1 mm/s）。试样拉伸（压缩）时,S型传感器内部应变片变形产生电压信号,再经PLC处理后得到试样应力与应变之间关系。通过与英斯特朗5967实验拉伸机针对同一钢质试样进行对比实验发现,应力-应变曲线一致性良好。     

巴黎-爱丁堡压机中子衍射高压下温度加载实验

巴黎-爱丁堡压机(Paris-Edinbrugh press)因具有大体积样品、便携、结构简单等优点,被广泛应用于中子源进行高压原位中子衍射实验.但因单轴加压而导致封垫和组装不断沿径向向外流动的特点,给高压下组装的加热效率、保温效果、上下压砧的绝缘及热电偶连接等方面带来困难,从而使得巴黎-爱丁堡压机在高压下的温度加载非常具有挑战性.本文通过对高温高压组装的结构进行优化设计,提高了组装的加热效率和保温效果.通过对热电偶引线方式的优化,实现了高压下温度的直接测量.设计的HPT-3组装和HPT-3.5组装在高压下的温度加载最高可分别达到2000 K和1500 K,并且二者较大的样品尺寸满足中子衍射实验的需求.原位高温高压中子衍射实验结果说明, HPT-3组装在压力8.5 GPa、温度1508 K的条件下可以获得高质量的样品的中子衍射谱,同时该结果也进一步验证了所设计组装的良好稳定性.     

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.     

粉末中子衍射谱仪数据采集与处理系统

针对高分辨粉末中子衍射谱仪,采用现场可编程门阵列(FPGA)和C8051F060芯片实现了中子衍射数据采集与处理系统的设计;系统可对64路不同方向的中子同时进行计数,获得测量粉末样品的中子衍射谱;同时,为了获得多路计数器良好的一致性,系统利用C8051F060自身集成的ADC模块复用于64路中子多道脉冲幅度分析进行多路标定;实验表明:该系统能够准确地对64路衍射中子信号进行计数,每路计数率最高为106,具有较高的应用价值。     

冲击加载下LiF晶格形变的闪光X射线衍射测量EI北大核心CSCD

在轻气炮加载实验平台上,利用小型闪光X射线源建立了一套脉冲X射线衍射测量系统。利用该测量系统对平面冲击加载条件下LiF晶体微观结构变化进行了研究,得到了不同冲击加载压力下LiF晶体的单次脉冲X射线衍射图像。实验结果表明:沿[100]晶向加载,LiF晶体晶格发生了压缩,压缩量与衍射峰偏移量相关;基于小型闪光X射线源的脉冲X射线衍射测量系统可实现冲击压缩下材料微观结构变化的定量化测量,同时具有体积小、操作简单等优点,为研究弹塑性形变微观机理提供了一种有效手段。     

冲击加载下LiF晶格形变的闪光X射线衍射测量

在轻气炮加载实验平台上,利用小型闪光X射线源建立了一套脉冲X射线衍射测量系统。利用该测量系统对平面冲击加载条件下LiF晶体微观结构变化进行了研究,得到了不同冲击加载压力下LiF晶体的单次脉冲X射线衍射图像。实验结果表明:沿[100]晶向加载,LiF晶体晶格发生了压缩,压缩量与衍射峰偏移量相关;基于小型闪光X射线源的脉冲X射线衍射测量系统可实现冲击压缩下材料微观结构变化的定量化测量,同时具有体积小、操作简单等优点,为研究弹塑性形变微观机理提供了一种有效手段。     

中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪尖嘴型中子准直光阑的研制

中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大,且形状各异,有些样品甚至是曲面的,中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件,需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸,并保证束流尺寸精度很高,束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型,开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构,定位精度高,重复定位精度优于10μm,绝对定位精度优于30μm。狭缝刀片采用富集碳化硼,较大程度减小了刀片的厚度,可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量,保证狭缝有足够长度的尖嘴,能够接近异形构件,特别能够深入到长管内部,提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构,可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试,为残余应力测量做出了重要贡献,它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。     

基于巴黎-爱丁堡压机的高压中子衍射技术

巴黎-爱丁堡压机(Paris-Edinburgh press)可配合中子衍射对物质在高压下的结构变化进行研究.自20世纪90年代开始,已在材料学、地学、化学等众多领域得到了广泛应用.本研究利用巴黎-爱丁堡压机在中国绵阳研究堆(CMRR)的高压中子衍射谱仪(凤凰)上成功开展了高压中子衍射实验.实验由一台载荷为200 MPa的单缸柱塞泵为巴黎-爱丁堡压机提供加载压力,并发展了一套与谱仪集成的自动定位系统对样品进行定位.利用铁作为样品,分别使用单凹曲面和双凹曲面两种碳化钨(WC)压砧,成功获得了约10 GPa压力范围内的高压原位中子衍射谱.实验结果显示,双凹曲面组装可以稳定地承受100 MPa的负载压力,而单凹曲面封垫在80 MPa左右的负载压力下就开始不稳定而发生放炮.研究结果表明,双凹曲面压砧的凹槽增强了封垫的侧向支撑能力,使双凹曲面组装比单凹曲面组装具有更好的稳定性.研究结果对进一步优化巴黎-爱丁堡压机的压砧及封垫具有重要的指导意义.     

磁驱动加载装置负载区降温系统设计及应用

在材料物性研究中,压力和温度是两个基础的物理量,国内磁驱动加载装置具有压力调节能力,暂不具备样品降温控制技术,针对这一现状设计了一套配合磁驱动加载装置负载区的样品初始降温系统,结合设计的电极板结构和测试探针工装,使负载区电极板与样品、样品与探针固定于设定位置;通过往电极板和探针工装形成的密闭气室内注入压缩低温液氮达到对样品降温的目的;通过真空泵,抽出电极板和探针工装形成的密闭气室内的空气,避免测速探针由于低温凝结空气中的水汽而无法工作。基于该系统开展了低温下铋的斜波压缩实验,获得了?80 ℃初始温度下铋的动力学响应数据,验证了降温系统的可靠性。     

CoFe/TiZr多层膜材料界面结构与性能的极化中子反射研究

利用极化中子反射技术较系统地研究了CoFe/TiZr复合多层膜材料界面结构,结果表明.1)从多层膜超镜传输特性角度考虑,等厚对层不如非等厚对层膜结构好.2)等厚对层的最佳退火温度约250℃,非等厚对层退火温度低于250℃影响不明显,等厚和非等厚对层经350℃退火后膜层变化严重.3)从布拉格峰位变化看,随着退火温度的升高,等厚对层膜的厚度先变小后变大;非等厚对层与之相反. 关键词： CoFe/TiZr多层膜 退火影响 膜层结构 极化中子反射     

氘氚聚变中子发生器旋转氚靶传热特性研究

强流氘氚中子发生器可用于模拟聚变堆中子环境, 对于开展聚变堆包层材料相关实验研究具有重要意义. 本文提出了一种用于10¹² n·^-1量级氘氚中子发生器HINEG (high intensity neutron generator)的旋转氚靶系统设计方案, 并对其技术难点和强化传热方法进行了介绍. 为考查该氚靶系统的传热特性, 利用Computational Fluid Dynamics方法对冷却水层厚度、冷却水流速和氚靶系统旋转速度对靶面冷却的影响进行了分析, 并对不同热功率密度下靶面的传热过程进行了研究. 结果显示, 大的水层厚度、大的冷却水流速和高的靶系统旋转速度有利于靶面的冷却, 但水层厚度和水流速的变化对靶面传热影响较小. 一定条件下靶面所承受的热功率密度不能超过某个限值.     

Assessment of neutron-irradiated 3C-SiC implanted at 800 ℃

The favourable physical properties of SiC make it a potential material for use as containment layer in new generation nuclear reactors. The material will thus be exposed to high temperatures and fluences from fission products. The impact of increasing neutron fluence at constant irradiation temperature (800 ℃) on the properties of neutron-irradiated 3C-SiC was investigated, employing infrared reflectance spectroscopy and atomic force spectroscopy. A relation was found between the neutron fluence and the surface morphology of the irradiated 3C-SiC. The varying surface morphology also affected the dielectric parameters of the SiC.     

含耐高温涂覆层长周期光纤光栅的温度特性研究

利用逐点写入法在耐高温光纤中用红外飞秒激光直接写入了长周期光纤光栅,研究了光栅的高温温度特性,并做了理论分析.通过对含耐高温涂覆层的长周期光纤光栅进行20 ℃~300 ℃的温度传感实验,结果表明：在高温段光栅的谐振波长漂移量与温度之间仍能保持大的灵敏度（0.060 5 nm/℃）和好的线性度,且光纤耐高温涂覆层不受破坏,光纤耐高温涂覆在高温下不会出现碳化现象,光栅传感性能良好.实验证明该方法制作的光栅适合于长期在高温环境下使用,应用价值巨大.     

6H-SiC辐照特性的低温光致发光研究

本文用低温光致发光(LTPL)技术对经中子辐照的N型6H-SiC在350℃-1650℃温度范围的退火行为进行了研究。在700℃退火后观察到D1中心(D1-center)和位于485.0nm、493.6nm处的发光中心。我们发现D1中心与深能级瞬态谱(DLTS)的E1/E2深能级对具有不同的退火行为,这否定了它们源于相同的辐照诱生缺陷的观点。D1中心可能源于由空位和反位组成的复合体。     

重复频率运行强流电子束收集极热特性

 针对一种返波管常规收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700 keV、束流7 kA和脉宽50 ns为例,计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件ANSYS,采用脉冲热源加载的方式,在对流换热系数7 000 W/(m²·℃)、水温20 ℃的条件下,得到了收集极10～100 Hz运行时温度历史曲线及温度分布,并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300 ℃为气体发生显著热脱附的温度阈值,对流换热系数为7000 W/(m²·℃)时,能够满足重复频率50 Hz以下运行,而到100 Hz时,对流换热系数则需增加到10⁴ W/(m²·℃)。根据流体计算公式,给出了不同对流换热系数对应的水流流速。     

组合式隔热陶瓷短杆高温SHPB实验技术

讨论和分析了当前高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术,为了获得材料在高温下可靠的动态力学性能,建立了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温SHPB实验系统。相比于传统接触式高温SHPB方案,该系统可以使用在更高的冲击载荷和温度下,与机械对杆方案相比,实验装置及其控制要简便许多。结合有限元模拟,对陶瓷短杆及温度场对压杆中应力波传播的影响进行了相应的评估,并利用这套实验系统得到了800℃下HR2抗氢钢的动态压缩应力-应变曲线。     

匹配光纤光栅温度传感解调系统

实验了一种基于一维调节器的光纤光栅静态温度(温度缓变)探测系统。在系统中,一维调节器与步进电机相连,步进电机由PC(计算机)通过PLC(可编程逻辑控制器)进行控制,匹配光纤光栅被固定在一维调节器上用来解调增敏光纤光栅传感器探测到的温度信号,匹配光栅的Bragg周期可通过调节一维调节器进行控制,其透射的光信号经光电检测电路检测并与调节架形成闭环控制。实验测得,在10℃~70℃范围内系统温度传感探测精度为±0.3℃。     

α-Al2O3: Mn单晶的三维热释发光谱研究

测量了α-Al2O3: Mn单晶中子辐照前后的三维热释发光谱.观察到α-Al2O3: Mn:Mn单晶γ射线照射后测量的三维热释发光谱中，峰温在350℃波长为680nm处有一宽发光峰，这可能与Mn2+离子有关；波长为695nm峰温在170℃和350℃的线状光谱，叠加在680nm宽发光峰上，是Cr3+离子的发光谱线,其中可能有Mn4+离子的贡献.与纯α-Al2O3单晶的热释发光谱相比，掺入Mn杂质后，γ射线照射的三维热释发光谱中完全地抑制了波长为416nm的α-Al2O3的F心发光峰.经1017cm-2中子注量辐照和退火后，γ射线照射后测量的三维热释发光谱中，在150℃出现了波长为416和695nm的发光峰，以及在250℃波长为680和695nm的发光峰，其中695nm新发光峰的强度略超过了中子辐照前α-Al2O3:Mn在350℃波长为695nm的发光峰，说明中子辐照产生了大量浅陷阱能级和F心.然而，经1018cm-2中子注量辐照和退火后，γ射线照射后测量的三维热释发光谱中，出现了峰温150℃，190℃和250℃波长为520nm的Mn2+离子发光峰，以及300℃波长为680和695nm的Cr3+（或Mn4+）的发光峰，表明增高中子注量的辐照，产生了温度为190℃，250℃和300℃深陷阱能级和F心，并使Mn2+离子发光峰明显加强. 关键词： α-Al2O3:Mn 三维发光谱 缺陷结构 发光机理     

纳米压痕法测量Cu的室温蠕变速率敏感指数

把恒加载速率/载荷法（const.P·/P）和恒载荷法（const.P）相结合，提出了一个稳态加载和长时间保载的纳米压痕蠕变试验新方法.该方法不仅适用于高蠕变能力的低熔点材料，也适用于低蠕变能力和存在压痕尺寸效应的高熔点材料.用该方法确定Cu的室温蠕变速率敏感指数m为0.01，并发现其值不受加载段所用的P·/P值和达到的最大压入位移h-max的影响. 关键词： 纳米压痕 铜 蠕变 蠕变速率敏感指数