[科普中國]-中子脈沖

內(nèi)容簡介

中子散射已經(jīng)被證明是用來研究材料微觀、磁結(jié)構(gòu)以及微觀動力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確性手段，隨著中子散射技術(shù)的蓬勃發(fā)展，飛行時間技術(shù)作為一種重要的方法也得到了越來越多的關(guān)注。相應(yīng)的，對作為譜儀關(guān)鍵部件的中子斬波器的精度要求也越來越高。中子斬波器性能的優(yōu)劣，與中子束流的初始束流特性好壞有很大的關(guān)系。初始脈沖的脈沖時間偏差、發(fā)散度、注量率等都直接影響著最終的束流特性。因此，中子斬波器初始脈沖產(chǎn)生的好壞，直接決定著中子斬波器的性能。多數(shù)飛行時間模式中子散射譜儀采用的是轉(zhuǎn)盤式中子斬波器，不同的轉(zhuǎn)盤式中子斬波器模型主要在斬盤數(shù)目、斬盤窗口、窗口大小、盤間距、轉(zhuǎn)速等物理參數(shù)的不同。1

斬盤產(chǎn)生的中子脈沖特性單盤產(chǎn)生的脈沖性能（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于轉(zhuǎn)盤式中子斬波器，中子束流脈沖的產(chǎn)生是采用一個帶有若干個窗口的中子斬盤。產(chǎn)生束流脈沖的中子斬盤結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。圖中陰影部分為斬盤窗口，w 為斬盤窗口邊緣弧線長，斬盤半徑為 R，窗口高度為 h。

（2）模擬計(jì)算結(jié)果

為節(jié)省計(jì)算時間和便于分析，采用只有單個斬窗的簡單旋轉(zhuǎn)盤作為計(jì)算模型。對于多斬窗的中子斬盤，相對的中子束流脈沖更多，但對于特定斬窗以及轉(zhuǎn)速的情況下，產(chǎn)生的中子束流脈沖特性是一樣的。斬盤的基本物理參數(shù)見表 1，計(jì)算考慮的是較為理想的電動馬達(dá)，沒有考慮斬盤轉(zhuǎn)速偏差。

從計(jì)算結(jié)果來看，中子脈沖注量率基本上與斬盤窗口弧線長 w 成線性關(guān)系，隨著斬盤窗口弧線長 w 的增大而增大。這與斬窗設(shè)計(jì)的物理初衷是一致的，在入射中子束流強(qiáng)度一定的情況下，脈沖注量率基本上與中子束流所通過的時間成正比。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，脈沖束流時間與斬盤窗口弧線長 w 是成線性關(guān)系的。從計(jì)算結(jié)果來看，斬盤產(chǎn)生的中子脈沖的束流發(fā)散度隨著斬盤窗口弧線長w 增大而增大。曲線有一定的波動 , 這主要是由計(jì)算誤差以及高斯擬合誤差帶來的。

異向旋轉(zhuǎn)雙斬盤（1）結(jié)構(gòu)介紹

異向雙盤中子脈沖產(chǎn)生的計(jì)算模型如右圖所示。圖中陰影部分為斬盤窗口，斬盤窗口間不存在位相差。為了便于描述，分別將前后的兩個斬盤稱作“1 #”和“2 #”斬盤。對任意一個中子斬盤來說，其基本結(jié)構(gòu)與上圖中的單脈沖產(chǎn)生盤完全類似。相對于單脈沖產(chǎn)生盤，雙盤的結(jié)構(gòu)相對來說要復(fù)雜一些，可變物理參數(shù)也多一些。圖中d為雙盤間距，雙盤轉(zhuǎn)動方向相反，轉(zhuǎn)速分別用 ±ω來表示。

（2）模擬計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型的基本物理參數(shù)見表2。當(dāng) w2 ≤34mm 時 , 模擬得到的中子脈沖強(qiáng)度隨著第二斬盤窗口w2的增大而增大；當(dāng) w 2 >34 m m 時候，中子束流脈沖強(qiáng)度基本上沒有變化，曲線微小的波動可能是計(jì)算誤差造成的。由第二斬盤窗口大小不同時脈沖中子注量率與雙盤間距變化的函數(shù)關(guān)系可知，w2=34 mm 斬出的中子脈沖強(qiáng)度要比 w2 =4 mm 大得多。產(chǎn)生的脈沖注量率都隨著雙盤間距的增大而減小，并且在初始階段，下降較快。

從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，w2 =34 mm 斬出的中子脈沖束流發(fā)散度要比 w2 =4 mm 大一些。兩種模型下模擬計(jì)算得到的結(jié)果都表明，隨著雙盤間距的增大，中子脈沖束流的發(fā)散度都呈下降趨勢。相對來說，w2 =34 mm 的計(jì)算模型下，中子脈沖束流發(fā)散度的下降趨勢要緩和一些。為了更為直觀地比較，中子脈沖束流發(fā)散都采用了高斯擬合。

誤差分析（1）單斬盤產(chǎn)生的脈沖

針對中子單斬盤來說，產(chǎn)生的誤差除與斬盤物理參數(shù)本身的一些誤差有關(guān)外，入射中子束流截面與斬窗的尺寸之間的匹配也是產(chǎn)生脈沖誤差的一個原因。單斬盤脈沖窗口產(chǎn)生的誤差主要是由于脈沖時間造成的。對于波長
為 λa 的中子，在 0 時刻進(jìn)入與 tD 時刻進(jìn)入，顯然到達(dá)探測器的時間是不同的，在處理時，判定中子波長時，是根據(jù)反演由飛行時間確定波長的過程，因此，造成了波長確定的誤差。脈沖時間產(chǎn)生的誤差可在斬波器以及前端入射中子束流設(shè)計(jì)匹配上綜合考慮，盡可能地降低誤差。由于入射中子束流的發(fā)散以及考慮到中子通量的問題，時間差 tCB處理起來相對復(fù)雜些，由于數(shù)值比較小，通常情況下都是采用周期 T 作為斬窗在入射中子束流中的時間。

（2）異向雙斬盤產(chǎn)生的脈沖

對于同時刻進(jìn)入的中子束流脈沖，部分長波長的中子被吸收，從而改變了原入射中子束流的波譜，相對的短波中子通量要大一些，強(qiáng)度也要高一些。對于雙斬盤完全一致的脈沖斬盤，對于某一特定波長的中子，由于進(jìn)入斬盤窗口時刻不同，所處位置不同，相應(yīng)地決定著能否從雙斬盤中飛出，從而誤差的分析處理相對于單斬盤更為復(fù)雜。實(shí)際使用過程中，部分設(shè)計(jì)者為了提高中子通量，通常將第二斬盤的張角寬度設(shè)計(jì)的比前一斬盤張角大，而且設(shè)計(jì)多個斬盤窗口，從而提高中子通過率。2