中子準直器及中子散射譜儀的製作方法
2023-12-03 23:05:21 1
專利名稱：中子準直器及中子散射譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及中子散射技術領域，尤其涉及一種中子準直器及中子散射譜儀。
背景技術：
中子準直器作為中子光學器件，是中子散射譜儀的核心部件之一，其作用是過濾由中子源發出的方向各異的中子，僅使發散角小於等於實驗要求的中子通過，從而為中子實驗提供準平行中子束，中子準直器可以提高中子散射譜儀的分辨能力和計數效率，對於中子散射譜儀的性能有著非常重要的影響。如圖1所示，上板1、下板2為可吸收中子的材料製成，圖中箭頭方向為中子束的方向，上板1、下板2可以將接觸到它的絕大部分(95%以上)熱中子吸收掉。其中，L示意為準直長度，d示意為透射區寬度，α示意為中子準直器的最大發散角，α可以通過tga =d/L來控制，因此，根據不同的中子散射譜儀需求，改變 d與L的比值就可以改變準直器的發散角。中子散射指的是當能量合適的中子射入各種材料中後，被構成該材料的原子、離子或離子團所散射，使得中子的動量和能量發生改變。分析通過該材料後出射中子的動量和能量變化及其分布，可以獲得該材料的微觀靜態和動態結構，因此中子散射為物理、化學、生物學、地質學以及材料科學研究提供了非常重要的實驗研究手段。各種不同的研究目的和研究內容需要不同的中子散射譜儀。中子散射譜儀利用反應堆、散裂源等產生的大量不同能量的中子作為中子源，從中選出一定能量的中子入射在被研究的樣品上，通過探測出射中子的能量、動量等參數，以實現對樣品的應力、織構、微觀結構、磁相關性能等的研究。由於反應堆的中子孔道尺寸較大，從孔道引出的中子束流發散角很大，而動量變化的測量需要入射中子有確定的方向，因而，中子散射譜儀一般需要使用中子準直器，將入射中子和出射中子的方向和角發散(特別是水平方向的角發散)限制在合乎要求的很小的角範圍內。早期的中子準直器使用的是由鋼板做成的單縫結構，如圖1所示，為使中子通道足夠寬，又要保證有較小的角發散，中子準直器必須做得很長，顯然，這種中子準直器限制了實驗設備的安排，也使得到的中子強度大大降低，後來，Soller等人提出了使用多縫合併在一起的結構，即現在所稱的Soller型中子準直器結構，如圖2所示，包括框架3和分隔片 4，框架包括若干層排列分布的金屬片31，每兩層金屬片31之間固定有分隔片4，從而使得中子從分隔片4之間透射，分隔片將接觸到它的絕大部分的中子吸收掉，這種結構的中子準直器使得中子通道的寬度和發散角不再直接相關，因而克服了中子準直器尺寸過長的問題，也使中子強度大大提高。但最初的Soller型中子準直器使用不鏽鋼片做為可吸收中子材料的載體層，並在不鏽鋼片上塗上可吸收中子材料如Cd等，由於不鏽鋼片較厚，使中子透射率降低，拉伸繃平也十分困難，製作難度很大，而且材料的熱脹冷縮也會導致變形，影響中子準直器質量。現在一些Soller型中子準直器多採用塑料(如Mylar膜等)噴塗中子吸收材料做分隔片，使得其製作工藝等到簡化，進而降低了成本，但是由於Mylar膜等塑料塗膜的壽命較短，抗輻照老化能力差，一般不能作為第一中子準直器使用，而且在輻照條件下的壽命一般只有幾年，導致需要經常更換新的中子準直器以保證中子散射譜儀的性能。
發明內容
本發明提供了一種中子準直器及中子散射譜儀，在提高中子透射率的同時，提高分隔片的抗輻照老化能力。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案如下所描述一種中子準直器，採用了 Soller型中子準直器結構，包括框架和固定在框架上的若干層分隔片，相鄰的兩層分隔片之間形成中子透射通道，其特徵在於，所述分隔片包括載體層和中子吸收層，所述載體層為金屬箔，所述中子吸收層附著於所述載體層上。一種中子散射譜儀，包括上述的中子準直器。本發明在採取了上述技術方案以後，由於分隔片的載體層採用金屬箔，可以控制分隔片的總厚度在很薄的範圍內，就提高了中子透射率，而且由於金屬箔的抗輻照老化能力強，與Mylar膜等塑料膜製成分隔片的中子準直器相比，提高了中子準直器的使用壽命。 另外，由於本發明所採用的金屬箔較薄，易於拉伸繃平。
圖1所示為中子準直器的工作原理示意圖；圖2所示為Soller型中子準直器的結構示意圖；圖3所示為本發明實施例中分割片的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例來對本發明進行描述。實施例如圖2所示，本發明實施例採用了 Soller型中子準直器結構，包括外殼5、鋁製框架3和分隔片4，鋁製框架3包括若干個等距離排列的鋁片31，鋁片之間固定有若干個分隔片4，相鄰的兩層分隔片之間形成中子透射通道，。如圖3所示，分隔片4包括載體層和中子吸收層41。本發明實施例採用厚度為20-50微米的金屬箔42 (不鏽鋼箔或者鋁箔)作為吸收中子的載體層，通過專用的拉伸裝置拉伸繃平後，固定在鋁製框架3上，另外，採用噴塗的方式在金屬箔41上均勻地附著一層厚度大於10微米的中子吸收材料，從而構成中子吸收層41。中子吸收層41附著於金屬箔42的一側或兩側。中子吸收材料為Gd2O3粉末與水基粘合劑充分混合而成，水基粘合劑可以為丙烯酸或者丙烯酸與聚氨酯的混合物等，Gd2O3 重量比為45-55%，優選50%，通過MCNP方法模擬計算，這種Gd2O3吸收層厚度達到5微米即可吸收98%的熱中子，完全滿足中子準直器的技術要求。下面就中子準直器的具體製作過程進行詳細描述。中子準直器製作前，首先根據中子散射譜儀對中子準直器的發散角和外型尺寸的要求，選擇合適的準直長度、透射區寬度以及外型尺寸。然後，按照選定的外型尺寸製作鋁製框架3和中子準直器外殼5，鋁製框架包括若干等距離排列的鋁片31，鋁片31的厚度根據發散角和外型尺寸而定，鋁片31的厚度等於中子透射區的寬度，鋁製框架和中子準直器外殼5上都要打上通體孔，以保證它們可以用螺釘緊密地組裝起來。
使用專門的拉伸裝置，將金屬箔42拉直、繃平，使其平整度達到0級，然後使用膠水將鋁製框架中的鋁片31與金屬箔42緊密貼合，從拉伸裝置上取下鋁製框架和金屬箔42。使用顆粒度為4-5微米的Gd2O3粉末(Gd2O3為主要的中子吸收物質)與水基粘合劑在25°C下充分混合，Gd2O3的質量比為50%，此時已經達到Gd2O3的飽和溶解狀態，使用磁力攪拌機將溶液攪拌均勻。使用高精度的噴漆設備，將Gd2O3溶液均勻地噴塗在載體層的兩側，待溶液幹透後，再用相同方法噴塗若干次，視所需中子吸收層厚度而定。完成中子吸收層的製作。按照所需準直長度，將中子吸收層兩側多餘的部分切割掉，只保留準直長度部分。將中子準直器外殼與中子吸收層(包括固定它的鋁製框架)通過它們上的通體孔，用螺釘固定在一起，組合成中子準直器。 中子散射譜儀可採用上述實施例中所描述的中子準直器。綜上所述，由於分隔片總厚度較薄，可以控制在很薄的範圍，就提高了中子透射率，而且由於金屬箔的抗輻照老化能力強，與Mylar膜等塑料膜製成分隔片的中子準直器相比，提高了中子準直器的使用壽命。另外，由於本發明所採用的金屬箔較薄，易於拉伸繃平。需要注意的是，上述具體實施例僅僅是示例性的，在本發明的上述教導下，本領域技術人員可以在上述實施例的基礎上進行各種改進和變形，而這些改進或者變形落在本發明的保護範圍內。本領域技術人員應該明白，上面的具體描述只是為了解釋本發明的目的， 並非用於限制本發明。本發明的保護範圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種中子準直器，包括框架和固定在框架上的若干層分隔片，相鄰的兩層分隔片之間形成中子透射通道，其特徵在於，所述分隔片包括載體層和中子吸收層，所述載體層為金屬箔，所述中子吸收層附著於所述載體層上。
2.根據權利要求1所述的中子準直器，其特徵在於，所述的固定在框架上的若干層分隔片為所述框架包括若干層等距離排列分布的金屬片，相鄰的金屬片之間固定有分隔片。
3.根據權利要求1所述的中子準直器，其特徵在於，所述中子吸收層附著於所述載體層上為所述中子吸收層附著於所述載體層的一側或兩側。
4.根據權利要求1所述的中子準直器，其特徵在於，所述金屬箔的厚度為20-50微米。
5.根據權利要求1所述的中子準直器，其特徵在於，所述金屬箔為不鏽鋼箔或鋁箔。
6.根據權利要求1所述的中子準直器，其特徵在於，所述吸收層為的厚度為10-30微米。
7.根據權利要求6所述的中子準直器，其特徵在於，所述吸收層為Gd2O3吸收層或Cd吸收層。
8.根據權利要求6所述的中子準直器，其特徵在於，所述Gd2O3吸收層包含重量百分比為45-55%的Gd2O3和重量百分比為45-55%的水基粘合劑。
9.根據權利要求6所述的中子準直器，其特徵在於，所述Gd2O3吸收層包含重量百分比為50%的Gd2O3和重量百分比為50%的水基粘合劑。
10.一種中子散射譜儀，其特徵在於，包含根據權利要求1至8任一項所述的中子準直ο
全文摘要
本發明公開了一種中子準直器及中子散射譜儀。本發明涉及中子散射技術領域，解決了現有技術中在提高中子透射率的同時，抗輻照老化能力差的問題。本發明實施例提供的方案為一種中子準直器，包括分隔片，其特徵在於，所述分隔片包括載體層和中子吸收層，所述載體層為金屬箔，所述中子吸收層附著於所述載體層上。本發明實施例適用於中子測量儀器等。
文檔編號G01N23/20GK102324259SQ201110200109
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者劉曉龍, 劉蘊韜, 吳展華, 吳立齊, 孫凱, 李眉娟, 楊浩智, 王洪立, 王雨, 田庚方, 陳東風, 韓松柏 申請人:中國原子能科學研究院