用于中子小角散射的中子反射镜聚焦性能评价

中子因具有极强的穿透力被广泛应用于材料与生物试样微观结构检测,但由于中子束强度显著弱于X射线,通常采用聚焦的方式来实现对中子束的有效利用。针对前期基于高性能制造思想研发的金属材质部分回转椭球中子反射镜进行了聚焦和中子小角散射实验测试。结果表明,聚焦中子束的最大强度能够达到漫散射强度的103,实现了与前端针孔尺寸几乎相等的圆形焦斑。通过远离最佳焦平面的聚焦实验,获得了不同镜心到探测器距离的束流剖面,该束流剖面的半峰全宽与基于几何光学的理论计算值吻合良好,分析了直射中子束和反射中子束的波长分布,中子的反射率达到了60%,峰值强度超过了1 000个计数/像素(0.1 mm×0.1 mm)。以介孔二氧化硅(MCM-41)为标样,获得了中子小角散射的初步结果。结果表明,该中子反射镜具有良好的聚焦性能,能够应用于中子小角散射。     

重力场中子小角散射Q分辨函数计算方法

中子小角散射由于散射路径较长,中子飞行过程中重力的影响不能被忽略。通过vitess程序模拟证实了重力对Q的贡献,并通过解析计算,在单束准直长度L1=L2=12m、Q为0．1nm^-1时候,得到了重力场中子小角散射口分辨函数：QG达到实际散射矢量的0．95％,修正计算得到的Q0值比实际散射矢量增加约0．2％,Q分辨函数宽度为6．7％,表明计算后得到的Q0值更接近于真实矢量值。本文研究工作可以为中子小角散射实验人员提供数据处理过程的重力影响扣除计算方法和数值参考。     

中子应力谱仪准直器的模拟计算

为了能具体了解准直器系统对中子应力谱仪的性能参数如:样品处中子注量率、谱仪分辨率等主要指标的影响,对安装于中子应力谱仪上的准直器系统进行模拟和计算.通过设定和优化各个准直器参数.分析它们对谱仪性能指标的影响.模拟过程中,我们主要采用了McStas软件来进行建模及优化计算工作,通过对第一、第二准直器等主要部件的发散度参数α1、α2和长度的组合变化来发现它们对谱仪整体的影响,并且计算它们引起的分辨率改变,最终我们得到在α1:α2=30'下样品处水平方向中子注量率可以达到2.3×106n·cm-2·s-1,垂直方向可达3.5×106n·cm-2·s-1,并且当第一、第二准直器发散角α1:α2=10'时谱仪可以得到它的最好分辨率Fw=0.2,它所对应的应变误差值是应力谱仪测量的最小误差.     

Calibration of instrument and sample parameters for small angle X-ray scattering

A method for calibrating the parameters of a small angle X-ray scattering instrument using the diffraction ring of a standard sample is presented. A generalized geometric model for small angle X-ray scattering was constructed and detailed mathematical derivations presented to solve for the relevant instrument parameters, which were then used to convert two-dimensional small angle X-ray scattering data to standard curves. The method is valid regardless whether the detector photosensitive plane is perpendicular or tilted with respect to the beam. Small angle X-ray scattering was performed using standard calibration samples to validate the methodology.     

中阶梯光栅光谱仪波段范围校正装置

为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围,设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先,对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析,并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求,然后设计了校正装置,并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后,对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明:校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内,从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。     

小型CCD光谱仪波长定标精度控制与影响分析

在光谱仪硬件性能基础上,波长定标是进一步引入误差的关键环节。若在定标方程系数固化过程中引入误差水平等同于像素采样误差,则在实际应用中波长测量误差就是在像素采样和波长定标方程计算环节上叠加引入2次误差,将造成测量误差的成倍扩大。以自主研制的小型光谱仪为基础,旨在通过数据分析研究波长定标环节中的影响因素,进而给出避免扩大误差的有效方法。所用的光谱仪在100μm狭缝下半峰全宽(FHWM)约为5 nm,像素波长间隔约为0. 45 nm,硬件系统的波长误差理论上为半像素波长间隔0. 225 nm。重点分析了测量噪声和峰位判定算法对定标精度的影响,并提出采用多次测量均值降噪结合高斯拟合峰位判定法来提高定标精度。与传统的直接极值法相比(定标方程均采用5次多项式),定标方程拟合残差的2倍标准差约为0. 1 nm,传统直接极值峰位判定法下,定标方程拟合残差的2倍标准差为0. 37 nm。通过研究,波长定标过程中的3个误差控制关键环节分别是测量噪声控制、峰位判定算法及最小二乘平差。通过选择适当的算法参数值,将波长定标拟合残差的标准差控制在约1/10 pixel波长间隔水平,充分体现了高斯拟合峰位判定算法的多像素统计优势。     

改进的精密测角法标定面阵摄像机参数

改进了用于标定线阵摄像机的传统精密测角算法,标定用于面阵摄像机的参数。该算法利用两束平行光之间的夹角和投影在摄像机上图像点之间的对应关系,在给定一个预测摄像机主点的基础上计算它和实际主点之间的偏差以及摄像机焦距。分析了图像特征提取误差对于平行光夹角测量精度的影响,并给出一种基于平行光夹角误差最小的最优估计,从而进一步提高摄像机内部参数的标定精度。通过仿真实验分析了图像特征提取精度和平行光夹角测量精度对摄像机参数标定精度的影响。结果显示,当图像特征提取精度为0.1pixel,二维转台精度为0.5″时,主点标定精度可以达到0.56pixel,焦距标定精度可以达到0.06mm。利用精度为0.5″的二维转台对摄像机参数进行了实际标定,通过分析像点和标定结果所计算的平行光夹角和实际测量的平行光夹角的误差,可知本文算法的误差是经典精密测角法的68.6%,由此证明该算法对于面阵摄像机参数标定具有更好的结果。     

精密测角法的线阵CCD相机几何 参数实验室标定方法

建立了线阵CCD相机几何参数标定系统,对该标定方案所用的设备、实验条件、基于精密测角法的算法和精度进行研究。根据标定精度要求,确定了实验室主要测试设备和环境条件。利用高精度二维转台和CCD细分技术测得被标定系统的一系列视场角和对应像高。最后,利用建立的数学模型,应用最小二乘回归的方法,求得相机几何参数。误差分析结果表明:该方法对主距主点的标定精度可以达到μm级,相对畸变的标定精度可以优于1×10^-4。该方法可以满足线阵相机的高精度几何标定要求,具有较高的实际应用价值。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

Optimized design for time-of-flight total neutron scattering instrumentation using Monte Carlo simulations with application for the characterization of disordered macromolecules

Abstract

A time-of-flight neutron total scattering instrument for the China Spallation Neutron Source (CSNS) was designed. The instrument is designed for disordered macromolecular systems with characteristic lengths below 10?nm. The coupled hydrogen moderator of CSNS was selected to ensure the favorable statistics at the smallest scattering vector of 0.01?Å^?1. The optics and geometry of the instrument were optimized to cover a wide range of scattering vectors from 0.01 to 70?Å^?1. The performance of the instrument was examined using a series of Monte Carlo simulations, which demonstrate that the flux on the sample, the resolution, and the range of the scattering vectors are comparable to those of other advanced neutron total instruments. Finally, a virtual experiment was performed with silica powder. The resulting scattering pattern is consistent with both the numeric calculation and the estimated resolution of the instrument. The designed total scattering instrument at CSNS allows the simultaneous observation of both atomic and nanometer scale structures, having the potential to become a powerful tool for studying the structure of disordered materials in the fields of polymers, biology, and condensed matter physics.     

Calibration for the sensitivity of multi-beam angle sensor using cylindrical plano-convex lens

A highly sensitive and compact multi-beam angle sensor (MBAS), which utilizes the principle of operation of an autocollimator, was developed to detect the differential of the local slope components (angle difference) of a point on the mirror surface and using Fourier series, we can obtain the profile data from the angle difference. In order to investigate the application of the MBAS for high precision aspheric surface measurements, two types of calibration methods using plane mirror and cylindrical plano-convex lens has been proposed to measure the sensitivity of the MBAS. The calibration data analysis results using plane mirror agree well with the measurement results of the cylindrical plano-convex lens data. Comparison of the two methods confirms that the second method (using cylindrical plano-convex lens) is more adapted for measurement with ultra high level of uncertainty. Further, the second method is simple, corresponding to a direct calculate in the sensitive parameters aiming to minimize the cost.