一種用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置的製作方法
2023-12-03 23:08:36 2
本實用新型屬於中子散射原位自動化測量技術領域，具體涉及一種用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置。
背景技術：
現代磁性材料廣泛應用在人類生活的方方面面，磁性材料與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經濟都緊密相關。磁性材料通常是指由鐵、鈷、鎳及其合金等能夠直接或間接產生磁性的物質。例如：納米結構氧化物彌散強化鋼（ODS鋼）是一種典型的磁性材料，具有優異的抗輻照抗氦脆性能和良好的高溫強度，被認為是未來示範和商業聚變堆包層和快堆燃料包殼的重要候選結構材料。ODS鋼中彌散顆粒的形成機制還未達成一致，但是主流觀點是溶入—析出機制，即在機械合金化過程中添加的氧化物顆粒和合金元素會溶入到基體中，在隨後的熱緻密化過程中析出富釔、鈦和氧的納米顆粒。這些顆粒的尺寸分布、數量以及與基體的關係對ODS鋼的性能有顯著影響。結合原位磁場（使樣品達到飽和）測試，小角中子散射技術可以有效區分磁散射和核散射信號，並獲得重要的析出相結構信息。
目前，國內中子散（衍）射技術處於起步階段，尚未發現有公司針對中子散（衍）射譜儀設計研發此類磁場條件下配套自動換樣裝置。而X射線不適合研究磁結構，也尚未發現有基於同步輻射光源和商用光源的類似探索。國際上部分小角中子散射平臺上磁場裝置已經能夠實現磁場條件下的中子散射測試，並實現控制磁場強度，但是都存在一個嚴重問題，就是在切換樣品和磁場強度的過程中，會引入樣品位置帶來的誤差，以及更換樣品和啟動小角中子散射譜儀及磁場裝置所耗費的大量人力物力。
目前，亟需一種用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置，該自動換樣裝置能夠在小角中子散射結合磁場加載環境下進行磁性材料結構演化與外部磁場關係的原位自動化測量，適用於實現多樣品相同磁場強度、同一樣品不同磁場強度、不同磁場強度不同採集時間等多種模式下的材料磁結構原位自動化檢測。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置。
本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置，其特點是：所述的自動換樣裝置包括滑塊單元，伺服電機，導軌，磁基座，樣品窗口，中子束入射窗口，計算機，N極、S極、磁場強度控制器和底座；所述的N極、S極在磁場強度控制器的控制下形成磁場，磁力線為水平方向；所述的滑塊單元固定在導軌上，導軌的上端與伺服電機固定，導軌的下端與磁基座固定，磁基座固定在底座上，底座固定在小角中子散射譜儀的工作平臺上；所述的中子束入射窗口位於磁場的中心；所述的滑塊單元位於磁場中，計算機控制伺服電機驅動滑塊單元通過導軌在豎直方向上下移動，滑塊單元的樣品窗口依次切換至中子束入射窗口。
所述的磁基座通過限位卡槽固定在底座上，磁基座移出限位卡槽後，取出滑塊單元，更換滑塊單元上的樣品窗口中的樣品。
所述的滑塊單元、導軌、磁基座的材料為不鏽鋼、鋁、鎘等抗中子活化的金屬材料加工而成，保證中子散射實驗後裝置的安全性，樣品窗口的材料為藍寶石。
所述的小角中子散射譜儀為反應堆中子源、脈衝堆中子源或散裂中子源中的一種。
本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置具有以下特點：一，採用磁基座對自動換樣裝置進行快拆式固定，可以保證位置的準確性，保證不同樣品切換過程中，每次測量都在相同位置的中子束入射窗口進行；如果採用手動換樣模式，每次放置位置發生偏差，造成的情況是中子照射樣品的區域會發生偏差，導致即使相同樣品放置兩次可能產生的透過率、散射計數率不一樣，可能造成的分析結果有偏差；二，自動換樣裝置的滑塊單元，伺服電機，導軌，磁基座，樣品窗口等部件，都採用不鏽鋼、鋁、鎘等抗中子活化的金屬材料加工而成，保證中子散射實驗後裝置的安全性；三，利用自動換樣裝置，程序控制N極，S極，滑塊單元和小角中子散射譜儀三個組成部分各自的程序設定和三重同步工作，可以實現多樣品相同磁場強度、同一樣品不同磁場強度、不同磁場強度不同採集時間等多種模式的選擇和設定，極大地節約人力和減少誤操作的可能；四，所述的中子散射技術使用的中子源可以與多種模式的中子源大科學裝置進行聯用，即可以採用反應堆中子源、脈衝堆中子源、散裂中子源中的一種。
本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置與小角中子散射實驗站聯用時主要的工作過程如下：
a.將N極，S極，連同底座安裝到小角中子散射實驗線站上，自動換樣裝置通過磁基座固定在底座上，利用雷射光源對小角中子散射的光路進行調節，使中子束斑與中子束入射窗口中心在同一中心軸上，然後固定底座的位置。
b. 將滑塊單元從磁基座上取下，將需要測試的磁散射樣品安裝在滑塊單元的樣品窗口內，再整體安裝到磁基座上。自動換樣裝置與磁場強度控制器和計算機進行連接，開啟磁場強度控制器電源，設定磁場控制程序；
c.打開計算機中自動換樣裝置的軟體控制窗口，設定自動換樣支架的編號、每個樣品窗的運動起始時間；開啟小角中子散射譜儀控制和數據採集軟體中的批處理模式，設定對應的樣品個數，每一個樣品的測試時間，和兩次測試之間的間隔時間；
d.開啟小角中子散射譜儀的第二閘門，啟動中子光源，啟動磁場控制程序和小角中子散射控批處理程序，對每一個樣品施加設置的對應磁場，同時記錄在磁場條件下樣品的小角中子散射信息，獲取不同磁場強度下核散射和磁散射對總散射強度的貢獻，從而獲取樣品的微結構信息；
e.通過對不同配比磁性材料樣品實施不同磁場強度，系統研究樣品中分散體系組分，含量，老化時間等參數對磁性材料微結構演化的影響，將這些數據耦合起來，最終獲得材料宏觀性能和微觀結構的對應機理。
本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置，能夠實現與小角中子散射聯用的原位磁結構檢測的自動換樣控制，具有安裝簡易、容易拆卸、時間同步、位移精確、自動化、節省人力等優點，適合於變換磁場強度條件的自動化控制的小角中子散射聯用使用條件，適用於小角中子散射研究中不同條件下磁性材料磁結構測試。
附圖說明
圖1為本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置的結構圖；
圖中，1.滑塊單元 2.伺服電機 3.導軌 4.磁基座 5.樣品窗口 6.中子束入射窗口 7.計算機 8.N極 9.S極 10.磁場強度控制器 11.底座。
具體實施方式：
下面結合附圖和實施例詳細說明本實用新型。
如圖1所示，本實用新型的用於小角中子散射譜儀的自動換樣裝置包括滑塊單元1，伺服電機2，導軌3，磁基座4，樣品窗口5，中子束入射窗口6，計算機7，N極8、S極9、磁場強度控制器10和底座11；所述的N極8、S極9在磁場強度控制器10的控制下形成磁場，磁力線為水平方向；所述的滑塊單元1固定在導軌3上，導軌3的上端與伺服電機2固定，導軌3的下端與磁基座4固定，磁基座4固定在底座11上，底座11固定在小角中子散射譜儀的工作平臺上；所述的中子束入射窗口6位於磁場的中心；所述的滑塊單元1位於磁場中，計算機7控制伺服電機2驅動滑塊單元1通過導軌3在豎直方向上下移動，滑塊單元1的樣品窗口5依次切換至中子束入射窗口6。
所述的磁基座4通過限位卡槽固定在底座11上，磁基座4移出限位卡槽後，取出滑塊單元1，更換滑塊單元1上的樣品窗口5中的樣品。
所述的滑塊單元1、導軌3、磁基座4的材料為不鏽鋼、鋁或鎘中的一種，樣品窗口5的材料為藍寶石。
所述的小角中子散射譜儀為反應堆中子源、脈衝堆中子源或散裂中子源中的一種。
實施例1
不同磁場強度下ODS鋼內析出相粒子尺寸的評估的原位磁場小角中子散射實驗。
本實施例中的滑塊單元1、導軌3、磁基座4的材料為不鏽鋼，也可更換為鋁或鎘。
實驗目的：
ODS鋼作為未來示範和商業聚變堆包層和快堆燃料包殼的重要候選結構材料，其彌散顆粒的形成機制還未達成一致，但是主流觀點是溶入—析出機制，即在機械合金化過程中添加的氧化物顆粒和合金元素會溶入到基體中，在隨後的熱緻密化過程中析出富Y、Ti和O的納米顆粒。這些顆粒的尺寸分布、數量以及與基體的關係對ODS鋼的性能有顯著影響。本實驗旨在結合原位磁場的小角中子散射測試有效區分磁散射和核散射信號，並獲得重要的析出相結構信息，幫助理解材料微結構形成機制以及對宏觀性能的影響。
實驗過程：
對3種不同的ODS鋼通過機械加工，製備成1 毫米厚，直徑為12 毫米的圓薄片，每個樣品兩片；分別在沒有磁場和磁場強度為1.5特斯拉條件下測試，6個測試樣被命名為a0，b0，c0，a1.5，b1.5，c1.5，依次安裝到樣品窗口的1-6號位置，由於是整體的塊材，選用普通的不帶藍寶石片的樣品窗口；通過事先的測試預估，沒有磁場條件下每個樣品需要1小時測試時間，而磁場強度為1.5特斯拉條件需要2小時測試時間，因此打開N極，設置其時間控制程序在3小時2分鐘後啟動電流模式控制的場強度為1.5特斯拉磁場，運行時間6小時15分鐘；設置自動換樣電機程序運行1-6號位的停留時間分別為1，1，1，2，2，2小時，除了3號樣到4號樣之間的時間間隔設置為10分鐘，其餘時間間隔設置為1分鐘；將小角中子散射數據採集程序設置為相同採集時間和間隔程序；同時開啟N極控制程序、批處理的自動換樣電機程序和小角中子散射數據採集程序設置，開始實驗，9小時30分鐘後整個實驗結束。本實例通過外加磁場與否區分磁散射和核散射的貢獻，進而獲取了納米尺度的析出相的尺寸及分布；經過前期實驗程序設定後，10小時左右的整個時間過程可以通過遠程控制監控，節省人力物力。
實施例2
不同磁場強度下ODS鋼粉末樣析出相的原位磁場小角中子散射研究。
本實施例與實施例1的實施方式基本相同，主要區別在於由於樣品是粉末狀態的金屬樣品，需要有密封腔體，故選用包含藍寶石的樣品窗口。
本實例通過外加磁場與否區分粉末樣中磁散射和核散射的貢獻，進而獲取了納米尺度的析出相的尺寸及分布。
本實用新型未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。
儘管上面對本實用新型說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本實用新型，但應該清楚，本實用新型不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本實用新型的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本實用新型構思的發明創造均在保護之列。