中子薄膜器件与光学系统的研究进展

中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一,中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制,是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件,可以提升中子传输效率,简化中子光学仪器结构,是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所,面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求,聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新,解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题;以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制,成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统,成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置,支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。     

使用山嵛酸银标定中子小角散射谱仪的关键参数

为了快速标定中子小角散射谱仪的关键参数:速度选择器的选择波长和波长分辨率以及谱仪布局下的Q分辨率,采用实验方法对山嵛酸银粉末的中子小角散射实验数据进行了拟合.首先,确定谱仪布局,包括准直光阑孔径大小、准直长度、样品到探测器之间的距离;其次,在中子小角散射谱仪的机械速度选择器设置在3 000、4 000、5 000和6 000r·min-1 4种不同转速下,测定山嵛酸银粉末的中子小角散射谱;最后,对实验数据进行反演分析.通过分析,计算出该机械速度选择器常数为2 329.2 r· m-1·nm,从而得到了4种不同转速所对应的选择波长分别为0.776、0.582、0.466、0.388 nm;通过对实验数据的拟合还得到了该速度选择器的波长分辨率(23.75％),以及在此谱仪布局下的Q分辨率曲线.结果表明,使用山嵛酸银粉末的中子小角散射能够较好地标定谱仪的关键参数,从而支持对中子小角散射数据的正确分析和反演.     

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。     

斩盘产生的中子脉冲特性

为更好地设计转盘式中子斩波器,建立了单斩盘和异向旋转双斩盘的结构模型.采用国际上常用的Mcstas模拟计算软件,分别对单斩盘和异向双斩盘产生的中子束流脉冲的形成特性进行了模拟计算,获得了相关物理参数对斩盘产生中子束流脉冲的影响曲线,讨论了单斩盘与双斩盘脉冲形成的束流特性的差别与优缺点.分别对单斩盘和异向旋转双斩盘模型产生的中子束流脉冲可能产生的误差进行了理论分析,讨论了各客观物理因素对误差的影响.结果表明,考虑实际应用条件,在特定物理参数下,异向旋转双斩盘的第二斩盘窗口宽度应在不超过34 mm的范围内综合选择.计算结果可用于中子斩波器的理论设计及其相关物理参数的选择.     

基于球壳聚焦阵列的超声成像检测技术研究

为提高超声成像对比度和分辨力,研究了一种利用球壳聚焦阵列进行目标散射成像的方法。球壳聚焦阵列中的部分阵元发射聚焦声波,声波作用于目标后发生散射,回波被余下的阵元所接收,阵列中的发射阵元和接收阵元随机选择,以达到抑制旁瓣的作用。借助三维自动扫描机构,可获得聚焦波束沿被测物体表面的散射回波强度,从而实现对目标的成像。计算机仿真结果表明,球壳聚焦阵列可减小主瓣宽度,并有效降低聚焦波束旁瓣。水池实验结果表明,基于该阵列的散射成像方法具有亚毫米级的成像分辨力,能够获得较高对比度的图像。     

应用于中子照相的热中子敏感微通道板

介绍了中子成像探测技术的应用。由于直接在微通道板(MCP)玻璃中掺加中子灵敏核素可使MCP对热中子敏感,从而可将MCP事件计数成像探测器的优势成功地应用于以中子为探针的成像探测技术,本文开展了热中子敏感微通道板的研究。通过在MCP玻璃中掺摩尔百分比为3%的Gd2O3,并沿用MCP的制作方法,完成了直径为50mm和106mm的大面阵热中子敏感MCP的制作,并进行了基于这种大面阵热中子敏感MCP的中子事件计数成像探测器的中子成像实验。理论和实验结果都验证了掺摩尔百分比为3%的Gd2O3 MCP可取得对热、冷中子30%~50%的探测效率。最后,进一步介绍了目前开展的封装式中子敏感MCP增强管的研制工作。基于掺Gd2O3的MCP增强管并经光学耦合到CCD或CMOS相机的紧凑混合传感器结构是实现高时空分辨能力的中子照相无损检测技术的有效途径。     

一种起飞角连续可变的中子单色器屏蔽装置

从反应堆辐射防护和中子散射谱仪应用角度出发,利用电磁铁定位技术和计算机自动化控制技术,设计加工了一种起飞角连续可变的中子单色器屏蔽装置。该装置通过特定的转动流程,实现了起飞角在40°～110°范围内连续可变,同时满足了单色器周围的辐射屏蔽要求,降低了实验本底和对人体的辐射伤害。     

超镜因子对会聚导管输运特性的影响模拟

针对水平散射几何中子反射谱仪中导管设计的客观要求,采用Mcstas模拟计算软件对会聚导管内表面超镜因子的不同选择模型进行了模拟计算,获得了不同超镜因子组合模型聚焦导管的中子传输特性。由于水平散射几何中子反射谱仪对中子束流水平方向发散要求比较严格,导管水平面的超镜因子可选用较大的超镜因子m=3,垂直面的超镜因子可根据要求的发散不同,选择超镜因子小于3的超镜或吸收材料。不同组合设计模型模拟计算结果可为中子散射谱仪设计中子导管以及内表面超镜因子的选择提供理论参考。     

中子衍射应力谱仪垂直聚焦单色器的优化设计

为提高应力谱仪样品处的中子注量率,对垂直聚焦单色器进行了优化设计.应用蒙特卡罗模拟程序MCSTAS对中子衍射应力谱仪的垂直聚焦Ge(511)单色器进行优化计算,得到了垂直聚焦单色器的高度与单晶片之间的倾角等参数的最佳值.然后,对比分析了在垂直聚焦单色器与平板单色器两种情况下样品处的中子注量率.最后,讨论了单色器起飞角对谱仪分辨率的影响.计算结果表明:单色器尺寸为50 mm×150 mm;垂直单色器在样品台中心位置的中子注入量是平板单色器的4.99倍,表明利用垂直单色器可以显著提高应力谱仪样品处的中子注量率.     

中子反射谱仪的闸门与会聚导管组合设计

为提高水平散射几何中子反射谱仪的前端束流特性，针对前端闸门与会聚中子导管的组合设计进行了优化计算。根据闸门通道截面、会聚导管入出口截面及相应内表面超镜因子不同分成多组，采用数值方法对多个组合设计进行优化计算，结合水平散射几何中子反射谱仪的特点需求通过比较分析，选取比较理想的组合。计算结果表明：会聚导管的最佳组合最好采用上下面会聚，垂直面不会聚，宽度为10mm,闸门内表面超镜因子为2，会聚导管上下面超镜因子为3，左右面超镜因子为2。通过多组比较分析，获得了水平散射几何中子反射谱仪的前端闸门与会聚导管的相关物理参数的优化组合，为谱仪的概念设计奠定了理论基础。     

中子斩盘斩束效果的模拟计算

转盘式中子斩波器广泛地应用于飞行时间模式中子散射谱仪上,斩盘斩出的脉冲柬流特性直接影响着谱仪性能。为更好地进行转盘式中子斩波器的设计,采用Mcstas程序软件,分别对单盘和双盘的中子斩波特性进行了模拟计算。获得了相关物理参数对脉冲注量率和发散度的影响关系曲线。通过理论计算可以了解相关物理参数对斩波特性的影响,计算结果可为斩波器的理论设计以及相关物理参数的优化选择提供理论参考。     

斩盘产生的中子脉冲特性模拟

为更好地进行转盘式中子斩波器的设计，分别对单盘和异向双盘的中子脉冲的形成特性进行了模拟计算。采用国际上常用的Mcstas模拟计算软件，建立单盘和双斩盘的结构模型，分别针对相应物理参数进行模拟。获得了相关物理参数对斩盘产生脉冲的影响曲线，讨论了单斩盘与双斩盘脉冲形成的束流特性的差别与优缺点。结合实际应用，针对异向旋转双盘，在特定物理参数下，第二斩盘窗口宽度的选择应在不超过34mm的范围内综合选择。计算结果可为斩波器的理论设计以及相关物理参数的选择提供理论支撑。     

SANS准直器的蒙特卡罗模拟

本文采用基于蒙特卡罗方法的谱仪设计软件VITESS,对中子小角散射谱仪上三种不同形状的准直器进行了模拟。比较了这三种不同准直器在输入条件相同的情况下,它们出口处的中子注量率、水平面和竖直面的中子角分布。通过分析,采用具有超镜因子m=1．5的bender类型的准直器可以获得较高的中子注量率,但是其水平面角分布相对其它两种稍微偏大。这为中子小角散射谱仪设计中准直器的选择提供了一个参考。     

基于FPGA和ARM的中子能谱测量系统设计

针对多球中子谱仪不便于携带、测量时间长、操作过程复杂等问题,设计了基于FPGA和ARM的单球中子谱仪。将⁶Li玻璃闪烁体和硅光电倍增管(SiPM)耦合制成热中子探测器,采用互阻放大电路对信号进行转换,经过放大、整形、采集和处理,得到各探测器计数值,用于计算中子能谱。实验结果表明：探测单元设计合理,能够有效实现中子信号向电压信号的转换,输出信号脉冲幅度为-2.80 V,脉冲宽度为325 ns;电子学系统软硬件稳定可靠,采集计数的漏计数率低于1%。     

一种RL算法联合小波变换的中子图像复原方法

提出了一种基于RL(Richrdson-Lucy)算法联合小波变换以解决中子数字图像复原过程中噪声问题的方法,即是将中子数字图像首先进行小波分解,高频子带通常对应于噪声,低频子带对应于图像信息.在高频子带进行软阈值去噪处理,在低频子带应用RL算法进行图像的盲复原,最后,利用小波反变换得到复原图像.实验研究结果表明,该方法不仅提高了抑制噪声的能力,可以获得比单一采用RL算法复原效果好的复原图像,而且可以提高图像复原的速度.     

中子衍射应力谱仪的垂直聚焦单色器的优化设计

本文应用蒙特卡罗模拟程序MCSTAS对中子衍射应力谱仪的垂直聚焦单色器利用单晶Ge（511）进行聚焦的情况进行了优化计算,得到垂直聚焦单色器的高度和单晶片间的倾角等参数的最佳值;同时对比分析了垂直聚焦单色器与平板单色器两种情况下样品处的中子注量率。最后讨论了单色器起飞角对谱仪分辨率产生的影响。     

冷中子孔道方管设计及强度分析

冷中子孔道方管采用铝合金材料焊接而成,其作用是从冷中子源引出中子.方管既要承受外压,还要做得尽可能薄,以增加中子通量.通过CATIA软件建立方管三维模型,使用Abaqus for Catia计算了方管的强度,计算时对方管采用壳单元.Abaqus for Catia使用CATIA软件建立的模型,在有限元计算时调用ABAQUS程序.为保证计算结果可靠,分别采用整体方管模型和单独计算平板两种方法进行对比计算.计算表明设计厚度为7mm时,能够满足强度要求.由于加工造成厚度减薄后,强度不求,根据工厂制造经验,对于此类结构,采用"Ⅱ"形零件焊接而成,结构更加合理.     

基于ARM9的牛奶成分快速检测仪的研究

将光散射测量技术应用到牛奶成分检测中.在前向小角光散射测量的基础上,通过增加大散射角探测元件提高测量下限,提出全方位多角度光散射测粒理论,并建立其数学模型;同时设计了以TCD132D 和ARM9为核心的硬件电路.利用该系统对牛奶进行测量实验.结果表明该测量方法可以对测量结果进行很好的物理解释,具有相对误差小、重复性好、速度快等优点.     

基于斜射式散射法的曲表面粗糙度原理及其系统研究

针对狭小空间曲表面粗糙度测量精度与效率不足的问题,对光源斜射入狭小空间曲表面形成的空间散射强度信号分布与曲表面粗糙度值之间的关系进行了研究,提出了一种基于斜射式散射法的光纤传感器粗糙度测量系统。首先通过实验构建了测量电压值与光入射角度、传感器与曲表面测量距离及曲表面曲率等参数之间的特性曲线,确定了该系统的测量范围;其次通过标定实验获得了粗糙度值和测量电压值的特性曲线,该特性曲线与理论分析结果相吻合,且呈单调性;最后利用该系统进行了狭小空间曲表面粗糙度的测量实验。研究结果表明,该方法具有一定的可行性,与触针法所获结果之间的误差小于5%,能够进行狭小空间曲表面粗糙度测量。     

过渡金属二硫化物拉曼散射在免疫检测中的应用

为了利用可见光激发下半导体拉曼散射信号实现生物检测,以窄带隙的MoS_2材料构建了拉曼免疫标记探针,用于实现对人IgG分子的高特异性识别。首先,运用液相剥离法分别获得了MoS_2和WS_2微米材料,以加热陈化处理分析了温度对532nm激发下样品拉曼散射信号强度的影响。之后借助3-巯基丙酸修饰向MoS_2材料表面引入羧基,进而获得了可用于免疫检测的拉曼探针。最后,以"抗体-待测物-抗体"的三层结构分析了基于MoS_2拉曼散射的免疫检测性能。实验发现适当温度下加热陈化处理可增强过渡金属二硫化物的拉曼散射强度(70℃下最优)。多组对照实验结果表明,免疫检测生物芯片的拉曼信号强度随人IgG浓度的升高而升高,最终趋于饱和,最低浓度的检测限达到1fM,实现了可见光激发下利用半导体拉曼散射信号对目标分子的高灵敏度、高特异性免疫检测。