发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法与流程

本公开属于中子光学器件，涉及一种发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法，特别是一种基于改变中子吸收层长度实现发散角连续可调的中子准直器结构，以及该中子准直器结构的发散角的标定方法。

背景技术：

中子散射谱仪是利用反应堆、散裂源等产生的大量不同能量的中子作为中子源，从中选出一定能量的中子入射到被研究的样品上，通过探测出射中子能量、动量等参数，以实现对样品的应力、织构、微观结构、磁相关性能等方面的研究的仪器。

由于反应堆或散裂源产生的中子向4π方向散射，导致从孔道引出的中子束流发散角很大，而动量变化的测量需要入射中子有确定的方向，因而中子散射谱仪一般需要使用中子准直器，以限定入射中子的方向，从而达到提高其分辨率，提升信噪比的目的。一般来说，中子散射谱仪为了进行不同种类的实验测量，需要使用不同中子发散角的中子准直器。

目前使用的中子准直器的中子发散角都是在制作时就已经确定的，不能根据使用需求进行调节；另外，中子准直器一般安放在屏蔽体内部，不能随时根据需求更换不同发散角的准直器。因此为了完成不同的中子实验，目前一般的中子谱仪会在屏蔽体内预装几种常用发散角的中子准直器，但是由于屏蔽体内部空间有限，无法安装所需的各种准直器，仍无法满足所有的中子实验要求，而且更换准直器需要较长时间同时购买多种不同型号的准直器需要大量经费。

因此，有必要提出一种可以连续调节发散角的中子准直器结构，在一个中子准直器中可实现中子发散角的连续调节，那么不需要安装多个具有不同发散角的中子准直器，在一个中子准直器结构中便可实现按照实际需求进行发散角的调整，满足各种中子实验使用要求，以避免在屏蔽体内预装含有多种发散角的中子准直器的麻烦以及更换的繁琐，节约宝贵的中子束流时间和经费。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种发散角连续可调的中子准直器结构，包括：中子屏蔽和吸收外壳1；滑轨2，固定于中子屏蔽和吸收外壳1内部；第一中子准直器3，固定安装于滑轨2上；第二中子准直器4，安装于滑轨2上，沿着滑轨2可进行移动，以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节；以及驱动结构9，用于驱动第二中子准直器4沿着滑轨2进行移动。

在本公开的一些实施例中，第一中子准直器3通过第一固定安装底座5固定安装于滑轨2上；第二中子准直器4通过第二固定安装底座6下方设置的滑块7在带螺纹丝杠8上移动来实现沿着滑轨2的移动；其中，第一固定安装底座5和第二固定安装底座6均设置于滑轨2上，第一固定安装底座5固定，第二固定安装底座6可移动，第一中子准直器3安装于第一固定安装底座5上，第二中子准直器4安装于第二固定安装底座6上，带螺纹丝杠8，固定于中子屏蔽和吸收外壳1内部，位于滑轨2下方，滑块7以滚珠丝杠的形式与带螺纹丝杠8连接，在驱动结构9的作用下，第二中子准直器4通过滑块7沿着滑轨2可进行移动。

在本公开的一些实施例中，中子准直器结构，还包括：定位结构10，用于第二中子准直器4的定位。

在本公开的一些实施例中，定位结构10为绝对编码器，该绝对编码器安装于中子屏蔽和吸收外壳1上。

在本公开的一些实施例中，中子准直器结构，还包括：运动控制系统，通过控制驱动结构9实现对第二中子准直器4的移动控制；以及数据采集系统，用于采集数据，该数据包括中子发散角信息和第二中子准直器4的位置信息。

在本公开的一些实施例中，驱动结构9为伺服电机，该伺服电机安装于中子屏蔽和吸收外壳1上。

在本公开的一些实施例中，第一中子准直器3和第二中子准直器4的中子吸收层间距相同，中子准直器外形尺寸相同。

在本公开的一些实施例中，中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度为：第一中子准直器3和第二中子准直器4之间的距离与各自的中子吸收层长度的总和。

根据本公开的另一个方面，提供了一种发散角的标定方法，用于标定本公开的发散角连续可调的中子准直器结构，该标定方法包括：将第二中子准直器4移动至某一位置，并记录下第二中子准直器4的位置和对应的中子发散角；以及通过获取第二中子准直器4处于不同位置对应的中子发散角，得到该中子准直器结构的发散角与位置的对应关系曲线，实现标定。

在本公开的一些实施例中，通过定位结构10确定第二中子准直器4的位置；通过数据采集系统记录第二中子准直器4的位置和对应的中子发散角；通过运动控制系统控制第二中子准直器4移动至不同位置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法，具有以下有益效果：

(1)在行业内首次提供了一种基于改变中子吸收层长度实现发散角连续可调的中子准直器结构，通过设置固定的第一中子准直器和可移动的第二中子准直器以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节，在一个中子准直器结构中便可实现按照实际需求进行发散角的调整，满足各种中子实验使用要求，在实际应用中可以大大减少准直器的更换频率从而节约了宝贵的中子束流时间，同时减少所需准直器的数量从而节约大量的购置经费；

(2)运动控制系统可以通过电脑远程控制驱动结构(比如伺服电机)精密转动从而精确地控制可移动的第二中子准直器的位置进而改变中子吸收层长度，达到调节中子准直器的中子发散角的作用；

(3)中子屏蔽和吸收外壳能够保证：沿着中子入射方向，只有通过前一个中子准直器进入到后一个中子准直器之后从出口进行出射的中子才会作为出射中子被探测到，其他位置的中子(比如位于第一中子准直器和第二中子准直器之间没有进入后一个中子准直器的发散中子)将会由中子屏蔽和吸收外壳进行吸收或屏蔽，实现中子发散角与可调节的中子吸收层长度的精确对应关系，减少误差。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的发散角连续可调的中子准直器结构的示意图。

图2为如图1所示的发散角连续可调的中子准直器结构的工作原理。

图3为根据本公开一实施例所示的发散角连续可调的中子准直器结构的实体图。

【符号说明】

1-中子屏蔽和吸收外壳；2-滑轨；

3-第一中子准直器；4-第二中子准直器；

5-第一固定安装底座；6-第二固定安装底座；

7-滑块；8-带螺纹丝杠；

9-驱动结构；10-定位结构。

具体实施方式

本公开提供了一种发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法，通过设置固定的第一中子准直器和可移动的第二中子准直器以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节，在一个中子准直器结构中便可实现按照实际需求进行发散角的调整，满足各种中子实验使用要求，以避免在屏蔽体内预装含有多种发散角的中子准直器的麻烦以及更换的繁琐，节约宝贵的中子束流时间和经费。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，中子准直器放置顺序的“前”“后”表示沿着中子入射方向，先经过的中子准直器为“前”，后经过的中子准直器为“后”。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种发散角连续可调的中子准直器结构。

图1为根据本公开一实施例所示的发散角连续可调的中子准直器结构的示意图。

参照图1所示，本公开的发散角连续可调的中子准直器结构，包括：中子屏蔽和吸收外壳1；滑轨2，固定于中子屏蔽和吸收外壳1内部；第一中子准直器3，固定安装于滑轨2上；第二中子准直器4，安装于滑轨2上，沿着滑轨2可进行移动，以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节；以及驱动结构9，用于驱动第二中子准直器4沿着滑轨2进行移动。

图1中以左右双箭头示意第二中子准直器4可移动的特点。

图2为如图1所示的发散角连续可调的中子准直器结构的工作原理。

下面结合图2来介绍本公开的中子准直器结构实现发散角连续可调的原理。

图2示意了每个中子准直器中的任意两层中子吸收层，其中，第一中子准直器的中子吸收层长度为l1，两层中子吸收层间距为d1；第二中子准直器的中子吸收层长度为l2，两层中子吸收层间距为d2，第一中子准直器固定，图2中采用实线示意，第二中子准直器可移动，图2中采用虚线示意，并示意了第二中子准直器分别处于a位置和b位置的情况。

参照图2所示，当第二中子准直器处于a位置时，只有中子的入射角小于发散角αa的中子才能通过两个中子准直器从出口出射，类似的，当第二中子准直器处于b位置时，只有中子的入射角小于发散角αb的中子才能通过两个中子准直器从出口出射。那么通过调节第二中子准直器的位置，可以实现中子入射方向对应的中子吸收层长度的调节，从而实现中子发散角α的连续调节。

参照图1和图2所示，本公开的中子准直器结构中，中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度l为：第一中子准直器3和第二中子准直器4之间的距离与各自的中子吸收层长度的总和，例如：

当第二中子准直器处于a位置时，第一中子准直器和第二中子准直器之间的距离为da，中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度la满足如下表达式：

la＝l1+da+l2(1)

当第二中子准直器处于b位置时，第一中子准直器和第二中子准直器之间的距离为db，中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度lb满足如下表达式：

lb＝l1+db+l2(2)

下面结合附图说明对应第二中子准直器处于不同位置时，其发散角αa的表达形式。

本实施例中，设置第一中子准直器3和第二中子准直器4的中子吸收层间距相同，即：d1＝d2，两个中子准直器外形尺寸相同，即：l1＝l2，如图2所示，发散角α取决于放置于中子入射方向上的后一个中子准直器中的中子吸收层间距和中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度l。

本实施例中，固定的第一中子准直器放置于前方，可移动的第二中子准直器放置于后方，当第二中子准直器处于a位置时，发散角αa满足如下表达式：

αa＝d2/la＝d2/(l1+da+l2)(3)

类似的，当第二中子准直器处于b位置时，发散角αb满足如下表达式：

αb＝d2/lb＝d2/(l1+db+l2)(4)

当然，在其它实施例中，可移动的第二中子准直器也可以放置于前方，固定的第一中子准直器放置于后方，发散角依旧取决于放置于中子入射方向上的后一个中子准直器中的中子吸收层间距和中子入射该中子准直器结构对应的中子吸收层长度l，本公开不限定两个中子准直器的位置顺序。

当然，为了着重说明本公开中的中子准直器结构是基于改变中子吸收层长度实现发散角连续可调的内容，图2中仅仅示意了第一中子准直器3和第二中子准直器4的底部处于同一水平面的情况，对于第一中子准直器3和第二中子准直器4的底部不在同一水平面的光路分析情况与之类似，只是对应的发散角的表达式不同，这里不一一列举。

图3为根据本公开一实施例所示的发散角连续可调的中子准直器结构的实体图。

下面结合图1和图3来详细介绍本实施例的发散角连续可调的中子准直器结构。

结合图1和图3所示，本实施例中，第一中子准直器3通过第一固定安装底座5固定安装于滑轨2上；第二中子准直器4通过第二固定安装底座6下方设置的滑块7在带螺纹丝杠8上移动来实现沿着滑轨2的移动；其中，第一固定安装底座5和第二固定安装底座6均设置于滑轨2上，第一固定安装底座5固定，第二固定安装底座6可移动，第一中子准直器3安装于第一固定安装底座5上，第二中子准直器4安装于第二固定安装底座6上，带螺纹丝杠8，固定于中子屏蔽和吸收外壳1内部，位于滑轨2下方，滑块7以滚珠丝杠的形式与带螺纹丝杠8连接，在驱动结构9的作用下，第二中子准直器4通过滑块7沿着滑轨2可进行移动。

当然，在其它实施例中，还可以通过设置其它可移动结构实现第二中子准直器4的移动。

在本公开的一些实施例中，中子准直器结构，还包括：定位结构10，用于第二中子准直器4的定位。例如，本实施例中，定位结构10为绝对编码器，该绝对编码器安装于中子屏蔽和吸收外壳1上。

在本公开的一些实施例中，中子准直器结构，还包括：运动控制系统，和数据采集系统，其中，运动控制系统通过控制驱动结构9实现对第二中子准直器4的移动控制；数据采集系统用于采集数据，该数据包括中子发散角信息和第二中子准直器4的位置信息。

其中，运动控制系统可以通过电脑远程控制驱动结构9实现对第二中子准直器4的移动控制。当然，在其它实施例中，运动控制系统可以通过其它控制方式实现对驱动结构的控制，从而实现对第二中子准直器的移动控制。

本实施例中，驱动结构9为伺服电机，该伺服电机安装于中子屏蔽和吸收外壳1上。运动控制系统可以通过电脑远程控制伺服电机的精密转动从而实现对第二中子准直器4移动的精确控制，以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节。

在本公开优选实施例中，第一中子准直器3和第二中子准直器4的中子吸收层间距相同，中子准直器外形尺寸相同，这样的设置是为了使中子通过该发散角连续可调的中子准直器结构的透射率较高。

至此，第一个实施例的内容介绍完毕。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种发散角的标定方法，用于标定本公开提到的任一种发散角连续可调的中子准直器结构。

参照图1和图2所示，该标定方法包括：将第二中子准直器4移动至某一位置，并记录下第二中子准直器4的位置和对应的中子发散角；以及通过获取第二中子准直器4处于不同位置对应的中子发散角，得到该中子准直器结构的发散角与位置的对应关系曲线，实现标定。

在本公开的一些实施例中，通过定位结构10确定第二中子准直器4的位置；通过数据采集系统记录第二中子准直器4的位置和对应的中子发散角；通过运动控制系统控制第二中子准直器4移动至不同位置。

在一实例中，利用中子准直器测试装置对本公开所示的发散角连续可调的中子准直器结构进行了发散角标定和不同发散角的透射率测试。

其中，利用中子准直器测试装置对本公开所示的发散角连续可调的中子准直器结构进行了发散角标定和不同发散角的透射率测试的主要步骤如下(详细步骤请参照文献n.i.m.108(1973)-107-111)：

(一)将中子准直器中子性能测试装置(简称测试装置)置于某工作中的中子散射谱仪附近，并以其多余不用的透射中子束作为测试中子源；根据待测试的发散角连续可调的中子准直器结构的尺寸对二维可调狭缝的限束尺寸进行调节；

(二)将一个已知中子发散角的中子准直器置于靠近测试装置入射束的中子准直器固定座上，通过控制系统调节旋转台、高度调节装置、横向滑轨以及纵向滑轨，使该中子准直器与二维可调狭缝对准；

(三)将待测试的发散角连续可调的中子准直器结构(简称待测试中子准直器结构)置于另一个中子准直器固定座上，通过控制系统调节旋转台、高度调节装置、横向滑轨以及纵向滑轨，使待测试的发散角连续可调的中子准直器结构与前述已知中子发散角的中子准直器、以及二维可调狭缝对准(光路处于同一个水平面)；

(四)以上述调整好的位置为0°，通过控制系统调节旋转台使发散角连续可调的中子准直器结构由-2°转动至2°，转动步距为0.02°，通过中子探测系统获取一次中子计数，获得待测试中子准直器结构的摇摆曲线，根据该摇摆曲线计算出待测试中子准直器结构在这个时候的中子发散角；

(五)改变待测试中子准直器结构中可移动中子准直器的位置，并重复上面的测试步骤测出可移动中子准直器处于不同位置的中子发散角。记录下位置和对应的发散角，如此测量多次后能够得到待测试中子准直器结构的中子发散角与位置对应编码的关系曲线。

(六)将待测试中子准直器结构由中子准直器固定座上取下，通过中子探测系统获取此时的中子计数；根据该中子计数与步骤(五)中获得的多个不同位置最大中子计数计算出待测试中子准直器结构的中子透射率，完成其中子性能标定；

(七)标定完成后可以将标定后的发散角连续可调的中子准直器结构安放在中子散射谱仪的屏蔽体内进行使用，在使用过程中可以根据使用需求，按照前面测定的中子发散角和编码的曲线进行调节，将该发散角连续可调的中子准直器结构发散角调整到所需大小。

综上所述，本公开提供了一种发散角连续可调的中子准直器结构及其标定方法，在行业内首次提供了一种基于改变中子吸收层长度实现发散角连续可调的中子准直器结构，通过设置固定的第一中子准直器和可移动的第二中子准直器以改变中子入射方向对应的中子吸收层长度，从而实现中子发散角的连续调节，在一个中子准直器结构中便可实现按照实际需求进行发散角的调整，满足各种中子实验使用要求，在实际应用中可以大大减少准直器的更换频率从而节约了宝贵的中子束流时间，同时减少所需准直器的数量从而节约大量的购置经费；运动控制系统可以通过电脑远程控制驱动结构(比如伺服电机)精密转动从而精确地控制可移动的第二中子准直器的位置进而改变中子吸收层长度，达到调节中子准直器的中子发散角的作用；中子屏蔽和吸收外壳能够保证：沿着中子入射方向，只有通过前一个中子准直器进入到后一个中子准直器之后从出口进行出射的中子才会作为出射中子被探测到，其他位置的中子(比如位于第一中子准直器和第二中子准直器之间没有进入后一个中子准直器的发散中子)将会由中子屏蔽和吸收外壳进行吸收或屏蔽，实现中子发散角与可调节的中子吸收层长度的精确对应关系，减少误差。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。