中子衍射应力谱仪垂直聚焦单色器的优化设计

　　1　引　言

　　20世纪70年代以来,聚焦单色器技术在中子散射谱仪中得到了广泛的应用[1-3]。对于中子衍射应力谱仪而言,测量的标样体积很小,一般只有几个立方毫米,产生的衍射信号非常弱,因此要求样品处的入射中子束强度尽可能高。然而,为了测到样品中产生的应变,中子衍射应力谱仪同时要求很高的分辨率,一般情况下,应力谱仪的分辨率Δd/d为10-3量级。由于分辨率与衍射强度是一对矛盾,为了弥补提高分辨率所造成的强度损失,应尽量提高入射到样品上的中子注量率,因此国际上的中子衍射应力谱仪普遍采用聚焦单色器技术。比如法国劳厄-朗之万研究所新建设的中子衍射应力谱仪SALSA[4]采用了Si单晶聚焦单色器,澳大利亚布拉格研究所的中子应力谱仪KOWARI[5]将同时采用Si与Ge单晶聚焦单色器。但是直到目前为止,聚焦单色器仍属于非标产品,需要根据所用谱仪的特点专门设计。近几年,为了优化工程设计以节省工程实施所需的时间与资源,越来越多的专家与工程设计人员先行对各种仪器乃至具体部件的模型进行模拟计算[6-7]。本文用蒙特卡罗方法,对中子衍射应力谱仪模型中的垂直聚焦单色器进行了模拟与优化研究,并且与使用平板单色器的情况进行了比较,最后计算了对谱仪分辨率产生的影响。

　　模拟使用的程序是丹麦RISΦ国家实验室开发的国际各大中子散射实验室通用的中子散射谱仪模拟计算软件MCSTAS[8]。应用此软件,通过对中子源发出的每一个抽样中子在经过谱仪各部件(如导管、准直器、单色器、狭缝等)的输运过程进行追踪,实现对中子散射谱仪的模拟。它包含了常见部件的模拟子程序库,只要将各部件按需求进行几何排列,并且输入各部件的物理与几何参数,就构成了一台虚拟的谱仪,通过在感兴趣的位置放置虚拟探测器就可以探测到此处的中子分布等情况,这一特点使得模拟工作方便、快捷、经济并且可以实现谱仪设计方案的优化设计、实验条件的优化选择等。

　　2　计算模型

　　一台中子衍射应力测量谱仪主要包括单色器系统、准直器、样品台和探测器系统等部件。中子束从水平孔道引出经导管或第一准直器准直后入射到单色器上,单色器将满足布拉格条件的单色中子反射出来,经第二准直器入射到样品上,样品产生的衍射束经第三准直器准直后被探测器记录。装置示意图如图1。在本计算模型中使用垂直聚焦单色器,焦距可调;第二准直器位于单色器屏蔽大鼓内,样品台到单色器的距离为1.5~1.8 m可变,为减少测量时间,提高测量效率,探测器使用二维位置灵敏探测器,到样品台的距离为0.5~1.5 m之间可调,以适应不同强度和分辨的需要。模拟计算中假设水平孔道入口处中子注量率为,能谱服从Maxwell分布,中子温度为320 K,应力谱仪就以此处的热中子注量率为源参数进行模拟计算。