盤間距可調(diào)斬波器設(shè)計(jì)及模擬

李新喜 王 燕 黃朝強(qiáng) 陳 波

(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900)

中子散射是研究材料微觀結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)及微觀動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的權(quán)威性手段[1–3]。中子飛行時(shí)間方法可建立波長-時(shí)間的空間體系，在中子無損傷探測技術(shù)中發(fā)揮特有作用[4]，一大批飛行時(shí)間模式中子散射譜儀相繼建造起來[4–12]。穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆上通常用斬波器將連續(xù)中子束切割為一系列寬度相等的中子脈沖束[13]。

中子反射實(shí)驗(yàn)主要目的是測量垂直于反射表面的散射矢量函數(shù)的鏡反射率，確定垂直于材料表面的一維散射勢(Scattering Potential, SP)，由此獲取中子散射密度與深度的關(guān)系信息。當(dāng)材料分層和其化學(xué)組分已確定時(shí)，SP信息與材料的化學(xué)成分剖面及結(jié)構(gòu)相關(guān)，中子反射實(shí)驗(yàn)可獲取分層介質(zhì)各層的厚度、密度和界面粗糙度等典型參數(shù)。水平散射幾何中子反射譜儀，樣品表面是垂直的，主要用來研究固體樣品材料的表面和界面性質(zhì)?？紤]鏡反射實(shí)驗(yàn)技術(shù)，掠入射到樣品材料表面的中子束流的發(fā)散度直接影響整臺(tái)中子反射譜儀的整體分辨[11,14]。

本文重點(diǎn)關(guān)注水平散射幾何反射譜儀的中子斬波器設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)盤式中子斬波器[15,16]模型類型主要集中在斬盤數(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。采用四盤斬波器設(shè)計(jì)模型，利用第三斬盤和第四斬盤與第二斬盤的間距不同，實(shí)現(xiàn)中子斬波器的波長分辨調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)盤式斬波器在工程上，實(shí)現(xiàn)盤間距的線性可調(diào)比較困難。因此，為實(shí)現(xiàn)用盤間距變化調(diào)節(jié)中子斬波器的斬波特性，最好設(shè)計(jì)兩個(gè)不同位置的中子斬盤，根據(jù)不同需要啟用相應(yīng)的中子斬盤，停止轉(zhuǎn)動(dòng)的斬盤窗口同時(shí)可作狹縫進(jìn)行中子束流準(zhǔn)直，將水平發(fā)散過大中子濾掉。針對(duì)四盤中子斬波器的設(shè)計(jì)，用Mcstas模擬計(jì)算軟件[17]對(duì)相關(guān)物理參數(shù)的影響進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 盤間距可調(diào)斬波器的基本結(jié)構(gòu)模型

盤間距可調(diào)斬波器的設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)為如圖1的四盤斬波器模型，圖中1#斬盤和2#斬盤的轉(zhuǎn)動(dòng)反向，轉(zhuǎn)速為mw，組合的主要作用是產(chǎn)生有較好中子束流特性的束流脈沖，將1#和2#稱中子脈沖產(chǎn)生斬盤。圖1中“/”表示斬盤上留有供中子通過的窗口，1#和2#斬盤的斬窗間無位相差。

圖1 四盤斬波器的結(jié)構(gòu)示意圖W1、W2、W3 和 W4：1#、2#、3#和 4#斬盤窗口對(duì)應(yīng)的邊緣弧線長；d12、d23、d34：相應(yīng)斬盤的盤間距；f：2#和3#斬盤或2#和4#斬盤窗口間的位相差Fig.1 The sketch map of four disk chopper.W1, W2, W3 and W4, window arc length of the edge of Disks 1#,2#, 3# and 4#, respectively; d12, d23 and d34, space between Disks 1# and 2#, Disks 2# and 3#, and Disks 3# and 4# respectively;f, phase difference between Disks 2# and 3# or Disks 2# and 4#.

四盤斬波器中每個(gè)斬盤的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖見圖 2。圖3給出不同波長中子的飛行示意圖。中子脈沖分別經(jīng)過不同位置的3#和4#中子斬盤，當(dāng)3#斬盤旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，4#斬盤靜止，反之亦然。圖3中4#斬盤的窗口張角大于3#斬盤的窗口張角，中子脈沖3#和4#中子斬盤波段明顯不一樣。

圖2 斬盤結(jié)構(gòu)示意圖R：斬盤半徑；W：斬盤窗口張角對(duì)應(yīng)的邊緣弧線長；h：窗口沿?cái)乇P半徑方向的長Fig.2 Sketch map of the chop disk frame.R, disk radius; W, window arc length of disk; h, radial length of window.

圖3 不同波長中子的飛行示意圖Fig.3 Flight of neutrons in different wavelengths.

2 模擬計(jì)算

模擬計(jì)算采用四盤中子斬波器模型，四個(gè)斬盤大小尺寸完全一致，斬盤半徑R=250 mm，斬盤窗口高h(yuǎn)=50 mm，盤間距d12=100 mm。1#和2#斬盤模擬見文獻(xiàn)[18,19]。斬波器前注量率為 3.36′1010cm–2×s–1，斬盤為中子吸收材料，模型未考慮斬盤散射。3#和4#斬盤的輪換工作計(jì)算軟件編寫，考慮靜止?fàn)顟B(tài)下，狹縫窗口和降低中子水平發(fā)散度作用，斬盤窗口遠(yuǎn)小于半徑，將其近似為狹縫模型，狹縫寬度為窗口中點(diǎn)處的弧線長。

2.1 3#和4#斬盤窗口弧線長變化的計(jì)算結(jié)果

四盤中子斬波器根據(jù)不同參數(shù)的變化，有多種組合方式。為簡化模型，采用1#和2#斬盤窗口保持完全一致，即大小變化同步。計(jì)算采用的輸入?yún)?shù)為：W1=4 mm，W2=4 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，ω=2100 r/min，f =1.5°。計(jì)算重點(diǎn)考察 3#和 4#斬盤工作時(shí)的斬束效果。

圖4給出3#和4#處于工作狀態(tài)時(shí)中子脈沖的注量率隨窗口W變化的函數(shù)關(guān)系曲線。3#處于工作狀態(tài)時(shí)，隨脈沖斬盤窗口張角對(duì)應(yīng)的外邊緣弧線長W增大，中子脈沖注量率基本在 107量級(jí)，成線性增長。4#處于工作狀態(tài)時(shí)，隨W增大，中子脈沖注量率基本在106量級(jí)，逐漸變大。

圖4 3#盤(■)和 4#盤(□)工作時(shí)脈沖注量率與窗口W的函數(shù)關(guān)系Fig.4 Flux as function of W when Disk 3# (■) or Disk 4# (□)rotates.

圖5 給出3#和4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)中子脈沖的水平發(fā)散隨窗口W變化的函數(shù)關(guān)系曲線。3#處于工作狀態(tài)時(shí)，隨脈沖斬盤窗口張角對(duì)應(yīng)的外邊緣弧線長W增大，中子脈沖水平發(fā)散逐漸變大，基本都在1°以上。4#處于工作狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果和3#類似，隨W增大，中子水平發(fā)散逐漸變大，但水平發(fā)散度相應(yīng)的要小些，基本在1°以下。

圖5 3#盤(■)和 4#盤(□)工作時(shí)脈沖水平發(fā)散與窗口W的函數(shù)關(guān)系Fig.5 Divergence as function of W when Disk 3# (■) or Disk 4# (□) rotates.

2.2 轉(zhuǎn)速變化的影響

轉(zhuǎn)速是斬波器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，在中子斬波器中最容易調(diào)節(jié)，它的改變涉及到很多參數(shù)的改變[20]。盡管目前電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)精確度越來越高，但轉(zhuǎn)速還是有一定偏差。因此，中子斬波器設(shè)計(jì)中，通常要考慮轉(zhuǎn)速波動(dòng)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。為了解兩種模型參數(shù)情況下，四盤斬波器對(duì)中子束流的衰減情況，采用輸入物理參數(shù)為：W1=4 mm，W2=4 mm，W3=25 mm，W4=50 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，f =1.5°。針對(duì)轉(zhuǎn)速的改變分別對(duì) 3#和 4#處于工作狀態(tài)時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖6給出3#和4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)輸出中子脈沖的注量率隨轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)關(guān)系曲線。3#處于工作狀態(tài)時(shí)，隨脈沖斬盤轉(zhuǎn)速ω增大，中子脈沖強(qiáng)度逐漸減小。4#處于工作狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果和3#時(shí)類似，隨ω增大中子脈沖強(qiáng)度逐漸減小，但脈沖中子強(qiáng)度較3#時(shí)小。從變化趨勢來看，二者衰減趨勢基本相同。

2.3 位相差變化的影響

3#或4#斬盤與脈沖斬盤的位相差是斬波器設(shè)計(jì)要關(guān)注的物理參數(shù)之一，在實(shí)際使用工程中不易可調(diào)，由于它直接影響中子波段的選取[20]，在設(shè)計(jì)中要予以重點(diǎn)關(guān)注。如圖1所示，計(jì)算模型的位相差f為3#或4#斬盤與2#斬盤存在的位相差。當(dāng)斬盤非工作狀態(tài)時(shí)，用狹縫模型對(duì)靜止斬盤窗口近似處理。3#和4#斬盤分別處于工作狀態(tài)時(shí)，位相差f對(duì)中子脈沖強(qiáng)度的影響分別模擬計(jì)算，采用的基本輸入物理參數(shù)為：W1=4 mm，W2=4 mm，W3=25 mm，W4=50 mm，d23=200 mm，d24=600 mm，ω=2100 r/min。

圖6 3#盤(■)和 4#盤(□)工作時(shí)斬波器注量率與轉(zhuǎn)速ω的函數(shù)關(guān)系Fig.6 Flux as function of ω when Disk 3# (■) or Disk 4# (□)rotates.

圖7 給出3#和4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)中子脈沖強(qiáng)度隨位相差f變化的函數(shù)關(guān)系曲線。3#處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)位相差f≤4°時(shí)，中子脈沖強(qiáng)度隨f增大逐漸增大；但當(dāng)f≥4°時(shí)，脈沖強(qiáng)度逐漸減小。4#處于工作狀態(tài)時(shí)的計(jì)算結(jié)果與 3#時(shí)類似，中子脈沖隨f變化的函數(shù)關(guān)系曲線都有一個(gè)峰值，4#時(shí)的峰值點(diǎn)較3#時(shí)相對(duì)大一些；當(dāng)f≥8°后，脈沖強(qiáng)度開始下降，這可能是4#斬盤窗口比較大以及距2#斬盤的距離較遠(yuǎn)的原因。

圖7 3#盤(a)和4#盤(b)工作時(shí)的輸出注量率與位相差f的函數(shù)關(guān)系Fig.7 Flux as function of f when Disk 3# (a) or Disk 4# (b) rotates.

3 誤差分析

中子斬波器實(shí)際使用中，由于機(jī)械方面的難度，轉(zhuǎn)盤間距、位相差、斬盤窗口張角等參數(shù)都不易調(diào)節(jié)，只有中子斬波器的斬盤轉(zhuǎn)速較易調(diào)節(jié)。1#和2#斬盤組成的中子脈沖斬盤，盤間距的大小對(duì)中子強(qiáng)度的損失起一定作用。當(dāng)中子通過1#斬盤，長波長的中子飛行速度較慢，在飛行1#和2#斬盤間距這段時(shí)間中，2#斬盤轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不能從2#斬盤窗口飛出去，造成中子強(qiáng)度的損失。因此，設(shè)計(jì)中盡可能縮短脈沖斬盤的間距，但由于機(jī)械要求、斬盤厚度及其他方面的需要，間距不可能過短。斬盤通常用中子吸收材料做成，將打在斬盤上的中子吸收掉，斬盤的厚度對(duì)中子吸收、剛性及強(qiáng)度起一定作用，斬盤太薄容易變形，也容易造成透射中子多從而造成脈沖發(fā)散及本底增大。

斬波器的脈沖波長分辨近似為式(1)[10]：

式中，τc為斬盤窗口張角引起的脈沖時(shí)間，τh為入射束流寬度引起的脈沖時(shí)間，τDA(λ)為探測系統(tǒng)的道寬時(shí)間，t為波長λ的中子飛到探測器的時(shí)間，w為探測器厚度，L為脈沖盤到探測器的距離。

由式(1)，斬波器分辨受多種因素影響。τc在斬波器設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要因素，它涉及到脈沖斬盤窗口張角的設(shè)計(jì)。脈沖盤到探測器的距離通常會(huì)受入射注量率、脈沖是否重疊及散射大廳空間的客觀條件限制，受限制后設(shè)計(jì)歸宿點(diǎn)還是要回到脈沖斬盤窗口的設(shè)計(jì)上。

中子斬波器設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)客觀物理參數(shù)的組合，有多種設(shè)計(jì)模型，四盤中子斬波器是斬波器模型設(shè)計(jì)中的一個(gè)嘗試。設(shè)計(jì)采用異向轉(zhuǎn)動(dòng)雙盤作脈沖斬盤，相對(duì)于單脈沖斬盤，在斬盤窗口大小相同的情況下，不易造成由于中子束流寬度與斬盤窗口不匹配造成的拖尾現(xiàn)象，同時(shí)還可縮短脈沖時(shí)間。四盤斬波器的設(shè)計(jì)除常規(guī)的通過改變中子斬波器轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)中子斬波器的斬速性能外，還加入調(diào)節(jié)盤間距與斬盤轉(zhuǎn)速組合使用來改變脈沖的束流特性。3#或4#中子斬盤在非工作狀態(tài)時(shí)，由于窗口張角很小，其作用可近似為狹縫，起到降低水平束流水平發(fā)散作用。

4 結(jié)果與討論

本文分別給出四盤斬波器脈沖斬盤窗口、轉(zhuǎn)速及位相變化的模擬計(jì)算結(jié)果。針對(duì)脈沖斬盤窗口變化模擬計(jì)算，給出其對(duì)斬波器脈沖注量率及水平發(fā)散帶來的影響，脈沖注量率隨斬盤窗口張角的增大而增大，但相比較，4#處于工作狀態(tài)時(shí)，整個(gè)中子注量的損失比較嚴(yán)重，整個(gè)變化區(qū)間低于3#時(shí)約一個(gè)數(shù)量級(jí)；相應(yīng)的脈沖水平發(fā)散隨斬盤窗口張角增大的模擬計(jì)算結(jié)果曲線有一定波動(dòng)，可能是計(jì)算誤差及高斯擬合誤差引起，3#或4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)，脈沖水平發(fā)散基本分別處于1°以上和1°以下變化，這對(duì)于中子反射譜儀的設(shè)計(jì)非常重要，水平散射幾何模式中子反射譜儀的分辨與中子束流水平發(fā)散有很大關(guān)系，中子脈沖束流水平發(fā)散的降低可提高譜儀分辨[14,21,22]，降低水平發(fā)散在譜儀設(shè)計(jì)中可用準(zhǔn)直器或準(zhǔn)直狹縫來達(dá)到，但前端設(shè)計(jì)中子斬波器產(chǎn)生的脈沖束流水平發(fā)散降低在后來設(shè)計(jì)中可提高準(zhǔn)直的有效中子注量率。提高轉(zhuǎn)速的變化計(jì)算結(jié)果表明，無論是3#或4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)，脈沖注量率隨轉(zhuǎn)速的增大都呈衰減趨勢，衰減趨勢類似，總體衰減幅度都不大。只是4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)產(chǎn)生的脈沖注量率要低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。轉(zhuǎn)速的改變會(huì)影響到四盤斬波器另外一個(gè)重要性能參數(shù)脈沖時(shí)間，脈沖時(shí)間的降低可提高整個(gè)四盤斬波器的波長分辨，從而提高斬波器的斬束性能，但脈沖注量率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的提高降低。 因此，轉(zhuǎn)速范圍選擇要根據(jù)需求，不能選擇過高。在客觀物理參數(shù)下，位相差的模擬計(jì)算結(jié)果給出相應(yīng)的脈沖強(qiáng)度隨位相差增大而增大的范圍。3#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)，位相差4°以下脈沖強(qiáng)度隨位相差增大而增大。4#斬盤處于工作狀態(tài)時(shí)，位相差8°以下脈沖強(qiáng)度隨位相差增大而增大。計(jì)算結(jié)果表明，四盤斬波器的設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)了中子斬波器斬波特性的可調(diào)，通過轉(zhuǎn)換使用3#和4#斬盤，成功地解決了工程中難以實(shí)現(xiàn)的盤間距可調(diào)，為斬波器的斬波特性可調(diào)又增添了一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)的物理參數(shù)。同時(shí)，靜止的斬盤還能起到降低水平發(fā)散度的作用。計(jì)算結(jié)果可為水平散射幾何中子反射譜儀中四盤斬波器的設(shè)計(jì)及四盤斬波器的參數(shù)選擇提供理論參考。

1 Majkrzak C F. Physica B, 1996, 221: 342–356

2 黃朝強(qiáng), 陳 波, 李新喜, 等. 物理學(xué)報(bào), 2008, 57:364–370 HUANG Chaoqiang, CHEN Bo, LI Xinxi, et al. Acta Phys Sin, 2008, 57: 364–370

3 陳 波, 夏慶中, Lebedev V T. 物理學(xué)報(bào), 2005, 54:2821–2825 CHEN Bo, XIA Qingzhong, Lebedev V T. Acta Phys Sin,2005, 54: 2821–2825

4 Mutka H. Physica B, 1992, 180-181: 929–931

5 Clemens D, Gross P, Keller P, et al. Physica B, 2000,276-278: 140–141

6 Plomp J, De Haan V O, Dalgliesh R M, et al. Physica B,2007, 397: 76–78

7 Van D K R W E, De B J. Nucl Instr Meth A, 2002, 482:347–354

8 Webster J, Holt S, Dalgliesh R. Physica B, 2006, 386-386:1164–1166

9 Kampmann R, Haese-Seiller M, Kudryashov V, et al.Physica B, 2006, 386-386: 1161–1163

10 Menelle A. Physica B, 2004, 350: 767–769

11 Vanwell A A, Fredrikze H. Physica B, 2005, 357: 204–207

12 Masayasu T, Yasuo E. Physica B, 1999, 267-268:185–189

13 丁大釗, 葉春堂, 趙志祥, 等. 中子物理學(xué). 北京: 原子能出版社, 2005 DING Dazhao, YE Chuntang, ZHAO Zhixiang, et al.Neutron physics. Beijing: Atomic Energy Press, 2005

14 Vanwell A A. Physica B, 1992, 180-181: 959–961

15 Lechner R E. Physica B, 1992, 180-181: 973–977

16 Kearley G J. Physica B, 1992, 180-181: 911–913

17 http://www.mcstas.org

18 李新喜, 王 燕, 黃朝強(qiáng), 等. 光學(xué)精密工程, 2009,17(9): 2112–2119 LI Xinxi, WANG Yan, HUANG Chaoqiang, et al. Opt Precis Eng, 2009, 17(9): 2112–2119

19 李新喜, 黃朝強(qiáng), 王 燕, 等. 核技術(shù), 2009, 32(7):510–514 LI Xinxi, HUANG Chaoqiang, WANG Yan, et al. Nucl Tech, 2009, 32(7): 510–514

20 李新喜, 黃朝強(qiáng), 王 燕, 等. 核技術(shù), 2008, 31(5):392–395 LI Xinxi, HUANG Chaoqiang, WANG Yan, et al. Nucl Tech, 2008, 31(5): 392–395

21 Penfold J. Physica B, 1991, 173: 1–10

22 Clemens D. Physica B, 1996, 221: 507–513