利用徑向準(zhǔn)直器減輕中子應(yīng)力測量中的贗偏移的模擬研究

陳彥舟 孫光愛 陳 波

（中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

中子衍射應(yīng)力分析譜儀測量材料或工程部件的殘余應(yīng)力，其優(yōu)點是深探測、非破壞[1,2]，廣泛應(yīng)用于時效分析、制造過程、先進(jìn)材料設(shè)計以及荷載部件的殘余應(yīng)力的測量[3]。X 射線衍射(XRD)則主要用于薄膜或材料表面(數(shù)十μm)殘余應(yīng)力的測量。但是，它們對近表面區(qū)域測量都有局限：XRD需進(jìn)行剝層測量，會造成殘余應(yīng)力的釋放；中子衍射則會因裝置設(shè)置和測量過程引起衍射峰偏移，樣品近表面區(qū)域即使沒有應(yīng)力分布，測量到的衍射峰位置也會發(fā)生偏移，稱為“贗偏移”[4]。中子衍射應(yīng)力測量的贗偏移，主要源于中子源的流強(qiáng)較弱，往往要求樣品發(fā)生衍射的體積較大，通常為10 mm3(XRD僅為0.1 mm3)。贗偏移量可能非常大，嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為使中子衍射技術(shù)能用于材料近表層(距表面100 μm)殘余應(yīng)力的測量，得尋找適當(dāng)減輕贗偏移的方法。

Michael等[4]認(rèn)為，減輕贗偏移可減小樣品規(guī)范體積、入射束角度減小發(fā)散等，但這些都會減弱中子束流、延長測量時間。徑向準(zhǔn)直器(ORC)，是將soller型的狹縫準(zhǔn)直器的豎直吸收薄片形成一定角度，并聚焦在規(guī)范體積中心點附近，可在更大的空間上探測中子。這種新型準(zhǔn)直器定義的中子衍射規(guī)范體積比傳統(tǒng)限束孔定義的精確，可提高中子透過率，減小束流發(fā)散，起減弱或克服贗偏移作用。本文用射線追蹤程序 SIMRES 6.0.9對各種準(zhǔn)直器配置下的譜儀進(jìn)行模擬，并分析徑向準(zhǔn)直器減輕贗偏移的機(jī)理。

1 計算模型

常規(guī)的中子衍射應(yīng)力分析譜儀主要由熱中子源、水平孔道、單色器、限束孔和探測器等組成?；灸Ｐ蛥?shù)如表1所示。

圖1為在基本模型的基礎(chǔ)上建立的三種模型：模型A 無徑向準(zhǔn)直器，模型B僅有第二徑向準(zhǔn)直器，模型C則有第一、第二徑向準(zhǔn)直器。

圖1 中子衍射應(yīng)力分析譜儀的三種模型Fig.1 Three models of residual stress neutron diffractometer.

表1 基本模型參數(shù)Table 1 Basic parameters of the model.

規(guī)范體積為3 mm×3 mm×3 mm。第一徑向準(zhǔn)直器參數(shù)設(shè)為(參見文獻(xiàn)[5])：長度349 mm，入口尺寸179.82 mm(w)×63.19 mm(h)，出口 109 mm(w)×39.82 mm(h)，共 111個狹縫；第二徑向準(zhǔn)直器參數(shù)為：長度349 mm，入口尺寸109 mm(w) ×200 mm(h)，出口尺寸 179.82 mm(w)×200 mm(h)，共 111 個狹縫。

2 計算結(jié)果

根據(jù)模型A、B和C，沿著出射束的方向掃描樣品內(nèi)各點的贗偏移量，0 mm點位于樣品中心。根據(jù)模型計算得到的衍射峰偏移量與樣品移動位置的關(guān)系見圖2(a)。在樣品內(nèi)部掃描即規(guī)范體積完全沉浸時，三模型均無明顯贗偏移；而當(dāng)規(guī)范體積不完全沉浸時，衍射峰均發(fā)生明顯的贗偏移；模型A的贗偏移最大，模型B的贗偏移明顯減小，模型C的贗偏移最?。辉谧畲筅I偏移對應(yīng)的樣品移動位置，僅有限束孔的贗偏移量是設(shè)置第一、第二徑向準(zhǔn)直器的3.2倍；是僅設(shè)置第二徑向準(zhǔn)直器的2.4倍。

圖2(b)為出射線方向移動樣品位置時衍射峰的強(qiáng)度。模型A的強(qiáng)度最?。粚τ谀Ｐ虰，由于準(zhǔn)直器開口比限束孔大得多，可通過更多的衍射中子束，再考慮到單色器的振蕩，強(qiáng)度有所增加；模型C的強(qiáng)度最大。在最大強(qiáng)度對應(yīng)的樣品移動位置，設(shè)置第一、第二徑向準(zhǔn)直器時的強(qiáng)度是僅設(shè)置第二徑向準(zhǔn)直器時的6.6倍，是僅有限束孔時的17.4倍；強(qiáng)度曲線左高右低的原因是由于中子束在樣品內(nèi)的沿程衰減引起的。

圖3是模型C的一個衍射峰。當(dāng)規(guī)范體積不完全沉浸時，衍射峰仍為高斯型。

圖2 出射線方向移動樣品位置時衍射峰的贗偏移量(a)和衍射峰的強(qiáng)度(b)Fig.2 Pseudo shift (a) and intensity (b) of the diffraction peak with the sample moving along the diffraction direction.

圖3 模型C的一個衍射峰Fig.3 A diffraction peak of Model C.

3 討論

部分沉浸的規(guī)范體積不僅影響重心的位置，還會影響衍射角。使用位敏探測器而不設(shè)置分析器，將導(dǎo)致較大衍射峰峰位的偏移，產(chǎn)生應(yīng)變偏差，其原因為如下效應(yīng)：

圖4 第一徑向準(zhǔn)直器對波長效應(yīng)的抑制Fig.4 Suppression of wavelength effect by the primary ORC.

(1) 波長效應(yīng)。單色入射束是單色器從白光中子束中選擇而得，該單色中子束有一定角度發(fā)散分布和波長展寬。用限束孔限定入射中子束，如發(fā)散束流部分被限束孔遮擋住，則入射束角度發(fā)散分布會產(chǎn)生相應(yīng)改變。又因為波長分布和角度發(fā)散分布直接相關(guān)，后者的改變導(dǎo)致入射束的平均波長發(fā)生變化。由布拉格定理可知，平均波長變化時衍射角也相應(yīng)改變。反映在探測器上即為衍射峰峰位產(chǎn)生偏移。

使用徑向準(zhǔn)直器可將完整的角度發(fā)散分布投射到規(guī)范體積內(nèi)的每個點，故即使規(guī)范體積部分沉浸，中子波長分布也不會發(fā)生任何改變(圖4)。

(2) 峰剪切效應(yīng)。在樣品與探測器間設(shè)置限束孔來截取規(guī)范體積時，出射束角度發(fā)散隨限束孔吸收而變化。在樣品內(nèi)部掃描應(yīng)力時，該效應(yīng)輕微且對稱，僅改變峰寬度而峰位不變；規(guī)范體積部分沉浸時，其重心發(fā)生移動，峰剪切效應(yīng)變得不對稱，衍射峰的位置發(fā)生偏移。

徑向準(zhǔn)直器前端入口較大且整體振蕩，使出射束相對完整地被探測器接收，因此使用第二徑向準(zhǔn)直器可以避免峰剪切效應(yīng)(圖5)。

圖5 第二徑向準(zhǔn)直器對峰剪切效應(yīng)的抑制Fig.5 Suppression of peak clipping effect by the secondary ORC.

(3) 幾何效應(yīng)。當(dāng)掃描樣品表面應(yīng)力時，規(guī)范體積的重心發(fā)生偏移。重心的偏移投射到PSD上，表現(xiàn)為峰位的變化，由此引入一定贗應(yīng)變。另外幾何效應(yīng)受中子束沿程衰減的影響。增設(shè)徑向準(zhǔn)直器僅能減弱波長效應(yīng)和峰剪切效應(yīng)，對幾何效應(yīng)則無能為力。

4 結(jié)語

本文采用最新的射線追蹤程序 SIMRES 6.0.9 beta對使用徑向準(zhǔn)直器減輕中子衍射應(yīng)力分析譜儀贗偏移的方法進(jìn)行系統(tǒng)研究。建立了僅由限束孔定義規(guī)范體積、只設(shè)置第二徑向準(zhǔn)直器和設(shè)置第一、第二徑向準(zhǔn)直器三種模型，模擬計算得到三種情況下樣品位置移動與衍射峰偏移及強(qiáng)度的關(guān)系曲線。研究結(jié)果表明，在樣品內(nèi)部掃描時均無明顯的贗偏移；當(dāng)在樣品表面掃描時，衍射峰均發(fā)生了明顯的贗偏移現(xiàn)象；沒有徑向準(zhǔn)直器時贗偏移最大，強(qiáng)度最??；只設(shè)置第二徑向準(zhǔn)直器時贗偏移明顯減小，強(qiáng)度居中；設(shè)置第一、第二徑向準(zhǔn)直器時贗偏移最小，強(qiáng)度最大。

1 郭立平, 李際周, 孫凱, 等. 應(yīng)力測量中子衍射譜儀聚焦單色器的模擬[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2008, 42(1):74–75 GUO Liping, LI Jizhou, SUN Kai,et al. Simulation study on focused monochromator of neutron diffractometer for stress measurement[J]. At Energy Sci Technol, 2008,42(1): 74–75

2 Allen J, Hutchings M T, Windsor C G. Neutron diffraction methods for the study of residual stress fields[J].Advances in Physics, 1985, 34: 445–473

3 郭立平, 李際周. CARR上的應(yīng)力測量中子衍射譜儀概念設(shè)計和模擬研究[J]. 核技術(shù), 2005, 28(3): 231–235 GUO Liping, LI Jizhou. Conceptual design and simulation on neutron diffractometer for stress measurement at CARR[J]. Nucl Tech, 2005, 28(3):231–235

4 Hutchings M T, Withers P J, Holden T M,et al.Introduction to the characterization of residual stress by neutron diffraction[M]. Boca Raton: CRC Press Taylor &Francis Group, 2005: 127-131, 134

5 Shuki Torii, Atsushi Moriai. The design of the radial collimator for residual stress analysis diffractometer of J-PARC. Physica B, 2006, 385: 1287–1289