中子薄膜器件與光學系統(tǒng)的研究進展

張 眾，張琪雅，何佳蓮，伊圣振，王占山，黃秋實，王 昆，余 俊

（同濟大學 物理科學與工程學院 精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數(shù)字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業(yè)技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

中子具有電中性、高透力、同位素分辨、輕元素靈敏、磁矩等特性，是一種研究物質結構和微觀世界運動規(guī)律的有效手段。中子散射技術已經廣泛應用于納米、超導、磁性、生物等有機和無機新材料的表界面、結構、相變和磁學等特性的科學研究中，其發(fā)展水平和應用程度已成為衡量一個國家科技綜合實力的主要標志之一[1］。在中子散射實驗中，被測樣品處中子束的亮度決定了實驗的效率和精度，因此提升中子束亮度成為當下中子散射技術發(fā)展的第一要務[2］。為了輸出高亮度的中子束，美國、日本、歐洲多國、中國都建立了大型散裂中子源。但是，散裂中子源的產額仍然遠遠低于同步輻射。因此，提升中子譜儀對中子的利用率，尤其是小型中子源，成為中子散射技術發(fā)展的熱點。在中子譜儀中，高性能中子薄膜器件及其構成的光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)中子束的輸運、聚焦、準直、極化和極化翻轉等性能的調制[3-7］，簡化譜儀結構、提升中子傳輸效率，是實現(xiàn)譜儀功能實現(xiàn)和性能提升的關鍵，因此得到了廣泛關注。

自旋回波小角中子散射（SESANS）技術由于具有探測尺度范圍寬、束流強度大、多重散射影響小等特點，得到世界上主流中子科學中心譜儀技術研究的高度關注，而國內目前尚沒有中子自旋回波技術和裝置[8-9］。對于小型加速器中子源，中子注量率過低更是限制其在中子散射實驗中應用的最大難題。采用基于超鏡的中子聚焦系統(tǒng)可以有效提升樣品處的中子束流強度，使其可以為部分中子小角散射等實驗提供更為便捷的中子源，從而減輕大型中子源的實驗壓力，支撐更多相關科學研究的開展。我國盡管已經建立起東莞散裂中子源（CSNS）、綿陽和北京兩個大型反應堆中子源，但是受限于中子超鏡制作技術水平，目前所有源上所建譜儀的導管全部依賴進口，面臨著價格昂貴、維修困難、難以升級等問題，而且隨時可能受到進口限制，對于我國中子散射技術及其相關基礎科學的發(fā)展極為不力，急需實現(xiàn)自主研發(fā)。

同濟大學精密光學工程技術研究所以高性能中子薄膜器件的關鍵制作技術為突破，解決了超多膜層數(shù)非周期Ni/Ti多層膜沉積技術，成功研制出m=3，Rc＞90%的Ni/Ti中子超鏡，提出了微米量級FeSi合金薄膜軟磁保性技術，研制出大尺寸非極化中子超鏡和中子極化自旋薄膜翻轉器件。本文首次嘗試將多層膜結構應用于中子自旋翻轉器。從參數(shù)設計、樣品制備等方面對其磁性、均勻性等進行優(yōu)化，制備了滿足條件的磁性多層膜。并利用中子飛行時間反射譜儀搭建了自旋翻轉效率的測試樣機，獲得了中子自旋翻轉實驗測試結果。在此基礎上，面對大型和小型加速器中子源的譜儀需求，研制出基于超鏡的中子直導管、多層嵌套式聚焦系統(tǒng)、多通道中子KB聚焦系統(tǒng)等中子光學儀器，并成功應用在中國散裂中子源多物理譜儀、粉末衍射譜儀和清華大學微型脈沖強子源（CPHS）小角散射譜儀上。

本文主要綜述了同濟大學精密光學工程技術研究所中子光學薄膜器件與光學系統(tǒng)的研究進展。首先對中子薄膜器件進行討論，其中包括非極化中子超鏡和極化中子自旋翻轉器的研制。然后，介紹了中子光學系統(tǒng)的研究進展，其中包括基于超鏡的中子直導管、多層嵌套式聚焦系統(tǒng)和多通道中子KB聚焦系統(tǒng)。最后，對中子薄膜器件和光學系統(tǒng)研制技術面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展進行了展望。

2 中子薄膜器件

2.1 中子超鏡

中子具有波粒二相性，當?shù)湍苤凶尤肷涞絻煞N材料的界面時，由于材料折射率的不同，部分中子在界面處被反射。與X射線一樣，這種低能反射效應同樣遵循Fresnel反射定律。被多個界面反射的中子束相干疊加，構成了多層膜對中子的反射效應?？梢圆捎霉鈱W薄膜理論來表征多層膜結構對中子的反射和透射效應，應用最為廣泛的中子多層膜光學元件就是超鏡。具有非周期結構的中子超鏡最早由Mezei提出[10-11］，主要用于提升中子極化器的效率，后來被廣泛用于中子導管、聚焦裝置和極化器等中子光學系統(tǒng)。中子超鏡由中子散射長度密度差異較大的兩種材料交替堆疊而成，每一個雙膜層為一個周期，而每一個周期的厚度均不同，可以將入射中子的有效反射臨界角提高為Ni薄膜全反射臨界角的m倍。從理論上，與Ni單層膜相比，基于超鏡的中子導管的傳輸效率可以達到m2倍，從而極大提升中子的傳輸效率。中子超鏡具有大的通光效率，廣泛應用于中子導管、彎管、準直器、極化器和聚焦系統(tǒng)等譜儀部件中[12-16］。

相比于X射線，薄膜材料對中子的吸收低1～2個數(shù)量級，光學常數(shù)的差異也小1個數(shù)量級，因此中子超鏡往往需要超多的膜層數(shù)。m值越大，其反射率對膜層界面粗糙度越敏感，制備難度越大[17］。最早的中子超鏡是采用電子束蒸發(fā)的方法實現(xiàn)制作的[18-19］，但是該方法于20世紀80年代被磁控濺射技術所取代[20］。為了提升Ni/Ti超鏡的反射率，人們在Ni膜中摻雜C元素來抑制Ni膜的晶粒增長，有效提升了m≤2超鏡的反射率[13，21-22］，但是以上方法都沒能對m≥2的超鏡制作起決定性作用，中子超鏡的應用被主要限制在導管，尤其是直導管的應用上。為了制作具有更大m值和更高反射率的中子超鏡，國際上逐漸形成了兩類主要技術手段：基于反應濺射的磁控濺射方法和離子束輔助拋光的離子束濺射方法。前 者 最 早 由Boni提 出[23］，并 被 歐 洲 的Mirrotron公司和Swiss Neutronics公司采用，形成了目前世界上中子超鏡及其相關產品的最大銷售地。商業(yè)銷售中的中子超鏡m值可以達到8左右，最常用的m=3超鏡，臨界反射率基本上在90%以上。后者主要是日本京都大學和J-PARC中子源合作開展的超鏡制作技術，并應用于NiC/Ti超鏡的制作，成為J-PARC中子源譜儀用導管和聚焦光學系統(tǒng)的主要鍍膜工藝[24-26］。日本京都大學利用離子束濺射法并結合離子束拋光的方式，同時還結合共濺射的思路，制備了高質量、m=7的NiC/Ti非極化中子超鏡[27-28］。從中子超鏡制作水平上看，后者較優(yōu)，但是由于前者鍍膜效率高、可以制作大尺寸元件，更適合于工業(yè)應用。

大m值、高反射率中子超鏡的研制需要解決的關鍵問題是薄膜間界面擴散的改善以及薄膜內應力的降低。為了改善磁控濺射制備的Ni/Ti多層膜的界面，研究人員采用了改進的反應磁控濺射沉積方法。Ju等在鈦層沉積過程中使用氫氣和氬氣混合濺射氣體進行薄膜的制備[29］。Elsenhans等在鎳層沉積過程中使用氮氣和氬氣混合濺射氣體進行薄膜的制備[30］。研究表明，與純氬氣的濺射氛圍下制備的薄膜相比，在鎳層濺射過程中摻入氮氣能夠使Ni/Ti的界面變得更加平滑，減小界面寬度，從而提高Ni/Ti超鏡中的中子反射率。Abharana等的研究證明在氬氣與氮氣的混合環(huán)境下沉積的樣品在一定程度上破壞了Ni的晶體結構，減小了微晶尺寸，阻止Ti向Ni層中擴散，從而減少了Ti-on-Ni的界面擴散[31］。然而，相對于國外的大m值高反射率的超鏡研制工藝，國內的研制水平仍存在一定差距，尚未有高反射率，m＞3的超鏡研制成功的相關報導，因此，我們致力于自主研制出高反射率m＞3的中子超鏡。

基于以上研究背景，同濟大學光學精密光學工程技術研究所構建了基于基板直線運動的磁控濺射鍍膜設備（見圖1），提出了Ar+N2的反應濺射鍍膜工藝，優(yōu)化了N2在濺射氣體中的含量，Ni/Ti多層膜制備的本底真空優(yōu)于9.9×10-5Pa，薄膜沉積過程中基板平行于濺射靶進行直線式運動，沉積薄膜的厚度調控通過程序控制基板的運行速率實現(xiàn)，薄膜厚度均勻性調控通過設計優(yōu)化濺射靶前掩模版實現(xiàn)。通過優(yōu)化反應濺射氣體比例，我們成功抑制了Ni/Ti薄膜界面處的擴散，減小了界面寬度，并降低了薄膜的內應力。

我們采用HM算法對薄膜結構進行優(yōu)化設計，最終確定m=3的Ni/Ti中子超鏡結構為401層的非周期多層膜。超鏡最終沉積在3種不同類型的基板上，分別是用于微觀結構表征的單拋硅基底、用于應力測試的直徑為30 mm的圓形石英基板和用于中子反射率測量的高硼玻璃基板。HRTEM測試結果（圖2）顯示，薄膜的界面清晰，擴散得到了明顯的抑制。通過檢測石英基板鍍制超鏡前后的面形Power值，計算可得m=3的超鏡內應力為47.16 MPa。

最后，我們成功研制出500 mm×100 mm尺寸的Ni/Ti中子超鏡。超鏡的反射率在中國工程物理研究院核物理與化學研究所的反射中子譜儀上實現(xiàn)測試，測試結果表明，超鏡m=3.1，臨界反射率接近90%（圖3）。

2.2 中子薄膜極化自旋翻轉器

中子具有磁矩，且只有1/2自旋，在磁場中可以被極化為兩種自旋態(tài)。利用附加磁場，基于中子的拉莫爾旋進效應，可以改變中子的自旋方向，構成極化中子光學系統(tǒng)中重要的輔助光學元件——自旋翻轉器。中子自旋翻轉器作為中子極化系統(tǒng)中一個重要的中子光學組件，其翻轉效率直接影響中子散射實驗的精確度。對于翻轉效率不高的中子自旋翻轉器，后期的實驗誤差修正也相當?shù)穆闊?。隨著極化中子散射譜儀的研究逐漸增多，中子翻轉器的應用越來越廣泛[33］。Dabbs提出了一種基于絕熱的翻轉器模型。電流通過非磁性薄膜，在薄膜兩側產生方向相反的磁場。如果絕熱系數(shù)K＜0.05，翻轉效率接近100%。但是這種翻轉器的主要缺點是，將中子散射材料放在中子束中，如果電流很高，則存在散熱問題[33］。Drabkin曾提出一種共振式與突變式相結合的翻轉器。該裝置中，中子束路徑中沒有材料，但是徑向磁場的離軸會導致較低的翻轉效率。另外，Drabkin翻轉器對于寬光束來說效果不佳[34］。

中子薄膜翻轉器由適當厚度的軟磁性薄膜組成，并由進動裝置本身的磁場磁化，，如圖4所示。將薄膜調整為幾乎垂直于進動場，軟磁性薄膜中的退磁磁場會迫使局部磁化方向與其表面平行[35-37］。極化中子在穿過鐵磁性材料薄膜的過程中，其極化矢量會發(fā)生偏轉[38-39］，偏轉角度為：

其中：c為常量，c=4.632×1014T-1m-2；λ為入射中子波長；B為有效磁感應強度；d2為磁性材料薄膜厚度；α為入射中子束與薄膜表面的夾角。只要調節(jié)磁化薄膜的厚度和傾斜角，中子的極化矢量就可以繞面內飽和磁場旋轉π。這種中子薄膜翻轉器的最大優(yōu)點在于：薄膜相對于進動區(qū)域的界面的光軸具有銳利且輪廓分明的傾斜角度，有利于提高中子散射角分辨率，增大了自旋回波相關長度的測量范圍，可以對材料中更大微觀尺度的結構進行測量。

中子薄膜極化自旋翻轉器需要軟磁性薄膜在盡可能小的激發(fā)磁場下獲得盡可能高的磁感應強度，從而減小激發(fā)磁場B在垂直中子運動方向上的分量，提升中子極化矢量翻轉的控制精度。為了獲得π的偏轉，即便是飽和磁感應強度超過1 T的軟磁薄膜，其厚度也需要達到微米量級，這對于軟磁性薄膜的制備提出了嚴重挑戰(zhàn)。目前，只有van Oossanen等使用坡莫合金（Fe0.2Ni0.8）制作了此類中子極化翻轉器，實現(xiàn)了約為95%的極化中子翻轉效率，并將其它用于Delft的自旋回波小角中子散射儀（SESANS）上[40］。其中，坡莫合金薄膜的厚度為3μm，電化學沉積在0.4 mm厚的硅晶片上。根據(jù)三維中子去極化測量確定矯頑力小于10 A/m，飽和磁化強度約為1 T。

軟磁薄膜翻轉器常用于單色光，但是一些課題組仍然致力于將軟磁薄膜拓展應用于更寬波段的中子。Pynn課題組嘗試將不同磁軸的永磁薄膜堆疊起來，通過巧妙的設計可在相對較寬波段實現(xiàn)自旋翻轉π或π/2[41］。Rekveldt課題組嘗試在磁性薄膜中增加一層可移動的電流壁，該電流壁可在箔的兩面產生相反的磁化而產生平行于箔平面的疇壁，改變這兩個區(qū)域的大小可實現(xiàn)對不同波長的中子的自旋翻轉[42］。

我們通過深入研究FeSi軟磁性薄膜生長過程中微結構的演變規(guī)律，在前人研究的基礎上[39］，發(fā)現(xiàn)Cr薄膜可以 有效阻斷FeSi薄膜在 生長過程中的微結構變化，提出了[100 nm FeSi/10 nm Cr］的多層膜結構，實現(xiàn)了總厚度約為2 μm的FeSi軟磁性薄膜的制作，并進行了磁回滯曲線和極化中子反射測量。測量結果表明：多層膜結構的軟磁性薄膜在50Oe條件下，可以獲得超過1.3 T的飽和磁感應強度（圖5）[43］。在中國工程物理研究院核物理與化學研究所的中子反射譜儀上完成了多層膜對極化中子的翻轉效率測試，測量結果表明，此類器件的中子極化翻轉效率接近98%[44］（圖6）。

3 中子光學系統(tǒng)

3.1 中子導管

傳統(tǒng)意義上的中子導管是用于將冷中子和熱中子從反應堆或散裂源輸運到距離源最遠至200 m的實驗地點的中子光學部件[45-46］，一般為橫截面呈矩形的直管或彎管。中子導管通常由多個重復的矩形單元連接構成，每個矩形導管單元由表面鍍有Ni58或超鏡的硼硅酸鹽玻璃基板通過環(huán)氧樹脂膠粘合而成[47］，連接的導管從源反應堆一直延申至導向大廳。導管利用其四壁內表面的薄膜涂層對中子進行反射，從而實現(xiàn)中子的遠距離傳輸。早期的中子導管內表面涂層主要采用Ni或Ni58的單層膜。從20世紀80年代開始，中子超鏡制作工藝的不斷進步。1979年，日本京都大學的Ebisawa使用蒸發(fā)的方式制備了Ni/Mn和Ni/Ti非極化中子超鏡[18］，隨后，Ni或Ni58單層膜逐漸被可以將中子全反射臨界角提升至m倍的Ni/Ti或NiC/Ti超鏡[11］替代，成為中子導管道的主要內涂層。1992年，日本京都大學的Akiyoshi研制了鍍有超鏡的中子導管[48］，并成功將它應用在京都大學的KUR反應堆中，使得中子通量相比于鎳單層涂覆層的中子導管提高了25倍。2004年，日本的JRR-3反應堆中子源將原有鎳單層膜導管替換為鍍有m=2的中子超鏡導管[49］，將 臨 界 反 射 波 長 從0.2 nm拓 展 到0.13 nm，中子束流強度提高到了原來的4.32倍。2022年，應用于PERC的保留中子束極化性的新型涂覆有m=2的Cu/Ti超鏡的中子導管被提出[50］。涂覆有超鏡的中子導管的優(yōu)勢為在沒有對中子源和譜儀做任何升級改造的同時，僅僅通過更換導管就可以拓展中子截止波長提高中子輸出強度[21，51-52］。

為了充分利用中子源產生的中子，具有聚焦功能的“彈道導管”得到了快速發(fā)展。聚焦導管將傳統(tǒng)直導管的反射面面形改為雙曲面、橢圓面、拋物面等非球面[53-55］，一方面避免了中子，特別是長波中子在導管中的多次反射，極大提升了導管的傳輸效率；另一方面非球面的反射可以實現(xiàn)二維的中子束會聚，從而提升樣品處中子束斑的強度。這種基于“點到點”成像的聚焦導管在基于飛行時間法的中子譜儀[54］和基于衍射幾何的中子譜儀[56-57］上都得到了應用，對于中子散射實驗技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用。從理論上看，聚焦導管越長，反射面的最大反射角越大，聚焦的效率越高，如英國ISIS中子源的橢圓導管，長度就達90 m。但是，無論是慢化器、散裂靶這樣的現(xiàn)實中子源，還是直導管出口這樣的等效中子源，都是具有一定發(fā)散度的拓展光源，導致長聚焦導管內部存在多次反射現(xiàn)象[58］，從而造成中子焦斑尺寸很難小于1 cm。

作為中子譜儀的核心部件，導管的研制和生產基本被歐洲的Mirrotron公司和Swiss Neutronics公司壟斷，日本和韓國的中子源基本實現(xiàn)了導管的自主研發(fā)，我國尚沒有可以提供中子導管的單位。同濟大學精密光學工程技術研究所在中子超鏡制作技術取得突破的基礎上，面向我國中子譜儀自主研發(fā)對導管的需求，開展了中子超鏡精密拼接、導管壁高精度集成與裝調等關鍵技術的研究，研制出了m=3的Ni/Ti超鏡導管并在中國散裂中子源多物理譜儀上得到應用（圖7），導管的主要性能指標如表1所示。

表1 自主研制的中子導管的主要技術指標Tab.1 Main technical indicators of self-developed neutron guide

3.2 基于超鏡的多層嵌套式中子聚焦系統(tǒng)

中子源所產生的中子束在空間內的分布是隨機的，對于小型加速器的中子源而言，中子注量率過低是發(fā)展中子散射技術面臨的一大挑戰(zhàn)。面向清華大學微型脈沖強子源（CPHS）中的中子小角散射束線，通常利用小孔準直的方法，其通過兩個分別放置在非常長的中子通道兩頭的狹縫來限制中子束的發(fā)散角，但這樣會使得到達樣品表面的中子束流強度非常低，實驗中產生的中子散射信號微乎其微。因此，在中子飛行通道中引入中子聚焦系統(tǒng)是提升中子束流強度的可行方法之一。

為了避免長聚焦導管的理論缺陷和應用限制，人們發(fā)展了與直導管相配合的短聚焦導管和基于多層嵌套的緊湊型聚焦器件，從理論上避免了導管內的多層反射，可以減小樣品處中子束斑尺寸[59］。

目前，國際上使用的中子聚焦系統(tǒng)主要包括反射型、折射型和衍射型等。中子折射型聚焦系統(tǒng)通過利用中子凹透鏡聚焦中子束，已廣泛應用在美國NIST，日本J-PARC，瑞士PSI和德國HZB等反應堆中子源中[60-61］。中子衍射型聚焦系統(tǒng)最早由Kearney提出，他利用菲涅爾波帶片對2 nm波長的超冷中子束進行聚焦[62］，隨著技術的發(fā)展，衍射型聚焦系統(tǒng)逐漸應用到0.5 nm波長的中子束聚焦中[63］。然而，折射型聚焦和衍射型聚焦均會在系統(tǒng)中引入較大的色差，同時，在折射型聚焦系統(tǒng)中，當中子束的波長發(fā)生改變時，凹透鏡焦距的改變量隨著中子波長的改變量成平方增長，因此折射型和衍射型中子聚焦系統(tǒng)均不適用于CPHS小型加速器中子源。

反射型中子聚焦系統(tǒng)應用鏡面反射的原理，不會引入色差。德國的JCNS中子源便將這種方式應用到其小角散射裝置中[64］，但是該系統(tǒng)的有效收集面積較低。Wolter系統(tǒng)由于消相差機制，用于中子束的聚焦[65］。美國MIT和NASA共同研制了一臺基于Wolter型的多層嵌套聚焦鏡[66-67］。橢球面聚焦系統(tǒng)也被應用至中子束聚焦，多個共焦的橢球面嵌套可以進一步提高中子束流強度[68］。Yamamura提出通過局部濕刻蝕法在玻璃基底上制備橢球面聚焦鏡[7，69］，實現(xiàn)了中子束亞毫米尺度的聚焦。2016年，Takeda提出使用鎳磷（Ni-P）合金電鍍基底結合金剛石切割和精細拋光的方式制備橢球面基底，在基底表面鍍制中子超鏡，使中子束強度增加了3.3倍[70-71］。2019年，Tukuya等討論了 應用于J-PARC的SOFIA反射計中的橢圓中子聚焦超鏡的優(yōu)化設計，該聚焦超鏡的基板經Ni-P合金電鍍、通過金剛石切割和拋光后，通過引入帶有搖擺機構的濺射鍍膜機實現(xiàn)角度范圍±10°的曲面基底鍍膜，鍍制了m=2.9超鏡的聚焦鏡，最后將兩個聚焦鏡組裝而成，得到聚焦中子光斑分布的半高寬為0.13 mm[72］。

綜上所述，短聚焦導管受限于最大反射角度和長度，可以利用的中子束尺寸較小，焦斑處的中子強度增益很難達到10倍以上。多層嵌套式聚焦器件雖然尺寸小、結構緊湊，可以同時實現(xiàn)亞毫米尺寸的小束斑和一個數(shù)量級以上的中子增益[7，73-74］，但是由于具有高面形精度的超薄反射鏡片的加工、鍍膜（內表面）和集成裝調的困難，這種方法局限于一維聚焦，不能用于小尺寸樣品的中子散射實驗。Hayashida等[68］利用三個金屬鎳的錐筒組裝成嵌套式的中子聚焦系統(tǒng)，實驗獲得了直徑約為0.25 mm的中子焦斑。這種方法雖然實現(xiàn)了高空間分辨率的兩維聚焦，但是，由于沒能解決內表面鍍制超鏡的問題，此類系統(tǒng)的理論物方視場角小，集光面積提升有限，從而導致焦斑處中子增益最大為7.6，也不適用于熱中子的聚焦。

同濟大學精密光學工程技術研究所與清華大學合作，將高能X射線天文望遠鏡的制作技術與中子超鏡的制作技術相結合，解決了橢圓面超薄聚焦鏡片內表面鍍制中子超鏡的問題，研制出基于超鏡的多層嵌套式近橢圓面中子聚焦系統(tǒng)（見圖8），實現(xiàn)了大集光面積的二維中子聚焦，焦斑處的中子增益可以達26倍[75］。利用該裝置，依托清華大學小型加速器中子源，實現(xiàn)了中子小角散射實驗。然而，這種方法的焦斑尺寸依然受限于物方孔徑，無法突破到亞毫米量級。

3.3 多通道Montel聚焦系統(tǒng)

基于單次反射的多層嵌套式中子聚焦方法，理論上不具備對軸外光的像差校正能力，面向具有一定尺寸（幾厘米甚至十幾厘米量級）和發(fā)散度的實際中子光源，只有在光源處引入小尺寸光闌或者在聚焦器件前面引入準直系統(tǒng)，才有可能在樣品處形成小尺寸中子束斑，從而降低背景散射。但是這種聚焦與遮擋相結合的方法，降低了樣品處中子束斑的強度，不利于提升小尺寸樣品中子散射實驗的效率[76］?；趦纱畏瓷涞木劢瓜到y(tǒng)，從理論上是將部分光源亮度縮小成像到樣品表面的光學系統(tǒng)，具有一定的軸外像差消除能力，可以實現(xiàn)高亮度的小焦斑。盡管兩次反射能夠降低中子的通量，但是隨著超光滑特殊曲面加工技術和中子超鏡制作技術的發(fā)展，反射鏡的面形精度和反射率不斷提升，為研制具有高空間分辨率和大集光面積的中子成像系統(tǒng)提供了技術支撐，也使得這種二維縮小成像系統(tǒng)，成為解決小尺寸樣品中子散射實驗難題的最有潛力手段，KB系統(tǒng)就是典型的代表。

KB系統(tǒng)最早起源于X射線顯微成像，最早應用于美國橡樹嶺國家實驗室的中子微聚焦實驗中[12］。研究結果表明：對于1 mm左右的中子源，KB系統(tǒng)可以形成小于0.1 mm的中子微焦斑，并且在焦斑處幾乎可以復制中子源的亮度，而且波長越小的中子，聚焦效果越顯著。由于空間分辨率極高，KB系統(tǒng)理論上可以極大抑制小尺寸樣品中子散射實驗的背景噪聲。但是，由于KB系統(tǒng)過小的集光面積，實際中子源的利用率很低。Montel型KB系統(tǒng)可以將集光效率提高2.6倍[77］，依 然 無 法 滿 足 小 尺 寸 樣 品（尺 寸 為1 mm）中子散射實驗對樣品處中子強度的需求。

同濟大學精密光學工程技術研究所面向CSNS粉末衍射譜儀的改造需求，提出了“異物共像”式多通道中子Montel集成聚焦系統(tǒng)（圖9），突破了Montel聚焦器件的精密集成和多通道耦合聯(lián)調技術，解決了多通道聚焦系統(tǒng)的在線加載調試問題，成功獲得了最高空間分辨率為0.5 mm，焦斑處峰值中子增益為10倍的中子聚焦結果（圖10），為開展高通量、高空間分辨率中子聚焦系統(tǒng)提供了新的思路。

4 結 論

本文闡述了中子超鏡和薄膜式極化自旋翻轉器件的原理，介紹了中子導管和聚焦系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結了同濟大學精密光學工程技術研究所在中子薄膜器件與光學系統(tǒng)方面取得的成果。從研究成果方面看，目前的中子超鏡制作技術方面距離國際最好水平尚有差距，需要深入開展多層膜界面微結構控制技術，進一步提升中子超鏡反射率，拓展m值，從而為中子聚焦系統(tǒng)和導管研制提供更為有效的元件。在聚焦系統(tǒng)研制方面，一定程度解決了中子強度增益的問題，但是深入探索中子光學系統(tǒng)中重要的散射信號去除方法，提升中子散射實驗的信噪比的研究尚未開展。

綜上所述，我們在中子光學領域的研究還需進一步深入，在光學元件方面從非極化超鏡向極化超鏡發(fā)展，在光學系統(tǒng)方面從提高中子注量向提升散射實驗信噪比發(fā)展，解決我國中子譜儀自主創(chuàng)新所需高性能薄膜器件與系統(tǒng)的問題。