一种用于中子衍射谱仪的径向准直器

1.本发明涉及中子准直器技术领域，具体涉及一种用于中子衍射谱仪的径向准直器。


背景技术：

2.中子和x射线都是人类探索物质微观结构的有力手段，中子源是产生中子的大科学装置。根据中子束流的产生方式不同，中子源可分为反应堆中子源和基于加速器的脉冲式中子源。中子衍射谱仪则是中子源的实验终端，它的基本原理为：质子轰击重金属靶发生散裂反应，产生的中子经过输运线到达样品处，与样品发生反应再次四散开来，通过采用中子探测器收集特定角度的中子信号，从而反推样品的微观结构。
3.由于中子束流的特殊性，一部分中子束流将发散开，或与其他非样品部件发生反应，这部分中子信号便成为本底噪声。信噪比，是决定谱仪实验分辨率和精度的重要因素。已有数据证明，在样品和中子探测器之间设置径向准直器后，本底噪声将大大降低，数据精度和谱仪分辨率将显著提高。综上，径向准直器是中子衍射谱仪中决定测试信号质量和测试精度的核心设备。
4.但是现有市面上的各式式准直器，例如圆柱形、圆孔形准直器或soller准直器等，均为设置在入射中子束流上的中子准直器，均不适用于中子衍射谱仪的衍射中子方向。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本技术提出一种用于中子衍射谱仪的径向准直器。
6.根据第一方面，一种实施例中提供一种用于中子衍射谱仪的径向准直器，包括：
7.准直器框架，所述准直器框架的前端面和后端面均为圆柱面且所述准直器框架的前端面和后端面的轴线重合，所述准直器框架的前端面面积小于所述准直器框架的后端面面积；
8.吸收膜，所述吸收膜为梯形薄膜，所述吸收膜材料为强中子吸收材料；
9.间隔条，所述间隔条为长条形变厚度薄板；
10.若干所述吸收膜与若干所述间隔条交替堆叠设于所述准直器框架中；
11.所述吸收膜的水平覆盖角度大于或等于中子衍射谱仪探测器的水平覆盖角度，所述吸收膜的垂直覆盖角度大于或等于中子衍射谱仪探测器的垂直覆盖角。
12.在一实施例中，所述准直器框架包括前端上梁、前端下梁、后端上梁、后端下梁和对称设置的两块侧板，所述前端上梁、前端下梁、后端上梁和后端下梁为圆弧状，所述侧板为梯形板材，所述前端上梁、前端下梁、后端上梁和后端下梁的两端分别与两侧的所述侧板连接，所述吸收膜与所述间隔条的四角分别与所述前端上梁、前端下梁、后端上梁和后端下梁连接。
13.在一实施例中，所述吸收膜与所述间隔条的四角设有l型卡槽；所述前端上梁上设有通槽，所述前端上梁的通槽内设有若干个前端l型卡扣，所述前端l型卡扣与对应数组所
述吸收膜和间隔条的l型卡槽扣接；所述后端上梁上设有通槽，所述后端上梁的通槽内设有若干个后端l型卡扣，所述后端l型卡扣与对应数组所述吸收膜和间隔条的l型卡槽扣接；所述前端下梁与所述后端下梁上设有l型卡扣，所述l型卡扣与所述吸收膜和间隔条的l型卡槽扣接。
14.在一实施例中，所述侧板包括固定侧板和拉伸侧板，所述拉伸侧板设置在所述固定侧板上方，所述拉伸侧板可以相对所述固定侧板做竖直方向上的运动，所述拉伸侧板与所述前端上梁和所述后端上梁连接，所述固定侧板与所述前端下梁和所述后端下梁连接。
15.在一实施例中，所述拉伸侧板与所述固定侧板之间设有若干竖直方向的顶丝螺栓，所述顶丝螺栓贯穿所述拉伸侧板。
16.在一实施例中，所述固定侧板上设有若干盲孔销，所述盲孔销与所述顶丝螺栓相对设置。
17.在一实施例中，所述拉伸侧板与所述固定侧板之间设有定位导向销子。
18.在一实施例中，还包括：拉伸螺柱，所述拉伸螺柱为弧形双头螺柱，若干所述拉伸螺柱贯穿所有所述吸收膜与所述间隔条以及两侧所述侧板，所述侧板上设有沉头孔，所述沉头孔内设有螺母，所述螺母与所述拉伸螺柱连接，所述拉伸侧板与所述固定侧板上均穿有所述拉伸螺柱。
19.在一实施例中，所述前端上梁、前端下梁、后端上梁和后端下梁的两端均设有直孔槽，所述前端上梁、前端下梁、后端上梁和后端下梁与所述侧板通过螺栓连接，所述螺栓穿过所述直孔槽。
20.在一实施例中，所述前端l型卡扣与所述后端l型卡扣上设有螺纹通孔，所述螺纹通孔与所述通槽相通，所述后端l型卡扣上方设有辅助拉伸盖板，所述辅助拉伸盖板上设有若干与所述后端l型卡扣上螺纹通孔位置对应的通孔。
21.据上述实施例的用于中子衍射谱仪的径向准直器，在方形喇叭状准直器框架内设置吸收膜和间隔条，准直器的覆盖范围包括探测器的覆盖范围，准直器设置在中子衍射谱仪的样品中心点与探测器之间，相较于未设置径向准直器，谱仪实验的本底噪声大大降低，数据精度和谱仪分辨率显著提高。
附图说明
22.图1为一种实施例中用于中子衍射谱仪的径向准直器的结构示意图；
23.图2为一种实施例中用于中子衍射谱仪的径向准直器的侧板的局部剖面示意图；
24.图3为一种实施例中用于中子衍射谱仪的径向准直器的前端l型卡扣的连接状态示意图。
25.附图标记说明：1、准直器框架；2、吸收膜；3、间隔条；41、前端上梁；411、前端l型卡扣；42、前端下梁；51、后端上梁；511、后端l型卡扣；512、辅助拉伸盖板；52、后端下梁；61、拉伸侧板；62、固定侧板；63、顶丝螺栓；64、盲孔销；7、拉伸螺柱；71、沉头孔；72、螺母；10、l型卡槽；20、通槽；30、直孔槽；40、螺栓；50、螺纹通孔。
具体实施方式
26.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式
中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
27.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
28.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
29.从广泛意义上来讲，本发明所述径向准直器为一类精密光学设备。有别于用于可见光、x射线等光学设备的准直器，本发明所述径向准直器的主要功能为准直中子束线，其核心材料为强中子吸收材料。有别于设置在入射中子束流上的各式中子准直器，例如圆柱形、圆孔形准直器或soller准直器，本发明所述径向准直器设置在衍射中子方向，既径向方向，因此称为径向准直器，对准直器精度要求更高。
30.对于中子衍射谱仪，样品中心点是空间的一点，它是中子束流的末端，是中子束流与样品发生反应的中心点。中子探测器呈一定空间覆盖角度包络样品中心点，探测器和样品中心点之间有几百毫米至几米不等的距离(第二飞行距离)。径向准直器即设置在样品中心点和探测器之间的空间内，其外形呈前端小、后端大的方形喇叭，前端焦点即样品中心点，后端面向中子探测器，其左右平面打开角度与中子探测器水平覆盖角相对应，同样的，其上下平面打开角度与中子探测器垂直覆盖角相对应。径向准直器的核心部件为吸收膜，吸收膜含有强中子吸收材料，需要按照一定的角度精确固定在框架内。
31.在本技术实施例中，用于中子衍射谱仪的径向准直器包括准直器框架、吸收膜和间隔条，准直器框架为方形喇叭状，且前后端面均为圆柱面，前后端面的轴线重合，吸收膜为梯形薄膜且材料为强中子吸收材料，间隔条为长条形变厚度薄板，若干吸收膜和间隔条交替堆叠设于准直器框架内。在方形喇叭状准直器框架内设置吸收膜和间隔条，准直器的覆盖范围包括探测器的覆盖范围，准直器设置在中子衍射谱仪的样品中心点与探测器之间，相较于未设置径向准直器，谱仪实验的本底噪声大大降低，数据精度和谱仪分辨率显著提高。
32.下面通过具体实施例对本技术进行说明。
33.实施例一：
34.如图1至图3所示，本技术一实施例中给出一种用于中子衍射谱仪的径向准直器，包括：准直器框架1、吸收膜2和间隔条3。准直器框架1的前端面和后端面均为圆柱面，且准直器框架1的前端面和后端面的轴线重合，准直器框架1的前端面面积小于准直器框架1后端面面积且准直器框架呈方形喇叭状，径向准直器使用时，准直器框架1前端面和后端面的轴线穿过样品中心点，也即准直器框架1前端面的焦点为样品中心点。吸收膜2为梯形薄膜，
吸收膜2的材料为强中子吸收材料。间隔条3为长条形变厚度薄板，较优地，间隔条3前端较薄，后端较厚，厚度均匀增加。若干吸收膜2与间隔条3交替堆叠设于准直器框架1中，吸收膜2的性能与吸收膜2的厚度有关，厚度越薄，性能越好，较优地，吸收膜2的厚度为0.05～0.1mm，间隔条3用于间隔吸收膜2，相邻吸收膜2之间的间隙为径向准直器的核心技术指标之一，该技术与间隔条3的厚度的相关，因此间隔条3前后端厚度的精度要求较高。间隔条的厚度由物理计算获得，本技术中不做限定。设置在准直器框架1内的若干吸收膜2的前后端面可以组成不连续的、呈一定夹角的覆盖面，吸收膜2的水平覆盖角度大于或等于中子衍射谱仪探测器的水平覆盖角度，吸收膜2的垂直覆盖角度大于或等于中子衍射谱仪探测器的垂直覆盖角度，即径向准直器的覆盖范围大于或等于中子衍射谱仪探测器的覆盖范围，以保证径向准直器的有效工作，较优地，径向准直器左右平面打开角度与中子衍射谱仪探测器水平覆盖角相对应，同样的，径向准直器上下平面打开角度与中子衍射谱仪探测器垂直覆盖角相对应。
35.在一实施例中，准直器框架1包括前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51、后端下梁52和两块对称设置的侧板，前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51和后端下梁52为圆弧状，侧板为梯形板材，前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51和后端下梁52的两端分别与两侧的侧板连接，吸收膜2和间隔条3的四角分别与前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51和后端下梁52连接。侧板为保证足够的刚性，厚度应较厚。
36.在一实施例中，吸收膜2与间隔条3的四角设有l型卡槽10。前端上梁41上设有通槽20，前端上梁41的通槽20内设有若干个前端l型卡扣411，前端l型卡扣411与对应数组吸收膜2和间隔条3的l型卡槽10扣接。后端上梁51上设有通槽20，后端上梁51的通槽20内设有若干个后端l型卡扣511，后端l型卡扣与对应数组的吸收膜2和间隔条3的l型卡槽10扣接。前端下梁42和后端下梁52上设有l型卡扣，前端下梁42和后端下梁52上的l型卡扣与吸收膜2和间隔条3的l型卡槽10扣接，较优地，前端下梁42上的l型卡扣设于前端下梁42的圆弧外侧，后端下梁52上的l型卡扣设于后端下梁52的圆弧内侧。
37.在一实施例中，侧板包括拉伸侧板61和固定侧板62，拉伸侧板61设于固定侧板62的上方，拉伸侧板61可以相对固定侧板62做竖直方向上的运动。拉伸侧板61与前端上梁41和后端上梁51连接，固定侧板62与前端下梁42和后端下梁52连接，当拉伸侧板61向上运动时，拉伸侧板61带动前端上梁41和后端上梁51向上运动，进而带动前端l型卡扣411和后端l型卡扣422向上运动，拉伸吸收膜2和间隔条3，使吸收膜2平整、间隙均匀，提高径向准直器的精度。前端下梁42和后端下梁52上的l型卡扣起到固定吸收膜2和间隔条3的作用。吸收膜2的前后端面为弧形面，使得吸收膜2在拉伸过程中沿弧线分部的张力处处相同，避免在拉伸过程中出现褶皱破裂。
38.在一实施例中，拉伸侧板61与固定侧板62之间设有若干竖直方向的顶丝螺栓63，顶丝螺栓63贯穿拉伸侧板61。当需要将拉伸侧板61向上运动时，对顶丝螺栓63施加力矩，转化为轴向力，将拉伸侧板61与固定侧板62分离。
39.在一实施例中，由于对顶丝螺栓63施加力矩的增加，顶丝螺栓63的轴向力逐渐增大，因为力的相互作用，顶丝螺栓63底面必然对固定侧板62上表面施加相同的力，为避免固定侧板62上端面被顶丝螺栓63破坏，固定侧板62上设有若干盲孔销64，盲孔销64设于顶丝螺栓63下方，盲孔销64与顶丝螺栓63一一对应相对设置。盲孔销63的材料的刚性应大于顶
丝螺栓63和固定侧板62的材料的刚性，可以在盲孔销63与顶丝螺栓64的接触面涂油润滑，减小拉伸时的阻力。
40.在一实施例中，为保证拉伸侧板61与固定侧板62分离时拉伸侧板61的运动方向保持竖直，拉伸侧板61与固定侧板62之间设有定位导向销子，起到定位和导向的作用，保障拉伸侧板61的顺利拉伸。
41.在一实施例中，径向准直器还包括拉伸螺柱7，拉伸螺柱7为弧形双头螺柱，若干拉伸螺柱7贯穿所有吸收膜2与间隔条3以及两侧侧板，侧板上设有沉头孔71，沉头孔内设有螺母72，螺母72与拉伸螺柱7连接，拉伸侧板61与固定侧板62上均穿有拉伸螺柱72。拉伸螺柱7的弧长对应角度大于径向准直器的水平覆盖角度，每根拉伸螺柱7的弧形半径和长度根据所在位置计算得出。当拉伸侧板61向上运动时，带动穿在拉伸侧板61上的拉伸螺柱7向上运动，拉伸吸收膜2和间隔条3，穿在固定侧板62上的拉伸螺柱72起到固定吸收膜2和间隔条3的作用。较优地，拉伸侧板61上由前端至后端均匀设置数根半径和弧长逐渐增大的拉伸螺柱7，在固定侧板62的下沿由前端至后端均匀设置相同数量半径和弧长逐渐增大的拉伸螺柱7。在一些实施例中，拉伸螺柱7的穿入吸收膜2与间隔条3中部分的横截面形状可以为非圆形，拉伸螺柱7两端需要与螺母72连接，因而拉伸螺柱7两端设有螺纹段的横截面形状需为圆形，例如，拉伸螺柱7穿入吸收膜2与间隔条3中部分的横截面可以为矩形，两端设有螺纹段的横截面为圆形，如此结构设计在拉伸吸收膜2和间隔条3时，拉伸螺柱7与吸收膜2和间隔条3有更大的接触面积，拉伸力更均匀，但是拉伸螺柱的加工工艺更复杂，可以根据实际的实验需求和条件来选择拉伸螺柱7的样式。
42.在一实施例中，前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51和后端下梁52的两端均设有直孔槽30，前端上梁41、前端下梁42、后端上梁51和后端下梁52与侧板通过螺栓40连接，螺栓40穿过直孔槽30。径向准直器装配时，将拧紧拉伸螺柱7两端的螺母72，此时两侧板将向中间合拢以压紧所有吸收膜2和间隔条3，侧板压紧的过程中，螺栓40将会自动在直孔槽30中调节到正确位置，再将螺栓40进行紧固。在拧紧螺母72及拉伸过程中，拉伸螺柱7可能会发生扭转，将会对局部吸收膜2的平整度造成影响，因此在拉伸螺柱7的两端，还设有防扭转销子，嵌入侧板内。
43.在一实施例中，前端l型卡扣411和后端l型卡扣511上设有螺纹通孔50，螺纹通孔50与通槽20相通，后端l型卡扣511上方设有辅助拉伸盖板512，辅助拉伸盖板512上设有若干与后端l型卡扣511上螺纹通孔50位置对应的通孔。在前端l型卡扣411的螺纹通孔或辅助拉伸盖板512的通孔内拧入顶丝螺栓63，可以对相应前端l型卡扣411或后端l型卡扣511上连接吸收膜2和间隔条3进行二次拉伸。
44.以上就是本技术公开的用于中子衍射谱仪的径向准直器，下面以一个例子来进行说明。
45.一示例中，中子衍射谱仪探测器水平覆盖角为30
°
，垂直覆盖角为40
°
，探测器和样品中心点之间的距离为2m，径向准直器即设置在这2m的空间内。为提供足够的样品空间，径向准直器前端面为半径600mm的圆柱面，依据制作工艺，径向准直器的长度最大为600mm，因此，计算得到径向准直器后端面为半径1200mm的圆柱面，前端圆柱面的焦点严格与样品中心点重合，配合探测器的水平覆盖角和垂直覆盖角，形成了径向准直器前端小、后端大的方形喇叭空间轮廓。当测量长度为4mm时，经物理及光路计算得出径向准直器内吸收膜之间的
角度为0.191
°
，其偏差不超过
±
0.005
°
，吸收膜总数达164片，吸收膜为梯形金属箔材，厚度0.06mm，材料为强中子吸收材料。间隔条长度超过600mm，薄端厚度1.94mm，厚端厚度3.94mm，厚度偏差不超过50微米。径向准直器侧板选用梯形铝合金板材，经过有限元分析计算优化得出厚度为40mm，通过10个顶丝螺栓，可将拉伸侧板与固定侧板进行分离，两个定位导向销提供定位和导向，顶丝螺柱下方设有盲孔销，盲孔销材料为高强度合金钢，且在顶丝螺柱与盲孔销接触面涂有适量润滑油，减小拉伸时的阻力。径向准直器上设有18根弧形拉伸螺柱，拉伸侧板和固定侧板下沿上各设有9根，由前端至后端，拉伸螺柱圆弧半径逐步增大，弧长对应角度大于径向准直器水平覆盖角30
°
，相应的，吸收膜和间隔条的上下边沿均设有9个圆孔，拉伸侧板和固定侧板上均设有9个沉头孔，供拉伸螺柱穿过以及安装螺母。
46.依据上述实施例中的用于中子衍射谱仪的径向准直器，在方形喇叭状准直器框架内设置吸收膜和间隔条，准直器的覆盖范围包括探测器的覆盖范围，准直器设置在中子衍射谱仪的样品中心点与探测器之间，相较于未设置径向准直器，谱仪实验的本底噪声大大降低，数据精度和谱仪分辨率显著提高。同时，依靠各部件之间的安装关系，通过拉伸侧板、前端l型卡扣和后端l型卡扣可以实现全部或部分吸收膜的拉伸，使得吸收膜平整、间隙均匀，吸收膜前后端面为弧形面，使得吸收膜在拉伸过程中沿弧线分部的张力处处相同，避免在拉伸过程中出现褶皱破裂。
47.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。