一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法及装置与流程

本发明涉及中子单色器镶嵌角测试领域，尤其涉及一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法及装置。

背景技术：

中子单色器物理功能主要用于中子束流的单色化，即从白光中子束流中选取出固定单一波长的中子束流，用于后续的中子散射实验研究。同时对中子束流的发散度有一定的调制作用，与中子散射实验的分辨率密切相关。由于单色器的性能与它的镶嵌角分布紧密相关，用于中子散射实验的晶体单色器，需要具有一定镶嵌角分布，而正常工艺生产的单晶的镶嵌角宽度一般都过小，不能直接用于中子单色器，通常需要经过复杂严格的加工处理过程，如对单晶片进行反复真空热压，才能获得具有一定镶嵌角分布的，能满足实验需求的单色器晶体。从单色器晶体的加工处理的工艺优化和单色器成品质量的评价以及中子散射实验的分辨率分析等角度出发，迫切需要发展一种准确、快捷的单色器镶嵌角分布的测量技术，单色器镶嵌角分布即检测出镶嵌角分布的半高宽即可得到镶嵌角分布。

目前的对于中子单色器的镶嵌角分布的检测是采用γ射线衍射测量中子单色器镶嵌角分布，该方法是一种用γ射线衍射测量中子单色器的间接测量方法，γ射线和中子与物质相互作用机理不同，γ射线测量结果与中子实际实验结果存在一定的差异。其次，该方法由于γ射线波长较短而实验精度要求较高，使得装置和方法较为复杂，调试和测量过程难度较高，在实施要求用于衍射实验的入射束具有极小的发散度，如此在装置的复杂性和调试方法上需有严格的要求，才能保证测量精确性，因此目前采用γ射线检测中子单色器镶嵌角的方法对工作人员必要的单色器常规检测工作带来较大挑战和诸多不便，使检测工作实施的过程中具有一定的局限性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法，其能解决目前采用γ射线检测中子单色器镶嵌角的方法对工作人员必要的单色器常规检测工作带来较大挑战和诸多不便，使检测工作实施的过程中具有一定的局限性的问题。

本发明的目的之二在于提供一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试装置，其能解决目前采用γ射线检测中子单色器镶嵌角的方法对工作人员必要的单色器常规检测工作带来较大挑战和诸多不便，使检测工作实施的过程中具有一定的局限性的问题。

本发明提供目的之一采用以下技术方案实现：

一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法，包括以下步骤：

步骤s1、控制中子源开启中子束，所述中子束依次穿过中子狭缝、第一准直器、中子单色器、第二准直器并抵达探测器，探测器采集到中子束的测量中子强度；

步骤s2、对中子束的中子光路进行初步标定，此时，中子单色器接收中子束的衍射面为最大强度衍射面；

步骤s3、调节中子单色器的衍射角偏离所述最大强度衍射面的偏离角度，根据每个所述偏离角度改变所述中子单色器的位置并执行步骤s1，得到含有若干所述偏离角度和探测器采集每个偏离角度对应的所述测量中子强度的测量数据；

步骤s4、将所述测量数据进行高斯拟合得到所述测量数据的曲线半高宽；

步骤s5、根据所述曲线半高宽、第一准直器的第一准直角以及第二准直器的第二准直角计算得到中子单色器镶嵌角分布半高宽。

进一步地，所述步骤s2具体为：通过激光标定装置初步标定中子狭缝、第一准直器、中子单色器、第二准直器及探测器的中心位置与中子束的中心线重合。

进一步地，所述步骤s5具体为通过以下公式(1)计算中子单色器镶嵌角分布半高宽γm，公式(1)为：

其中，γm为中子镶嵌角分布半高宽，γ1+2+m为测量数据的曲线半高宽，γ1为第一准直器的第一准直角，γ2为第二准直器的第二准直角。

进一步地，所述测量数据包括若干数据点，每个所述数据点包括一个所述偏离角度和所述偏离角度对应的所述测量中子强度，所述若干个数据点在以所述偏离角度和所述测量中子强度组成的坐标系中形成数据曲线，所述数据点的数量不低于20个。

本发明提供目的之二采用以下技术方案实现：

一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试装置，包括测试部件和控制部件，所述测试部件包括中子狭缝板、第一准直器、第二准直器、中子单色器及探测器，所述中子狭缝板中心设置一中子狭缝，中子源开启的中子束依次穿过所述中子狭缝、所述第一准直器、所述中子单色器、所述第二准直器并抵达所述探测器，所述中子狭缝、所述第一准直器及所述中子单色器的中心线位于同一直线位置，所述中子单色器、所述第二准直器以及所述探测器的中心线位于同一直线位置，所述探测器采集到中子束的测量中子强度；

所述控制部件用于控制所述第一准直器、所述第二准直器、所述中子单色器的姿态并控制所述探测器采集的测量中子强度。

进一步地，所述控制部件包括运动控制模块和数据采集模块，所述运动控制模块用于控制所述第一准直器、所述第二准直器、所述中子单色器的姿态，所述数据采集模块用于控制所述探测器采集的测量中子强度。

进一步地，还包括调节台，所述调节台数量为三个，包括第一准直器调节台、第二准直器调节台以及中子单色器调节台，所述第一准直器、所述第二准直器、所述中子单色器分别安装在对应的所述第一准直器调节台、所述第二准直器调节台以及所述中子单色器调节台上。

进一步地，所述第一准直器和所述第二准直器的准直角范围均为6′一30′。

进一步地，所述探测器为氦-3中子计数器或bf3中子探测器或闪烁体探测器或中子成像探测器。

进一步地，所述中子束为单一波长的中子束。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法，通过对中子束的中子光路进行初步标定，此时，中子单色器接收中子束的衍射面为最大强度衍射面；调节中子单色器的衍射角偏离最大强度衍射面的偏离角度，收集探测器在不同偏离角度获取的中子强度测量数据，将测量数据进行高斯拟合得到测量数据的曲线半高宽；根据曲线半高宽、第一准直器的第一准直角以及第二准直器的第二准直角计算得到中子单色器镶嵌角分布半高宽，整个过程中只需要控制中子源开启中子束，并对中子单色器的位置进行调节，并记录探测器采集到的数据，根据采集到的数据得到中子单色器镶嵌角分布半高宽，使整个测量过程简单便捷，不再受极小发散度的射线源束流及相应调试精度要求较高的局限。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法的流程示意图；

图2为本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试装置的架构示意图；

图3为本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试装置的工作原理示意图。

图中：1、中子源；2、中子狭缝板；3、中子单色器；4、探测器；5、第二准直器；6、第一准直器。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示的本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤s1、控制中子源开启中子束，中子束依次穿过中子狭缝、第一准直器、中子单色器、第二准直器并抵达探测器，探测器采集到中子束的测量中子强度；

步骤s2、对中子束的中子光路进行初步标定，此时，中子单色器接收中子束的衍射面为最大强度衍射面；本实施例中步骤s2具体为通过激光标定装置初步标定中子狭缝、第一准直器、中子单色器、第二准直器及探测器的中心位置与中子束的中心线重合，当中子狭缝、第一准直器、中子单色器、第二准直器及探测器的中心位置与中子束的中心线重合时，且中子单色器衍射角处于最佳布拉格衍射条件的位置，此时探测器所采集到的中子探测器获取的测量中子强度为最大中子强度。

步骤s3、调节中子单色器的衍射角偏离最大强度衍射面的偏离角度，在本实施例中即调节中子单色器的衍射角度位置，并记录每一次调整时的对应的偏离角度，根据每个偏离角度改变中子单色器的位置并执行步骤s1，得到含有若干偏离角度和探测器采集每个偏离角度对应的测量中子强度的测量数据；在本实施例中每个偏离角度对应一个中子单色器的衍射角度位置，在中子单色器处于每个不同偏离角度的位置都会采集到对应的测量中子强度，即每个测量中子强度与每个偏离角度一一对应，测量数据包括若干数据点，每个数据点的坐标由一个偏离角度和偏离角度对应的测量中子强度；若干个数据点在以偏离角度和测量中子强度组成的坐标系中形成数据曲线，数据点的数量不低于20个，当数据点低于20个时，测量数据不具有代表性，因此本实施例中选取数据点至少为20个。

步骤s4、将测量数据进行高斯拟合得到测量数据的曲线半高宽；将测量数据中的数据点进行高斯拟合可以绘制出测量数据的曲线，根据高斯拟合参数可以计算得到曲线半高宽，半高宽为曲线峰值为一半时曲线的全宽值，也即峰值高度一半时的峰宽度。在本实施例中测量角度范围不低于测量数据的曲线半高宽的三倍，当测量角度范围低于曲线半高宽的三倍时，由于覆盖范围较小难以精确描述整个曲线的分布趋势，使结果并不精确。

步骤s5、根据曲线半高宽、第一准直器的第一准直角以及第二准直器的第二准直角计算得到中子单色器镶嵌角分布半高宽。具体通过以下公式(1)计算中子单色器镶嵌角分布半高宽γm，公式(1)为：

其中，γm为中子镶嵌角分布半高宽，γ1+2+m为测量数据的曲线半高宽，γ1为第一准直器的第一准直角，γ2为第第二准直器的第二准直角。本实施例中的上述公式(1)的具体推算过程如下：假设中子光路包括第一准直器、第二准直器和中子单色器满足布拉格衍射条件，改变中子单色器衍射角偏离理想衍射面的角度为γ，根据数学模型和测量过程的数理分析，获得描述测量数据的曲线函数理论表达式如式(2)：

其中，α＝θ′-θ，r(γ)为镶嵌角函数曲线，γ为中子单色器衍射角偏离理想衍射面的角度；r0为积分常数，σ1、σ2、σm、σ1+2+m分别是第一准直器、第二准直器、中子单色器、实验测量曲线高斯分布的标准误差，且均为定值，θ是沿着第一准直器和第二准直器的中心线方向的中子束被中子单色器镶嵌取向角β＝0时的反射面衍射的布拉格角，此时中子单色器处于理想的反射面位置，中子单色器衍射强度值最高；θ′是发散角为时中子束被中子单色器镶嵌取向角为β的反射面衍射的布拉格角，为偏离第一准直器中心线的发散角，为偏离第二准直器中心线的发散角。通过积分计算可得公式(3)，公式(3)为：

其中，σ1、σ2、σm、σ1+2+m分别是第一准字器、第二准直器、中子单色器、实验测量曲线高斯分布的标准误差；利用表达式高斯函数半高宽与标准误差的关系式代入运算可得公式(1)。

在本实施例中，如果选取的第一准直器和第二准直器的发散角都相同，即γ1＝γ2＝γc，γ1为第一准直器的第一准直角，γ2为第第二准直器的第二准直角，γc为定值常量。此时公式(1)可简化为公式(4)所示：

其中，γm为中子单色器镶嵌角分布半高宽，γ1+2+m为测量数据的曲线半高宽，γ1为第一准直器的第一准直角，γ2为第第二准直器的第二准直角，γc为定值常量。

在本实施例中，为了降低中子源发散度的影响，通常选择较小准直角的准直器。另外，选择较小准直角的准直器，也有利于提高测单色器镶嵌角的测量精度。表1给出部分常见单色器镶嵌角实验测量曲线半高宽计算结果。表1如下所示：

表1：常见中子单色器镶嵌角试验测试曲线半高宽计算结果

在表1中，γm为中子单色器镶嵌角分布半高宽，γ1+2+m为测量数据的曲线半高宽，γ1为第一准直器的第一准直角，γ2为第第二准直器的第二准直角；γm/γ1为中子单色器镶嵌角分布半高宽与第一准直器的第一准直角的比值，表中发散角单位为分；从表1中可以得出在选用两个相同准直角的准直器情况下，当中子单色器镶嵌角半高宽相对准直器准直角的比值γm/γ1越大，中子单色器镶嵌角分布半高宽γm与实验测量曲线半高宽γ1+2+m之间相对偏差越小。当γm/γ1>2时，相对偏差小于5.72％。当γm＝γ1＝γ2时，γm和γ1+2+m相对偏差较大，为18.35％，此时直接用γ1+2+m来描述γm就会引入较大误差，需要通过进一步计算得出γm。当γm/γ1>2.5时，γm和γ1+2+m相对偏差可降至4％以下，即可以在4％误差范围内直接采用实验测量曲线半高宽来估算单色器镶嵌角的大小。

如图2-3所示，本发明还提供了一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试装置，具体包括：包括测试部件和控制部件，测试部件包括一中子狭缝板2、第一准直器6、第二准直器5、中子单色器3及探测器4，中子狭缝板2的中心位置设置一中子狭缝，中子源1开启的中子束依次穿过中子狭缝、第一准直器6、中子单色器3、第二准直器5最后抵达探测器4，在本实施例中第一准直器6和第二准直器5均为soller准直器。第一准直器6和第二准直器5的准直角范围均为6′一30′。探测器4为氦-3中子计数器或bf3中子探测器或闪烁体探测器或中子成像探测器。中子束为单一波长的中子束。中子狭缝、第一准直器6及中子单色器3的中心线位于同一直线位置，中子单色器3、第二准直器5以及探测器4的中心线位于同一直线位置，探测器4采集到中子束的测量中子强度。

在本实施例中，还包括调节台，第一准直器6、第二准直器5、中子单色器均安装在调节台上。控制部件用于控制第一准直器6、第二准直器5、中子单色器3及探测器4的姿态，具体为控制部件与调节台电性连接，控制部件通过控制调节台来调节第一准直器6、第二准直器5、中子单色器3的姿态。其中，调节台为三个，包括第一准直器调节台、第二准直器调节台以及中子单色器调节台，分别对应安装于第一准直器6、第二准直器5、中子单色器3的下侧。中子单色器调节台为可调节中子单色器3姿态的四自由度调整台，该四自由度调节台用于对单色器的两维平移调节、俯仰调节、高精度转台调节，常用晶体单色器镶嵌角典型范围约6′一60′，为了保证测量结果的精度，要求转台转动精度好于0.005°(0.3′)；第一准直器6和第二准直器5下部配置的第一准直器调节台和第二准直器调节台均为三自由度姿态调整装置，三自由度姿态调整装置包括俯仰调节、水平转动调节、平移调节，三自由度姿态调整装置所用准直器准直角范围约6′一30′，为保证测量精度，水平转动调节精度要好于0.005°(0.3′)。

在另一实施例中控制部件包括运动控制模块和数据采集模块，运动控制模块与调节台电性连接，运动控制模块通过控制调节台的转动从而控制第一准直器、第二准直器、中子单色器的姿态，数据采集模块用于控制探测器采集的测量中子强度。

本发明的一种用于检测中子单色器镶嵌角分布的测试方法，通过对中子束的中子光路进行初步标定，此时，中子单色器接收中子束的衍射面为最大强度衍射面；调节中子单色器的衍射角偏离最大强度衍射面的偏离角度，收集探测器在不同偏离角度获取的中子强度测量数据，得到含有若干偏离角度和探测器采集每个偏离角度对应的测量中子强度的测量数据；将测量数据进行高斯拟合得到测量数据的曲线半高宽；根据曲线半高宽、第一准直器的第一准直角以及第二准直器的第二准直角计算得到中子单色器镶嵌角分布半高宽，整个过程中只需要控制中子源开启中子束，并对中子单色器的位置的角度进行调节，并记录探测器采集到的数据，根据采集到的数据得到中子单色器镶嵌角分布半高宽，使整个测量过程简单便捷，不再受设备调试精度要求较高的局限。另外，无需限制γ射线的小衍射角度范围，无需设计复杂的γ射线的射线源和高分辨γ射线探测系统对于实验测量数据仅需高斯函数拟合获得曲线半高宽，即可根据理论公式计算获得待测的单色器镶嵌角，数据分析简洁直观，并可以在一定误差范围内直观简单估算待测单色器镶嵌角分布。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。