可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构的制作方法

文档序号:11249401
可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构的制造方法与工艺

本发明涉及中子反射技术领域,尤指一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。



背景技术:

中子反射技术是通过测量界面薄膜材料对中子的反射分析获知界面处0.5~500nm尺度范围内结构成分等信息的先进材料表征技术,一方面,由于中子具有较强的穿透能力和不带电等独特属性,使得中子反射技术日益成为薄膜材料膜层结构的重要研究手段;另一方面,由于中子具有自旋磁矩,自旋取向单一的中子,也称之为极化中子,与磁性材料的磁矩之间的相互作用可以被反射后的中子所记录,使得中子反射技术是获取这些磁性薄膜材料的磁结构信息和测量磁性沿膜后方向深度剖面分布的有力手段,因此,如果能够分别测量非极化和极化的中子反射对于磁性薄膜材料具有非常重要的意义。

另外,中子还具有一定的静止质量,不同能量(波长)的中子在飞行一段距离后到达探测器是有先有后的,因此,通过采用中子飞行时间的办法可以实现测量数据的记录,即根据时间先后对散射或反射后的中子进行标定,这一方法特别适合中子波长不固定的散裂中子源中子谱仪,但是飞行时间法中子谱仪的精度也将取决于中子飞行距离的精度,固定的飞行距离将大大降低数据分析的难度,减少数据的误差。目前,由于时间飞行方法简化了谱仪结构的设计,在反应堆上通过设置特定的斩波器也开始得到应用。

典型的(非极化)中子反射谱仪的光路区域主要分成两部分:入射光路区域和反射光路区域。入射光路在靠近样品处会布置数台狭缝,以实现对入射中子束大小进行调节,因此反射谱仪的入射光路一般也仅指这一光路区域,长度一般有几米;反射光路用来约束通过样品后的中子束,其长度从样品点开始到达探测器,一般是2~3m,在此光路区域上也需要布置数台狭缝,或其他屏蔽材料。其中,狭缝通常由中子吸收材料做成的两片水平刀片和两片竖直刀片以及刀片的驱动机构组成,因此狭缝的开口范围可调,通过两到三组狭缝可以截取出具有高分辨率的中子束,本发明采用的狭缝结构如专利号为201310099537.3的狭缝装置及四刀狭缝,该狭缝结构可用于各种中子散射谱仪系统,狭缝宽度可高精度宽范围调整。

极化器和极化分析器是极化中子反射谱仪不可缺少的组成部分,主要用于磁性薄膜材料的研究。极化器布置在入射光路区域,而极化分析器布置在反射光路区域。由于入射中子具有不同的自旋磁矩取向,通过极化器对入射中子束中不同自旋取向的中子进行选择,从而获得单一自旋取向的入射极化中子束。入射极化中子束与磁性样品材料发生磁相互作用之后,反射中子束中会包含两种自旋取向的中子。由于中子探测器并不能识别不同自旋取向的反射中子,因此需要通过放置在探测器前的极化分析器对反射中子束中两种不同自旋取向的中子进行分析并分开,最终由探测器分别测量两种不同自旋取向的反射中子束强度。目前反射谱仪常用的极化器由中子超镜薄膜制成,其优点是极化器和极化分析器的结构相同或相近,它们内部均由数片极化中子超镜组成,其原理是利用了不同极化的中子的全反射角不同,通过调节中子的入射角度,将入射中子束流中一种旋向的中子全反射,而另一旋向的中子全透射,因此,入射中子分成了两束极化的中子束,一束是沿反射方向,另一束沿透射方向。极化器和极化分析器有两种结构:一种是反射式结构,使用的是被极化中子超镜反射的极化中子;另一种是透射式结构,使用的是被极化中子超镜透射的极化中子。

目前国际上最先进的中子反射谱仪是美国散裂中子源(SNS)中的磁反射谱仪(MR),在这台谱仪入射光路区域,三台狭缝固定放置,极化器安装在入射光路区域的一个升降台上,这台谱仪上的极化器使用的是反射式结构。在这台谱仪上做非极化中子反射实验时,通过调整三台狭缝的不同开口大小来截取所需要的入射中子束,再通过移动和转动样品扫描反射中子强度来找到入射中子束位置及样品相对于入射中子束的零度角位置,之后再把样品转动一定角度(入射角),实验时入射中子束直接沿着入射光路打到样品表面并被反射,最后反射中子再被探测器所探测到。如果要进行极化反射实验时,则首先使用升降台把极化器移入中子光路,由于入射中子在经过(反射式)极化器后,反射得到的极化中子束与入射中子束存在一定夹角,因此,入射中子光路发生了改变,虽然可以重新通过移动和转动样品扫描反射中子强度来找到新的入射中子光路位置及样品相对于新的入射中子光路的零度角位置,但是,由于中子飞行距离对于飞行时间中子反射谱仪来说是至关重要的,因此从非极化模式切换到极化模式之后需要通过复杂的样品与探测器的联动准直过程来校正中子的飞行距离。这导致了在这台谱仪上对于同一样品实验在极化模式和非极化模式之间切换变得非常的复杂且中间需要做很多复杂的调整和计算,从而浪费了大量的中子束流时间,以致于实际使用过程中无法实现对同一样品进行极化和非极化的中子反射测量。因此,设计一种新的可快速切换极化和非极化测量模式的中子反射谱仪的光路结构,从而实现对同一样品进行极化和非极化的中子反射测量是非常必要的。

本发明专利之发明人在中国技术型期刊《核技术》在2015年第38卷第3期中的《高精度气浮支承转动平台结构设计及精度测试》论文中公开了一种能用于中子反射谱仪的气浮支承转动平台结构设计,该论文主要公开了气浮支承转动平台结构设计以及经过理论分析及数据处理等测试方法得出气浮支承加摩擦轮驱动的结构能够满足多功能反射谱仪反射臂的运动要求,虽然该文献公开的气浮支承转动平台可以应用于中子反射谱仪的探测器的移动和定位,但是无法实现样品和探测器的联动,即在该文献的技术启迪下,是得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构;另外专利号为201310081905.1,专利名称一种用于高分辨率中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的专利文献中,公开了一种通过气浮支撑探测器运载单元,通过驱动电机驱动摩擦轮转动带动探测器运载单元绕着样品中心旋转,通过中心设置的圆光栅来反馈探测器运载单元的旋转角度及定位精度,该气浮支撑探测器运载单元也可应用于中子反射谱仪的探测器的移动和定位,但是依然无法实现样品和探测器的联动,即在该文献的技术启迪下,是得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。

另一专利号为201110091018.3,专利名称为水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整结构的专利文献中,公开了一种应用于中子反射谱仪的入射升降机构和反射升降机构,通过调整狭缝和中子飞行管的位置,实现了样品和探测器的联动,但其实质是用来同时改变中子束的入射角和反射角,从而满足反射的几何关系,无法应用于飞行时间谱仪的飞行距离的准直调整,而且在此台谱仪上只能进行水平放置样品的非极化中子反射实验,不能进行极化中子反射实验,在该文献的技术启迪下,也得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。



技术实现要素:

为弥补现有中子反射谱仪使用上的局限性,本发明旨在提供一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。

为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构,所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂、样品台和反射臂。

所述入射臂主要包括第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝、聚焦导管、极化器、第一平移台、第二平移台、第一平台、第二平台和入射臂底座;其中入射臂底座放置在精密花岗岩地面上,所述第一平台固定安装在入射臂底座的沿着入射中子束方向的入射端,所述第二平台固定安装在入射臂底座的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一平移台固定安装在第一平台的沿着入射中子束方向的入射端,所述第二平移台固定安装在第一平台的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一狭缝固定安装在第一平移台的第一滑台上,所述聚焦导管固定安装在第二平移台的第二滑台上,所述极化器固定安装在第二平移台的第三滑台上,所述第二狭缝固定安装在第二平台的沿着入射中子束方向的入射端,所述第三狭缝固定安装在第二平台的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一狭缝和聚焦导管在沿着入射中子束方向的入射端平齐,所述极化器在沿着入射中子束方向的入射端与第一狭缝在沿着入射中子束方向的出射端相距20mm左右,所述极化器在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝在沿着入射中子束方向的入射端相距20mm左右,所述聚焦导管在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝在沿着入射中子束方向的入射端相距120mm左右,所述第一平移台的沿着入射中子束方向的右端和所述第二平移台的沿着入射中子束方向的右端平齐,所述第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝、聚焦导管和极化器的中心高度与入射中子束高度相同。

所述样品台主要包括竖直电磁铁、样品、低温恒温器、第三平台、样品姿态调整机构和样品台底座;所述竖直电磁铁用于为样品提供竖直方向的磁场环境;所述低温恒温器为样品提供温度环境;所述样品竖直放置在低温恒温器的冷头上,所述竖直电磁铁和低温恒温器固定安装在第三平台上,所述第三平台固定安装在样品姿态调整机构上,所述样品姿态调整机构固定放置在样品台底座上;所述样品姿态调整机构主要包括一个平移台和一个旋转台,平移台通过电机驱动滚珠丝杆转动来带动平移台台面的平移,旋转台通过电机驱动蜗杆带动蜗轮转动,从而实现旋转台台面的转动。

所述反射臂包括第四狭缝、升降台、极化分析器、探测器、第三平移台、反射臂底座、第四平台和反射臂旋转驱动机构;其中所述反射臂底座底部固定设置三组气浮支撑单元,每组气浮支承单元由左右两个气浮垫构成,三组气浮支撑单元均放置在精密花岗岩平台表面;气浮支承单元充气时将会与地面间形成一层气膜而不会与地面接触,此时反射臂底座与地面间将不接触无摩擦阻力;所述第四平台与反射臂底座固定连接,所述第四狭缝固定安装在第四平台的沿着中子束反射方向的入射端,所述升降台固定安装在第四平台的沿着中子束反射方向的左侧中部,所述第三平移台固定安装在第四平台的沿着中子束反射方向的出射端,所述第三平移台竖直中心面与中子束反射方向共面,所述极化分析器固定安装在升降台的升降台滑台上,所述极化分析器的竖直中心面与中子束反射方向共面,所述探测器固定安装在平移台的第四滑台上,所述探测器的探测面与中子束反射方向垂直。

所述聚焦导管内部由两对水平及竖直的汇聚型超镜组成,外部为不锈钢真空壳体。

所述极化器由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成,所述极化器采用透射式结构。

所述的极化分析器由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成,所述极化分析器采用透射式结构。

所述第一平移台主要由第一滑台、第一平移台主体和第一滑台驱动机构组成;第一平移台主体水平放置,第一滑台与第一平移台主体平行,第一滚珠丝杆副与第一平移台主体平行;第一平移台主体的两侧对称固定连接左右两条第一直线导轨副,左右两条直线导轨副各包含两个第一滑块,第一滑台分别与左右两条第一直线导轨副的两个第一滑块固定连接;第一滑台驱动机构包括第一电机、第一电机连接板、第一联轴器、第一丝杆固定端轴承座、第一角接触球轴承、第一滚珠丝杆副、第一螺母座、第一丝杆支撑端轴承座和第一深沟球轴承,第一电机连接板、第一丝杆固定端轴承座和第一丝杆支撑端轴承座均与第一平移台主体固定连接,第一滚珠丝杆副电机安装侧通过一对第一角接触球轴承与第一丝杆固定端轴承座相连,第一滚珠丝杆副远离电机安装侧通过第一深沟球轴承与第一丝杆支撑端轴承座相连,第一滚珠丝杆副电机安装侧通过第一联轴器与第一电机相连,第一电机与第一电机连接板固定相连,第一滚珠丝杆副包含一个第一滚珠螺母,第一滚珠螺母通过第一螺母座与第一滑台相连;第一平移台主体侧边粘贴有第一光栅尺,与第一滑台固定连接的第一读数头支撑板上安装有第一光栅尺读数头,第一光栅尺读数头实时读取第一光栅尺以获得第一滑台以及放置在第一滑台上的第一狭缝的实时位置。

所述第二平移台由第二滑台、第三滑台、第二平移台主体、第二滑台驱动机构和第三滑台驱动机构组成;第二平移台主体水平放置,第二滑台和第三滑台共面并与第二平移台主体平行,第二滚珠丝杆副和第三滚珠丝杆副平行并与第二平移台主体平行;第二平移台主体的两侧对称固定连接左右两条第二直线导轨副,左右两条直线导轨副各包含四个第二滑块,第二滑台分别与左右两条第二直线导轨副的其中两个第二滑块固定连接,第三滑台分别与左右两条第二直线导轨副的另两个第二滑块固定连接;第二滑台驱动机构包括第二电机、第二电机连接板、第二联轴器、第二丝杆固定端轴承座、第二角接触球轴承、第二滚珠丝杆副、第二螺母座、第二丝杆支撑端轴承座和第二深沟球轴承,第二电机连接板、第二丝杆固定端轴承座和第二丝杆支撑端轴承座均与第二平移台主体固定连接,第二滚珠丝杆副电机安装侧通过一对第二角接触球轴承与第二丝杆固定端轴承座相连,第二滚珠丝杆副远离电机安装侧通过第二深沟球轴承与第二丝杆支撑端轴承座相连,第二滚珠丝杆副电机安装侧通过第二联轴器与第二电机相连,第二电机与第二电机连接板固定相连,第二滚珠丝杆副包含一个第二滚珠螺母,第二滚珠螺母通过第二螺母座与第二滑台相连;第三滑台驱动机构包括第三电机、第三电机连接板、第三联轴器、第三丝杆固定端轴承座、第三角接触球轴承、第三滚珠丝杆副、第三螺母座、第三丝杆支撑端轴承座和第三深沟球轴承,第三电机连接板、第三丝杆固定端轴承座和第三丝杆支撑端轴承座均与第二平移台主体固定连接,第三滚珠丝杆副电机安装侧通过一对第三角接触球轴承与第三丝杆固定端轴承座相连,第三滚珠丝杆副远离电机安装侧通过第三深沟球轴承与第三丝杆支撑端轴承座相连,第三滚珠丝杆副电机安装侧通过第三联轴器与第三电机相连,第三电机与第三电机连接板固定相连,第三滚珠丝杆副包含一个第三滚珠螺母,第三滚珠螺母通过第三螺母座与第三滑台相连;第二平移台主体侧边粘贴有第二光栅尺,与第二滑台固定连接的第二读数头支撑板上安装有第二光栅尺读数头,第二光栅尺读数头实时读取第二光栅尺以获得第二滑台以及固定安装在第二滑台上的聚焦导管的实时位置;与第三滑台固定连接的第三读数头支撑板上安装有第三光栅尺读数头,第三光栅尺读数头实时读取第二光栅尺以获得第三滑台以及固定安装在第三滑台上的极化器的实时位置。

所述升降台由升降台滑台、升降台主体和升降台滑台驱动机构组成;升降台主体竖直放置,升降台滑台与升降台主体平行,梯形丝杆与升降台主体平行;升降台主体的两侧对称固定连接左右两条第四直线导轨副,左右两条第四直线导轨副各包含三个第四滑块,升降台滑台分别与左右两条第四直线导轨副的三个第四滑块固定连接;升降台滑台驱动机构包括第五电机、第五电机连接板、第五联轴器、第五丝杆固定端轴承座、

第五角接触球轴承、梯形丝杆、梯形丝杆螺母、梯形丝杆螺母座、第五丝杆支撑端轴承座和第五深沟球轴承,第五电机连接板、第五丝杆固定端轴承座和第五丝杆支撑端轴承座均与升降台主体固定连接,梯形丝杆电机安装侧通过一对第五角接触球轴承与第五丝杆固定端轴承座相连,梯形丝杆远离电机安装侧通过第五深沟球轴承与第五丝杆支撑端轴承座相连,梯形丝杆电机安装侧通过第五联轴器与第五电机相连,第五电机与第五电机连接板固定相连,梯形丝杆与梯形丝杆螺母螺纹相连,梯形丝杆螺母通过梯形丝杆螺母座与升降台滑台相连;升降台主体侧边竖直粘贴有第四光栅尺,与升降台滑台固定连接的第五读数头支撑板上安装有第五光栅尺读数头,第五光栅尺读数头实时读取第四光栅尺以获得升降台滑台以及固定安装在升降台滑台上的极化分析器的实时位置。

所述第三平移台由第四滑台、第三平移台主体和第四滑台驱动机构组成;第三平移台主体水平放置,第四滑台与第三平移台主体平行,第四滚珠丝杆副与第三平移台主体平行;第三平移台主体的两侧对称固定连接左右两条第三直线导轨副,左右两条第三直线导轨副各包含两个第三滑块,第四滑台分别与左右两条第三直线导轨副的两个第三滑块固定连接;第四滑台驱动机构包括第四电机、第四电机连接板、第四联轴器、第四丝杆固定端轴承座、第四角接触球轴承、第四滚珠丝杆副、第四螺母座、第四丝杆支撑端轴承座和第四深沟球轴承,第四电机连接板、第四丝杆固定端

轴承座和第四丝杆支撑端轴承座均与第三平移台主体固定连接,第四滚珠丝杆副电机安装侧通过一对第四角接触球轴承与第四丝杆固定端轴承座相连,第四滚珠丝杆副远离电机安装侧通过第四深沟球轴承与第四丝杆支撑端轴承座相连,第四滚珠丝杆副电机安装侧通过第四联轴器与第四电机相连,第四电机与第四电机连接板固定相连,第四滚珠丝杆副包含一个第四滚珠螺母,第四滚珠螺母通过第四螺母座与第四滑台相连;第三平移台主体侧边粘贴有第三光栅尺,与第四滑台固定连接的第四读数头支撑板上安装有第四光栅尺读数头,第四光栅尺读数头实时读取第三光栅尺以获得第四滑台以及放置在第四滑台上的探测器的实时位置。

所述反射臂旋转驱动机构包括摩擦轮、气浮支承单元、薄钢板压板、薄钢板、轴环连接板和交叉滚柱轴环;所述摩擦轮与反射臂底座固定连接,所述反射臂底座通过薄钢板压板与薄钢板固定连接,所述薄钢板通过轴环连接板与交叉滚柱轴环的外圈固定相连,交叉滚柱轴环的内圈固定安装在样品台底座上;所述摩擦轮转动中心指向样品台中心,因此摩擦轮移动方向与摩擦轮与交叉滚柱轴环的中心的连线垂直,摩擦轮工作时通过气缸加压使得摩擦轮与地面之间接触并产生向下的压力,摩擦轮通过电机驱动之后通过静摩擦力带动反射臂底座绕着交叉滚柱轴环的中心旋转;与轴环连接板固定相连的圆光栅读数头支撑板上安装有圆光栅读数头,圆光栅读数头实时读取固定安装在样品台底座上的圆光栅以获得反射臂底座绕样品中心旋转的角度位置。

所述探测器为中子灵敏探测器,通过探测器的探测可获得反射中子的强度及分布等情况。

本发明的有益效果体现在:由于本发明中极化器和极化分析器使用的为透射式结构,因此在对同一样品做极化模式和非极化模式切换时由于中子飞行光路并没有改变,因此只需要通过简单的控制三个平移台和一个升降台的运动即可简单实现极化器和极化分析器移入和移出中子光路,并简单实现极化模式和非极化模式的快速切换,而不需要对样品进行重新标定和位置调整。且在非极化模式时,可通过简单的控制第二平移台的运动来把聚焦导管移入中子光路,通过控制第三平移台的运动来缩短探测器与样品中心的距离,从而可以增强入射和反射中子的通量;通过气浮支撑反射臂,并通过摩擦轮驱动反射臂转动可轻松实现反射臂高精度的转角控制,结构易于实现。

附图说明

图1是本发明的整体俯视结构示意图。

图2是本发明的整体主视结构示意图。

图3是本发明中第一平移台的俯视结构示意图。

图4是本发明中第一平移台在图3中A-A剖面方向结构示意图。

图5是本发明中第一平移台的侧视结构示意图。

图6是本发明中第二平移台的俯视结构示意图。

图7是本发明中第二平移台在图6中A-A剖面方向结构示意图。

图8是本发明中第二平移台在图6中B-B剖面方向结构示意图。

图9是本发明中第二平移台的侧视结构示意图。

图10是本发明中第三平移台的俯视结构示意图。

图11是本发明中第三平移台在图10中A-A剖面方向结构示意图。

图12是本发明中第三平移台的侧视结构示意图。

图13是本发明中升降台的俯视结构示意图。

图14是本发明中升降台在图13中A-A剖面方向结构示意图。

图15是本发明中升降台的侧视结构示意图。

图16是利用本发明进行普通非极化模式实验时的结构示意图。

图17是利用本发明进行高通量非极化模式实验的结构示意图。

图18是利用本发明进行极化模式实验时的结构示意图。

附图标注说明:1-入射臂,2-样品台,3-反射臂,4-第一狭缝,5-第二狭缝,6-第三狭缝,7-聚焦导管,8-极化器,9-第一平移台,10-第二平移台,11-电磁铁,12-样品,13-低温恒温器,14-样品姿态调整装置,15-第四狭缝,16-升降台,17-极化分析器,18-探测器,19-第三平移台,20-第一平台,21-第二平台,22-入射臂底座,23-反射臂底座,24-摩擦轮,25-气浮支撑单元,26-薄钢板压板,27-薄钢板,28-轴环连接板,29-交叉滚柱轴环,30-圆光栅,31-样品台底座,32-第三平台,33-第四平台,34-第一电机,35-第一电机安装座,36-第一联轴器,37-第一丝杆固定端轴承座,38-第一滚珠丝杠副,39-第一滚珠螺母,40-第一螺母座,41-第一滑台,42-第一平移台主体,43-第一丝杆支撑端轴承座,44-第一直线导轨副,45-第一光栅尺,46-第一滑块,47-第一读数头支撑板,48-第一光栅尺读数头,49-第二电机,50-第二电机安装座,51-第二联轴器,52-第二丝杆固定端轴承座,53-第二滚珠丝杠副,54-第二滚珠螺母,55-第二螺母座,56-第二丝杆支撑端轴承座,57-第二滑台,58-第三电机,59-第三电机安装座,60-第三联轴器,61-第三丝杆固定端轴承座,62-第三滚珠丝杠副,63-第三滚珠螺母,64-第三螺母座,65-第三丝杆支撑端轴承座,66-第三滑台,67-第二直线导轨副,68-第二滑块,69-第三光栅尺读数头,70-第三读数头支撑板,71-第二光栅尺,72-第二光栅尺读数头,73-第二读数头支撑板,74-第二平移台主体,75-第四电机,76-第四电机安装座,77-第四联轴器,78-第四丝杆固定端轴承座,79-第四滚珠丝杠副,80-第四滚珠螺母,81-第四螺母座,82-第四丝杆支撑端轴承座,83-第四滑台,84-第三平移台主体,85-第三直线导轨副,86-第三滑块,87-第四光栅尺读数头,88-第三光栅尺,89-第四读数头支撑板,90-第五电机,91-第五电机安装座,92-第五联轴器,93-第五丝杆固定端轴承座,94-梯形丝杆,95-梯形丝杆螺母,96-梯形丝杆螺母座,97-第五丝杆支撑端轴承座,98-第四直线导轨副,99-第四滑块,100-第五光栅读数头,101-第四光栅尺,102-第五读数头支撑板,103-升降台主体,104-升降台滑台,105-圆光栅读数头,106-圆光栅读数头支撑板,107-入射中子束,108-第一角接触球轴承,109-第一深沟球轴承,110-第二角接触球轴承,111-第二深沟球轴承,112-第三角接触球轴承,113-第三深沟球轴承,114-第四角接触球轴承,115-第四深沟球轴承,116-第五角接触球轴承,117-第五深沟球轴承。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式:

如图1-15所示,一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构,所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂1、样品台2和反射臂3。

所述入射臂1包括第一狭缝4、第二狭缝5、第三狭缝6、聚焦导管7、极化器8、第一平移台9、第二平移台10、第一平台20、第二平台21和入射臂底座22;其中入射臂底座22放置在精密花岗岩地面上,所述第一平台20固定安装在入射臂底座22的沿着入射中子束方向的入射端,所述第二平台21固定安装在入射臂底座22的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一平移台9固定安装在第一平台20的沿着入射中子束方向的入射端,所述第二平移台10固定安装在第一平台20的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一狭缝4固定安装在第一平移台9的第一滑台41上。

如图3-5所示,所述第一平移台9由第一滑台41、第一平移台主体42和第一滑台驱动机构组成;第一平移台主体42水平放置,第一滑台41与第一平移台主体42平行,第一滚珠丝杆副38与第一平移台主体42平行;第一平移台主体42的两侧对称固定连接左右两条第一直线导轨副44,左右两条直线导轨副44各包含两个第一滑块46,第一滑台41分别与左右两条第一直线导轨副44的两个第一滑块46固定连接;第一滑台驱动机构包括第一电机34、第一电机连接板35、第一联轴器36、第一丝杆固定端轴承座37、第一角接触球轴承108、第一滚珠丝杆副38、第一螺母座40、第一丝杆支撑端轴承座43和第一深沟球轴承109,第一电机连接板35、第一丝杆固定端轴承座37和第一丝杆支撑端轴承座43均与第一平移台主体42固定连接,第一滚珠丝杆副38电机安装侧通过一对第一角接触球轴承108与第一丝杆固定端轴承座37相连,第一滚珠丝杆副38远离电机安装侧通过第一深沟球轴承109与第一丝杆支撑端轴承座43相连,第一滚珠丝杆副38电机安装侧通过第一联轴器36与第一电机34相连,第一电机34与第一电机连接板35固定相连,第一滚珠丝杆副38包含一个第一滚珠螺母39,第一滚珠螺母39通过第一螺母座40与第一滑台41相连;第一平移台主体42侧边粘贴有第一光栅尺45,与第一滑台41固定连接的第一读数头支撑板47上安装有第一光栅尺读数头48,第一光栅尺读数头48实时读取第一光栅尺45以获得第一滑台41以及放置在第一滑台41上的第一狭缝4的实时位置。

如图6-9所示,所述第二平移台10由第二滑台57、第三滑台66、第二平移台主体74、第二滑台驱动机构和第三滑台驱动机构组成;第二平移台主体74水平放置,第二滑台57和第三滑台66共面并与第二平移台主体74平行,第二滚珠丝杆副53和第三滚珠丝杆副62平行并与第二平移台主体74平行;第二平移台主体74的两侧对称固定连接左右两条第二直线导轨副67,左右两条直线导轨副67各包含四个第二滑块68,第二滑台57分别与左右两条第二直线导轨副67的其中两个第二滑块68固定连接,第三滑台66分别与左右两条第二直线导轨副67的另两个第二滑块68固定连接;第二滑台驱动机构包括第二电机49、第二电机连接板50、第二联轴器51、第二丝杆固定端轴承座52、第二角接触球轴承110、第二滚珠丝杆副53、第二螺母座55、第二丝杆支撑端轴承座56和第二深沟球轴承111,第二电机连接板50、第二丝杆固定端轴承座52和第二丝杆支撑端轴承座56均与第二平移台主体74固定连接,第二滚珠丝杆副53电机安装侧通过一对第二角接触球轴承110与第二丝杆固定端轴承座52相连,第二滚珠丝杆副53远离电机安装侧通过第二深沟球轴承111与第二丝杆支撑端轴承座56相连,第二滚珠丝杆副53电机安装侧通过第二联轴器51与第二电机49相连,第二电机49与第二电机连接板50固定相连,第二滚珠丝杆副53包含一个第二滚珠螺母54,第二滚珠螺母54通过第二螺母座55与第二滑台57相连;第三滑台驱动机构包括第三电机58、第三电机连接板59、第三联轴器60、第三丝杆固定端轴承座61、第三角接触球轴承112、第三滚珠丝杆副62、第三螺母座64、第三丝杆支撑端轴承座65和第三深沟球轴承113,第三电机连接板59、第三丝杆固定端轴承座61和第三丝杆支撑端轴承座65均与第二平移台主体74固定连接,第三滚珠丝杆副62电机安装侧通过一对第三角接触球轴承112与第三丝杆固定端轴承座61相连,第三滚珠丝杆副62远离电机安装侧通过第三深沟球轴承113与第三丝杆支撑端轴承座65相连,第三滚珠丝杆副62电机安装侧通过第三联轴器60与第三电机58相连,第三电机58与第三电机连接板59固定相连,第三滚珠丝杆副62包含一个第三滚珠螺母63,第三滚珠螺母63通过第三螺母座64与第三滑台66相连;第二平移台主体74侧边粘贴有第二光栅尺71,与第二滑台57固定连接的第二读数头支撑板73上安装有第二光栅尺读数头72,第二光栅尺读数头72实时读取第二光栅尺71以获得第二滑台57以及固定安装在第二滑台57上的聚焦导管7的实时位置;与第三滑台66固定连接的第三读数头支撑板70上安装有第三光栅尺读数头69,第三光栅尺读数头69实时读取第二光栅尺71以获得第三滑台66以及固定安装在第三滑台66上的极化器8的实时位置。

所述聚焦导管7内部由两对水平及竖直的汇聚型超镜组成,外部为不锈钢真空壳体,其内部入口截面尺寸为:48.6mm×35.93mm,出口截面尺寸为:46mm×35mm,固定安装在第二平移台10的第二滑台57上,所述聚焦导管7可增强入射中子通量,通过聚焦导管的聚焦作用可获得更高通量的入射中子;所述极化器8主要由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成,其内部入口截面尺寸为:48.59mm×5mm,出口截面尺寸为:46mm×5mm,固定安装在第二平移台10的第三滑台66上,所述极化器8采用透射式结构;所述第二狭缝5固定安装在第二平台21的沿着入射中子束方向的入射端,所述第三狭缝6固定安装在第二平台21的沿着入射中子束方向的出射端,所述第一狭缝4和聚焦导管7在沿着入射中子束方向的入射端平齐,所述极化器8在沿着入射中子束方向的入射端与第一狭缝4在沿着入射中子束方向的出射端相距20mm左右,所述极化器8在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝5在沿着入射中子束方向的入射端相距20mm左右,所述聚焦导管7在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝5在沿着入射中子束方向的入射端相距120mm左右,所述第一平移台9的沿着入射中子束方向的右端和所述第二平移台10的沿着入射中子束方向的右端平齐,所述第一狭缝4、第二狭缝5、第三狭缝6、聚焦导管7和极化器8的中心高度与入射中子束高度相同,第二狭缝5和所述第三狭缝6的结构与所述第一狭缝4相同。

所述样品台2包括竖直电磁铁11、样品12、低温恒温器13、第三平台32、样品姿态调整机构14和样品台底座31;所述竖直电磁铁11用于为样品提供竖直方向的磁场环境,所述电磁铁11中间极头间隙为50mm,中间区域磁场强度范围为0~1特斯拉,所述低温恒温器13用于为样品提供5~800k的温度环境,所述样品12竖直放置在低温恒温器13的冷头上,所述竖直电磁铁11和低温恒温器13固定安装在第三平台32上,所述第三平台32固定安装在样品姿态调整机构14上,所述样品姿态调整机构14固定放置在样品台底座31上;所述样品姿态调整机构14主要包括一个平移台和一个旋转台,平移台通过电机驱动滚珠丝杆转动来带动平移台台面的平移,旋转台通过电机驱动蜗杆带动蜗轮转动,从而实现旋转台台面的转动。

所述反射臂3包括第四狭缝15、升降台16、极化分析器17、探测器18、第三平移台19、反射臂底座23、第四平台33和反射臂旋转驱动机构;其中所述反射臂底座23底部固定设置三组气浮支撑单元25,每组气浮支承单元25由左右两个气浮垫构成,三组气浮支撑单元均放置在精密花岗岩平台表面,所述花岗岩平台表面平面度要求达到0.005mm/300mm,气浮支承单元充气时将会与地面间形成一层气膜而不会与地面接触,此时反射臂底座23与地面间将不接触无摩擦阻力;所述第四平台33与入射臂底座23固定连接,所述第四狭缝15固定安装在第四平台23的沿着中子束反射方向的入射端,所述升降台16固定安装在第四平台23的沿着中子束反射方向的左侧中部,所述第三平移台19固定安装在第四平台23的沿着中子束反射方向的出射端,所述第三平移台19竖直中心面与中子束反射方向共面,所述极化分析器17由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成,其内部截面尺寸为:60mm×5mm,固定安装在升降台16的升降台滑台104上,所述极化分析器17的竖直中心面与中子束反射方向共面,所述极化分析器17采购透射式结构;所述探测器18固定安装在平移台19的第四滑台83上,所述探测器18的探测面与中子束反射方向垂直,所述探测器18为中子灵敏探测器,通过探测器18的探测可获得反射中子的强度及分布等情况。

如图13-15所示,所述升降台16由升降台滑台104、升降台主体103和升降台滑台驱动机构组成;升降台主体103竖直放置,升降台滑台104与升降台主体103平行,梯形丝杆94与升降台主体103平行;升降台主体103的两侧对称固定连接左右两条第四直线导轨副98,左右两条第四直线导轨副98各包含三个第四滑块99,升降台滑台104分别与左右两条第四直线导轨副98的三个第四滑块99固定连接;升降台滑台驱动机构包括第五电机90、第五电机连接板91、第五联轴器92、第五丝杆固定端轴承座93、第五角接触球轴承116、梯形丝杆94、梯形丝杆螺母95、梯形丝杆螺母座96、第五丝杆支撑端轴承座97和第五深沟球轴承117,第五电机连接板91、第五丝杆固定端轴承座93和第五丝杆支撑端轴承座97均与升降台主体103固定连接,梯形丝杆94电机安装侧通过一对第五角接触球轴承116与第五丝杆固定端轴承座93相连,梯形丝杆94远离电机安装侧通过第五深沟球轴承117与第五丝杆支撑端轴承座97相连,梯形丝杆94电机安装侧通过第五联轴器92与第五电机90相连,第五电机90与第五电机连接板91固定相连,梯形丝杆94与梯形丝杆螺母95螺纹相连,梯形丝杆螺母95通过梯形丝杆螺母座96与升降台滑台104相连;升降台主体103侧边竖直粘贴有第四光栅尺101,与升降台滑台104固定连接的第五读数头支撑板102上安装有第五光栅尺读数头100,第五光栅尺读数头100实时读取第四光栅尺101以获得升降台滑台104以及固定安装在升降台滑台104上的极化分析器17的实时位置。

如图10-12所示,所述第三平移台19由第四滑台83、第三平移台主体84和第四滑台驱动机构组成;第三平移台主体84水平放置,第四滑台83与第三平移台主体84平行,第四滚珠丝杆副79与第三平移台主体84平行;第三平移台主体84的两侧对称固定连接左右两条第三直线导轨副85,左右两条第三直线导轨副85各包含两个第三滑块86,第四滑台83分别与左右两条第三直线导轨副85的两个第三滑块86固定连接;第四滑台驱动机构包括第四电机75、第四电机连接板76、第四联轴器77、第四丝杆固定端轴承座78、第四角接触球轴承114、第四滚珠丝杆副79、第四螺母座81、第四丝杆支撑端轴承座82和第四深沟球轴承115,第四电机连接板76、第四丝杆固定端轴承座78和第四丝杆支撑端轴承座82均与第三平移台主体84固定连接,第四滚珠丝杆副79电机安装侧通过一对第四角接触球轴承114与第四丝杆固定端轴承座78相连,第四滚珠丝杆副79远离电机安装侧通过第四深沟球轴承115与第四丝杆支撑端轴承座82相连,第四滚珠丝杆副79电机安装侧通过第四联轴器77与第四电机75相连,第四电机75与第四电机连接板76固定相连,第四滚珠丝杆副79包含一个第四滚珠螺母80,第四滚珠螺母80通过第四螺母座81与第四滑台83相连;第三平移台主体84侧边粘贴有第三光栅尺88,与第四滑台83固定连接的第四读数头支撑板89上安装有第四光栅尺读数头87,第四光栅尺读数头87实时读取第三光栅尺88以获得第四滑台83以及放置在第四滑台83上的探测器18的实时位置。

所述反射臂旋转驱动机构包括摩擦轮24、气浮支承单元25、薄钢板压板26、薄钢板27、轴环连接板28和交叉滚柱轴环29;所述摩擦轮24与反射臂底座23固定连接,其中所述的摩擦轮24为气缸加压的摩擦轮;摩擦轮24驱动机构的一端安装有两个对称分布的气缸;需要使用摩擦轮24时,则气缸充气,此时气缸的顶杆往上顶产生向下的压力,此时摩擦轮24与地面之间接触并有预压,通过电机驱动摩擦轮24转动,通过摩擦轮24与地面之间的静摩擦力带动反射臂底座23绕着样品中心旋转,当需要调节摩擦力的大小时,可通过调整与气缸相连的气源的压力来调节摩擦轮24的预压力,当反射臂底座23绕着样品中心旋转到位之后,气缸断气,此时气缸顶杆往下回位,此时摩擦轮24与地面之间将没有预压,此方法结构简单可靠,更方便进行预压调整。

所述反射臂底座23通过薄钢板压板26与薄钢板27固定连接,所述薄钢板27通过轴环连接板28与交叉滚柱轴环29的外圈固定相连,交叉滚柱轴环的29的内圈固定安装在样品台底座31上;所述摩擦轮转动中心指向样品台中心,因此摩擦轮24移动方向与摩擦轮24与交叉滚柱轴环29的中心的连线垂直,摩擦轮24工作时通过气缸加压使得摩擦轮24与地面之间接触并产生向下的压力,摩擦轮24通过电机驱动之后通过静摩擦力带动反射臂底座23绕着交叉滚柱轴环29的中心旋转;与轴环连接板28固定相连的圆光栅读数头支撑板106上安装有圆光栅读数头105,圆光栅读数头105实时读取固定安装在样品台底座31上的圆光栅30以获得反射臂底座23绕样品中心旋转的角度位置。

实施例一:利用本发明进行普通非极化模式实验

如图16所示,一种用于中子反射谱仪的中子光路结构,所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂1、样品台2和反射臂3;所述入射臂1主要包括第一狭缝4、第二狭缝5、第三狭缝6、聚焦导管7、极化器8、第一平移台9、第二平移台10、第一平台20、第二平台21和入射臂底座22;所述样品台2主要包括竖直电磁铁11、样品12、低温恒温器13、第三平台32、样品姿态调整机构14和样品台底座31;所述反射臂3主要包括第四狭缝15、升降台16、极化分析器17、探测器18、第三平移台19、反射臂底座23、第四平台33和反射臂旋转驱动机构;当入射中子束沿着入射方向顺序依次经过入射臂1、样品台2和反射臂3时,首先通过第一平移台9的第一滑台41把第一狭缝4移入中子光路,此时入射中子束依次经过第一狭缝4、第二狭缝5和第三狭缝6,通过这三台狭缝可截取出高精度高分辨率的入射中子束,之后入射中子束进入样品台区域。首先通过样品姿态调整机构14的平移台移动和旋转台转动样品扫描反射中子强度来找到入射中子束位置及样品相对于入射中子束的零度角位置,再通过样品姿态调整机构14的旋转台把样品12绕竖直轴旋转θ角,此时样品的中子束入射角度即是θ角,之后通过气浮支撑反射臂3,并通过摩擦轮24高精度的驱动反射臂3转动2θ角,此时被样品透射及散射的杂散中子束首先被第四狭缝15挡住,被样品反射的反射中子束则通过第四狭缝15之后被探测器18探测到,通过使用三台狭缝截取出的高精度高分辨率的中子束以进行普通非极化模式实验。

实施例二:利用本发明进行高通量非极化模式实验

如图17所示,一种用于中子反射谱仪的中子光路结构,所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂1、样品台2和反射臂3;所述入射臂1主要包括第一狭缝4、第二狭缝5、第三狭缝6、聚焦导管7、极化器8、第一平移台9、第二平移台10、第一平台20、第二平台21和入射臂底座22;所述样品台2主要包括竖直电磁铁11、样品12、低温恒温器13、第三平台32、样品姿态调整机构14和样品台底座31;所述反射臂3主要包括第四狭缝15、升降台16、极化分析器17、探测器18、第三平移台19、反射臂底座23、第四平台33和反射臂旋转驱动机构;当入射中子束沿着入射方向顺序依次经过入射臂1、样品台2和反射臂3时,通过第一平移台9的第一滑台41把第一狭缝4移出中子光路,通过第二平移台10的第二滑台57把聚焦导管7移入中子光路,此时入射中子束依次经过聚焦导管7、第二狭缝5和第三狭缝6,通过聚焦导管7的聚焦作用可获得更高通量的入射中子束,之后入射中子束进入样品台区域。由于普通非极化模式切换到高通量非极化模式时入射中子光路并未发生变化,因此对于同一样品不需要重新进行标定和调节。通过样品姿态调整机构14的旋转台把样品12绕竖直轴旋转θ角,此时样品的中子束入射角度即是θ角,之后通过气浮支撑反射臂3,并通过摩擦轮24高精度的驱动反射臂3转动2θ角,此时被样品透射及散射的杂散中子束首先被第四狭缝15挡住,被样品反射的反射中子束则通过第四狭缝15之后被探测器18探测到,通过第三平移台19的第四滑台83把探测器18移动到距离样品中心更近的位置以减少反射中子束数量及能量损失,从而获得更高通量的入射及反射中子束,并进行高通量非极化模式实验。由于探测器位置发生了改变,因此对于高通量非极化模式实验需要重新计算中子束的反射光路距离,但可简单通过第三平移台的移动距离来获得反射光路的距离变化大小。

实施例三:利用本发明进行极化模式实验

如图18所示,一种用于中子反射谱仪的中子光路结构,所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂1、样品台2和反射臂3;所述入射臂1主要包括第一狭缝4、第二狭缝5、第三狭缝6、聚焦导管7、极化器8、第一平移台9、第二平移台10、第一平台20、第二平台21和入射臂底座22;所述样品台2主要包括竖直电磁铁11、样品12、低温恒温器13、第三平台32、样品姿态调整机构14和样品台底座31;所述反射臂3主要包括第四狭缝15、升降台16、极化分析器17、探测器18、第三平移台19、反射臂底座23、第四平台33和反射臂旋转驱动机构;当入射中子束沿着入射方向顺序依次经过入射臂1、样品台2和反射臂3时,通过第一平移台9的第一滑台41把第一狭缝4移入中子光路,通过第二平移台10的第三滑台66把极化器8移入中子光路,通过升降台16的升降台滑台104把极化分析器17移入中子光路。由于极化器8和极化分析器17采用的是透射式结构,因此从非极化模式切换到极化模式时中子飞行光路并没有发生变化,所以对于同一样品可直接进行极化模式实验而不需要重新进行样品标定和调整。

此时入射中子束依次经过第一狭缝4、极化器8、第二狭缝5和第三狭缝6,通过极化器8产生所需旋向的极化入射中子束,之后极化入射中子束进入样品台区域,通过样品姿态调整机构14的旋转台把样品12绕竖直轴旋转θ角,此时样品的中子束入射角度即是θ角,之后通过气浮支撑反射臂3,并通过摩擦轮24高精度的驱动反射臂3转动2θ角,此时被样品透射及散射的杂散中子束首先被第四狭缝15挡住,被样品反射的反射中子束则通过第四狭缝15之后,再通过极化分析器17分析及选择单一旋向的反射极化中子束,最后反射极化中子束被探测器18探测到,通过极化器8产生所需旋向的入射极化中子,并通过极化分析器17选择所需旋向的反射极化中子从而进行极化模式实验。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明的技术范围作任何限制,本行业的技术人员,在本技术方案的启迪下,可以做出一些变形与修改,凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

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