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纵向共振型中子自旋回波非弹性散射谱仪模拟研究

纵向共振型中子自旋回波非弹性散射谱仪模拟研究

引用

作者：王柏桦中国工程物理研究院

学位级别：硕士

中子自旋回波技术利用中子自旋作为“时钟”,将中子能量或相位信息编码成中子自旋在磁场中的拉莫尔进动,基于该技术的中子自旋回波非弹性散射谱仪能量分辨率可达neV量级。自旋回波谱仪的关键指标参数——自旋回波时间与很多材料动力学... 详细信息

中子自旋回波技术利用中子自旋作为“时钟”,将中子能量或相位信息编码成中子自旋在磁场中的拉莫尔进动,基于该技术的中子自旋回波非弹性散射谱仪能量分辨率可达neV量级。自旋回波谱仪的关键指标参数——自旋回波时间与很多材料动力学时间处于同一量级,可用来研究材料动力学特性。为了推动中子散射技术发展及满足材料研究需求,中国工程物理研究院基于中国绵阳研究堆正在研制中子自旋回波谱仪。本文以建设性能先进的谱仪为出发点,开展模拟优化工作。通过对中子散射谱仪的模拟计算,可为谱仪部件选型及性能提升提供理论和数据支持。本文选择国际上广泛使用的中子散射谱仪模拟程序McStas 2.4与vitess 3.4作为模拟计算工具,对中国绵阳研究堆中子自旋回波谱仪进行模拟计算。McStas 2.4用于包括中子分束导管、速度选择器、极化器及限束孔等中子光学部件在内的谱仪引束系统的模拟计算;vitess 3.4用于样品前第一臂与样品后第二臂的磁场系统的模拟计算,旨在评估主磁场不均匀性、主磁场强度及束流发散度对分析器处中子极化率的影响。为满足谱仪安装及屏蔽空间,以分束导管出口距反射谱仪1.0 m为边界条件,模拟研究中子分束导管的弯导管长度、曲率半径、通道个数及弯导管与直导管的超镜因子对样品处中子通量与能谱的影响。根据模拟计算结果,建议分束导管的弯导管长度为4.25 m,曲率半径为40.0 m,通道数为6,超镜因子为3.0;直导管超镜因子为2.5。在样品处中子束斑为30.0 mm×30.0 mm的条件下,样品处总中子通量约为1.29×109n·s-1。模拟计算速度选择器转子转轴倾角分别为-10°、0°及+10°时,选择波长分别为0.6 nm、0.8 nm及1.0 nm的中子束;解析计算转子转轴倾角分别为-10°、0°及+10°时,速度选择器波长选择范围。根据模拟计算结果,速度选择器波长分辨率约为7.7%-23.5%;根据解析计算结果,速度选择器波长选择范围约为0.6 nm～2.9 nm。模拟研究S-Bender极化器截面尺寸、曲率半径、长度及超镜因子对分束导管出口处中子极化率及样品处中子通量的影响。根据模拟计算结果,建议S-Bender极化器截面尺寸为35.0 mm×35.0 mm,曲率半径为1.0 m,长度为7.0 cm,超镜因子为3.6。此时0.4 nm～1.0 nm范围内的中子极化率在95.0%以上。对比优化前后分束导管出口处中子极化率和样品处中子通量,模拟研究限束狭缝宽和高对样品处中子通量及束流发散度的影响。优化后,在限束狭缝均为30.0 mm×30.0 mm的条件下,波长分别为0.6nm、0.8nm和1.0 nm的中子束在样品处中子通量分别下降约16.5%、14.4%和32.2%,而中子极化率得到提高,均高于95.0%。限束孔截面尺寸均为10.0mm×10.0 mm时,样品处束流发散度约为0.18°,样品处中子通量在105n·s-1量级;截面尺寸均为30.0 mm×30.0 mm时,束流发散度约为0.58°,中子通量在107 n.s-1量级,符合谱仪物理设计要求。一定主磁场强度下,主磁场不均匀性会影响中子自旋在磁场中进动角的一致性,进而影响中子极化率。计算优化表明,当主磁场强度为530.0Gs,若要使分析器处中子极化率不低于20.0%,对波长分别为0.6nm、0.8nm和1.0nm的中子束,主磁场不均匀性应分别不高于4.5×10-3、3.0×10-3、2.5×10-3。根据有限元分析结果,主磁场不均匀性约为2.0×10-3,符合设计需求。一定主磁场不均匀性下,主磁场强度会影响分析器处中子极化率。其主要原因为主磁场强度及相对不均匀磁场强度增加,中子自旋拉莫尔进动角不一致,进而影响中子极化率。计算优化表明,当主磁场不均匀2.0×10-3,若要使分析器处中子极化率不低于20.0%,对波长分别为0.6nm、0.8nm和1.0 nm的中子束,主磁场强度应分别不高于1200.0 Gs、800.0 Gs 和 700.0 Gs。一定主磁场强度及主磁场不均匀性条件下,束流发散度对分析器处中子极化率影响较小。当主磁场强度为530.0 Gs、主磁场不均匀性为2.0×10-3,对波长分别为0.6nm、0.8 nm和1.0 nm的中子束,分析器处中子极化率随束流发散度增加而变化较小,极化率变化在10.0%以内。限束孔截面尺寸均为30.0mm×30.0mm时,对波长分别为0.6nm、0.8 nm和1.0 nm的中子束,极化率分别为70.0%、60.0%和40.0%。本文研究结果可为中国绵阳研究堆纵向共振型中子自旋回波非弹性散射谱仪的部件选型及性能提升提供理论和数据支持。

关键词：中国绵阳研究堆纵向共振型中子自旋回波谱仪蒙特卡洛模拟 McStas vitess

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中子衍射应力分析谱仪的模拟与优化

中子衍射应力分析谱仪的模拟与优化

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作者：陈华中国工程物理研究院

学位级别：硕士

本文选择国际上广泛使用的通用中子散射谱仪模拟软件McStas作为模拟研究工具,对中子衍射应力分析谱仪的整体及各部件包括导管、单色器、准直系统、限束孔进行了较为全面的模拟和优化研究。首先考察了导管与水平孔道出口距离、长度、截... 详细信息

本文选择国际上广泛使用的通用中子散射谱仪模拟软件McStas作为模拟研究工具,对中子衍射应力分析谱仪的整体及各部件包括导管、单色器、准直系统、限束孔进行了较为全面的模拟和优化研究。首先考察了导管与水平孔道出口距离、长度、截面尺寸及临界角增大因子对出口中子强度、发散度、能谱、均匀性的影响。比较发现,经过水平孔道后中子注量率下降为源处的24.3%、导管末端下降为6.7%。同时对单色器部件进行了模拟优化:计算Cu(110)垂直聚焦单色器相对平板单色器获得的注量率增益;计算得到给定条件下单色器最佳单晶条数和镶嵌度;考察聚焦曲率半径对中子注量率的影响;计算Cu各个晶面在不同起飞角下样品处的中子注量率;对Cu、Ge和热解石墨常用晶体单色器比较发现,PG(004)获得的中子注量率最大,而Cu(222)获得的波长分辨率最佳。论文还分别考察了第一、第二准直器不同水平发散度对样品处中子注量率、波长分辨率的影响;针对标准α-Fe多晶样品,考察准直系统对无应变(211)衍射峰强度及半高宽的影响,得到最佳分辨、最大强度、最优平衡对应的三种设置。此外,模拟还证实了“赝偏移”现象的存在,建议测量应力前测量样品无应变时衍射峰的实际位置。对限束孔的模拟结果表明,离样品150mm处中子束斑垂直方向发散严重而水平方向发散不明显。最后使用vitess软件,对同一套中子衍射应力分析谱仪样品处中子注量率进行模拟计算,并与McStas结果比较。以上研究结果为中子衍射应力分析谱仪的建设提供了参考数据,对中子衍射应力分析技术的发展有一定价值。

关键词：蒙特卡罗模拟中子衍射应力分析谱仪 McStas vitess

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中国先进研究堆冷中子导管系统CNGC的优化设计

中国先进研究堆冷中子导管系统CNGC的优化设计

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中国核学会2019年学术年会

作者：魏国海陈东风韩松柏孙凯武梅梅贺林峰李正耀中国原子能科学研究院中子散射研究室

本文应用蒙特卡罗方法对中国先进研究堆(CARR)上的导管CNGC堆外导管部分的设计方案进行了模拟研究。CNGC堆外部分拟采用分束设计,预计分为2束,分别为CNGC-S和CNGC-N。CNGC-S和CNGC-N的末端分别设计安装冷中子照相谱仪和小角中子散射谱... 详细信息

本文应用蒙特卡罗方法对中国先进研究堆(CARR)上的导管CNGC堆外导管部分的设计方案进行了模拟研究。CNGC堆外部分拟采用分束设计,预计分为2束,分别为CNGC-S和CNGC-N。CNGC-S和CNGC-N的末端分别设计安装冷中子照相谱仪和小角中子散射谱仪。根据CARR中子导管大厅空间布局的要求以及谱仪对中子束流的要求,优化设计CNGC-S的弯导管特征波长选择0.2 nm,弯导管镀层材料选择m=3的超镜,直导管长23.3 m,其镀层材料选择m=2的超镜;CNGC-N的弯导管特征波长优化设计为0.4 nm,弯导管镀层材料选择m=3的超镜,直导管长7.3 m,其镀层材料的m值为1。此优化设计方案为中子导管CNGC的进一步物理设计提供理论参考。

关键词：中子导管蒙特卡罗模拟 vitess CARR

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