機(jī)械速度選擇器標(biāo)定技術(shù)及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

余周香，李博楠，張 莉，吳立齊，李天富，劉榮燈，王子軍，孫 凱，劉蘊(yùn)韜，陳東風(fēng)

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

隨著我國(guó)高通量反應(yīng)堆中子源和散裂中子源的相繼建造，中子散射技術(shù)正處于方興未艾、蓬勃發(fā)展的階段[1-4]。非飛行時(shí)間中子散射實(shí)驗(yàn)(穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆中子源上中子散射大部分屬于這類)需單色中子束，由白光中子束獲取單色中子束最常用的方法是使用機(jī)械速度選擇器或晶體單色器[5]。相較晶體單色器，機(jī)械速度選擇器不改變束流方向，在改變單色中子波長(zhǎng)時(shí)也不需改變譜儀的幾何布局，這些特點(diǎn)利于極大縮小譜儀占用的空間，其是小角中子散射譜儀必不可少的部件之一，也應(yīng)用于中子自旋回波譜儀、中子反射儀等譜儀上[6]。機(jī)械速度選擇器也可用于中子束的過濾，與晶體單色器組合使用消除高次污染。與其他中子束過濾器相比，其過濾的中子波長(zhǎng)可靈活調(diào)節(jié)[6-8]。特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械速度選擇器還可用于單色極化中子束，能有效抑制中子極化狀態(tài)的改變[6,9]。除中子散射研究上的應(yīng)用外，機(jī)械速度選擇器還被用在中子成像上，用于提高成像的分辨率[10-11]。

機(jī)械速度選擇器標(biāo)定是其應(yīng)用的前提。機(jī)械速度選擇器研制方面有一些公開的文獻(xiàn)[5-9,12-14]，但機(jī)械速度選擇器標(biāo)定技術(shù)及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方面的文獻(xiàn)極其缺乏。中國(guó)先進(jìn)研究堆上的小角中子散射譜儀、三軸譜儀、中子成像設(shè)備及中子反射儀等已經(jīng)或計(jì)劃配備機(jī)械速度選擇器，這些機(jī)械速度選擇器從國(guó)外公司購買但需標(biāo)定。機(jī)械速度選擇器有螺旋槽型、多葉片型和多圓盤型。世界上有兩家主要供貨商：德國(guó)的AIRBUS生產(chǎn)螺旋槽型機(jī)械速度選擇器；匈牙利的MIRROTRON生產(chǎn)多葉片型和多圓盤型機(jī)械速度選擇器[5-9,12-14]。小角中子散射譜儀機(jī)械速度選擇器從MIRROTRON購得，屬多圓盤型。本文基于中國(guó)先進(jìn)研究堆小角中子散射譜儀，研發(fā)機(jī)械速度選擇器標(biāo)定技術(shù)、研制標(biāo)定設(shè)備并開展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

1 標(biāo)定設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算公式

機(jī)械速度選擇器標(biāo)定是測(cè)量其單色中子束的波長(zhǎng)λ和波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ。小角中子散射通過觀察散射中子強(qiáng)度I隨散射矢量q的變化(I(q)曲線)，測(cè)量樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1～300 nm)，在生物大分子、聚合物、膠體、磁性及超導(dǎo)體、合金等材料方面有廣泛應(yīng)用。散射矢量q=4πsin(θ/2)/λ，其中λ和θ分別為入射中子波長(zhǎng)和散射角；散射矢量分辨率(Δq/q)2≈(Δλ/λ)2+(Δθ/θ)2，由入射中子波長(zhǎng)分辨率和譜儀幾何設(shè)計(jì)決定[15]。小角中子散射譜儀機(jī)械速度選擇器標(biāo)定就是測(cè)量譜儀樣品位置中子波長(zhǎng)和波長(zhǎng)分辨率。

中國(guó)先進(jìn)研究堆小角中子散射譜儀設(shè)計(jì)的中子波長(zhǎng)選擇范圍為0.27～2 nm，中子波長(zhǎng)分辨率選擇范圍為10%～22%。小角中子散射譜儀選用的機(jī)械速度選擇器波長(zhǎng)可調(diào)范圍為0.27～4.5 nm，分辨率可調(diào)范圍為8%～25%，滿足譜儀設(shè)計(jì)要求[16]。

不同波長(zhǎng)的中子飛行一固定距離所需飛行時(shí)間不同，中子波長(zhǎng)和波長(zhǎng)分辨率可通過測(cè)量脈沖中子束飛過一固定距離的時(shí)間分布(飛行時(shí)間譜)獲得。設(shè)計(jì)的中子飛行時(shí)間設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其由二維可調(diào)狹縫、限束圓孔、機(jī)械斬波器、3He正比計(jì)數(shù)管及二維位置靈敏探測(cè)器等組成。機(jī)械斬波器置于樣品位置。

圖1 中子飛行時(shí)間設(shè)備結(jié)構(gòu)(a)和機(jī)械斬波器轉(zhuǎn)子正視圖(b)Fig.1 Structure of neutron time-of-flight instrument (a) and front view of chopper disk (b)

根據(jù)估算，樣品位置單色中子束流最大通量密度在108cm-2·s-1之上，而標(biāo)定設(shè)備使用高靈敏中子探測(cè)器，因此需對(duì)束流進(jìn)行衰減，方法是在機(jī)械速度選擇器后加二維可調(diào)狹縫利用束流發(fā)散衰減束流。限束圓孔的圓孔直徑2 mm，連續(xù)中子束經(jīng)限束圓孔后變成直徑約2 mm的連續(xù)中子束，再經(jīng)機(jī)械斬波器被切割成一系列時(shí)間寬度相等的脈沖中子束。機(jī)械斬波器是一直徑280 mm的圓盤(轉(zhuǎn)子)，圓盤由兩層1 mm厚的不銹鋼中間夾一層2 mm厚的鎘片組成。圓盤上有一距離圓盤中心120 mm、寬2 mm、徑向長(zhǎng)5 mm的狹縫和一距離圓盤中心135 mm、直徑1 mm的圓孔，如圖1b所示。機(jī)械斬波器圓盤額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm。機(jī)械斬波器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)械斬波器狹縫正對(duì)限束圓孔時(shí)，中子通過并起飛，而圓盤圓孔也恰好經(jīng)過光電開關(guān)，光電開關(guān)給出中子束的起飛信號(hào)，作為時(shí)間譜測(cè)量的起始時(shí)刻，以該起始時(shí)刻為零點(diǎn)，中子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)刻即飛行的時(shí)間。

中子飛行時(shí)間設(shè)備使用3He正比計(jì)數(shù)管和二維位置靈敏探測(cè)器兩個(gè)探測(cè)器，3He正比計(jì)數(shù)管緊貼機(jī)械斬波器，距機(jī)械斬波器圓盤5.1 cm，二維位置靈敏探測(cè)器距機(jī)械斬波器4.5 m。3He正比計(jì)數(shù)管高13 cm，直徑2.54 cm。二維位置靈敏探測(cè)器內(nèi)充3He，為多絲正比室，靈敏區(qū)尺寸65 cm×65 cm，厚2.54 cm，分辨5 mm×5 mm。3He正比計(jì)數(shù)管的作用一方面是消除時(shí)間譜的零點(diǎn)誤差，另一方面是測(cè)量機(jī)械斬波器狹縫、限束圓孔寬度及二維位置靈敏探測(cè)器厚度(中子入射深度)對(duì)峰展寬的貢獻(xiàn)。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)如圖2所示，多道時(shí)間分析器MCS-PCI是系統(tǒng)的核心部件，其采用一起多停的工作方式[17]。3He正比計(jì)數(shù)管數(shù)據(jù)獲取死時(shí)間為25 μs，二維位置靈敏探測(cè)器數(shù)據(jù)獲取死時(shí)間為10 μs。

圖2 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)Fig.2 Data acquisition system

圖3 飛行時(shí)間譜示意圖Fig.3 Expected time-of-flight spectrum

標(biāo)定機(jī)械速度選擇器飛行時(shí)間譜如圖3所示，可得兩個(gè)近似高斯分布的峰。由于3He正比計(jì)數(shù)管是高靈敏度中子探測(cè)器，其將機(jī)械斬波器出射的中子基本全部吸收，時(shí)間譜是在相同條件下分兩次測(cè)量所得結(jié)果疊加而成(有、無3He正比計(jì)數(shù)管兩種情況)。計(jì)算波長(zhǎng)λ(10-10m)的公式可表達(dá)為：

(1)

其中：v為中子速度，m/s；L為兩探測(cè)器間的距離，m；t1和t2為兩高斯峰的峰位時(shí)刻，s。

波長(zhǎng)分辨率計(jì)算公式可通過以下分析導(dǎo)出：

(2)

(3)

其中，t0和Δt0分別為實(shí)際中子脈沖起始時(shí)刻和機(jī)械斬波器狹縫、限束圓孔寬度及二維位置靈敏探測(cè)器厚度(中子入射深度)產(chǎn)生的峰展寬。聯(lián)立式(2)和式(3)，消去Δt0可得：

(4)

(5)

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，消去λ可得：

(7)

將式(7)代入式(4)可得：

(8)

其中：L1和L2分別為3He正比計(jì)數(shù)管和二維位置靈敏探測(cè)器與斬波器間的距離，m；σ1和σ2分別為兩高斯峰的標(biāo)準(zhǔn)偏差，s[18]。

2 漏計(jì)數(shù)對(duì)波長(zhǎng)分辨率測(cè)量影響的規(guī)律

探測(cè)器測(cè)得時(shí)間譜可近似為高斯分布。若l(m)為探測(cè)器到斬波器的距離，波長(zhǎng)λ的中子飛行距離l對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=l/v=λl/3 956。若l固定，t與λ呈正比。波長(zhǎng)分辨率可表達(dá)為Δλ(FWHM)/λ=Δt(FWHM)/t。高斯分布的峰可表達(dá)為：

(9)

假定n為高斯峰位計(jì)數(shù)率，則高斯峰的計(jì)數(shù)率分布可表達(dá)為：

(10)

由于數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)存在死時(shí)間，漏計(jì)數(shù)率可表達(dá)為α=1-exp(-mτ)，實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率可表達(dá)為me-mτ，m為計(jì)數(shù)率真實(shí)值，τ為死時(shí)間[19]。因此，高斯峰實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率分布可表達(dá)為：

(11)

若x/σ設(shè)定為x′，則式(11)可表達(dá)為：

y′=ne-x′2/2e-nτe-x′2/2

(12)

圖4 峰位計(jì)數(shù)率對(duì)Δt(FWHM)測(cè)量的影響Fig.4 Influence of peak count rate on Δt(FWHM)

Δt(FWHM)的變化率可表達(dá)為(Δt(FWHM)實(shí)測(cè)值-Δt(FWHM)真實(shí)值)/Δt(FWHM)真實(shí)值，本文的實(shí)測(cè)值是考慮漏計(jì)數(shù)影響的計(jì)算值。由式(11)和(12)可知，Δt(FWHM)的變化率與σ無關(guān)(Δt(FWHM)實(shí)測(cè)值、真實(shí)值與σ呈正比)。為研究高斯峰位計(jì)數(shù)率n對(duì)Δt(FWHM)變化率的影響，死時(shí)間τ固定為25 μs。由于式(12)無解析解，令σ=1，利用式(12)可繪出不同高斯峰位計(jì)數(shù)率下實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率分布曲線，歸一化后如圖4所示。高斯峰隨n的增大變寬，當(dāng)n=100 000 s-1時(shí)，高斯峰劈裂為兩個(gè)峰。從圖4獲得的Δt(FWHM)變化率列于表1。由于漏計(jì)數(shù)，高斯峰實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)減少，不同高斯峰位計(jì)數(shù)率下高斯峰實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)與真實(shí)計(jì)數(shù)之比亦列于表1。當(dāng)死時(shí)間τ固定為10 μs，實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)率分布曲線和Δt(FWHM)變化率在死時(shí)間τ與高斯峰位計(jì)數(shù)率n乘積不變條件下保持不變(由式(12)也可得出該結(jié)論)。Δλ(FWHM)/λ的測(cè)量誤差決定于Δt(FWHM)的測(cè)量誤差，因此，Δλ(FWHM)/λ的測(cè)量誤差決定于死時(shí)間與高斯峰位計(jì)數(shù)率乘積，在死時(shí)間不變條件下Δλ(FWHM)/λ的測(cè)量誤差隨高斯峰位計(jì)數(shù)率的增加而增大。

表1 Δt(FWHM)變化率隨死時(shí)間與高斯峰位計(jì)數(shù)率乘積的變化Table 1 Change rate of Δt(FWHM) versus product of dead time and peak count rate

3 機(jī)械速度選擇器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

如圖1a所示，機(jī)械斬波器置于樣品臺(tái)前，機(jī)械斬波器圓盤距導(dǎo)管出口3 m，3He正比計(jì)數(shù)管緊貼機(jī)械斬波器，距機(jī)械斬波器圓盤5.1 cm，二維位置靈敏探測(cè)器距機(jī)械斬波器圓盤4.5 m。準(zhǔn)直系統(tǒng)第2個(gè)光闌距第1個(gè)光闌2.5 m，開口與導(dǎo)管截面相同，均為50 mm×50 mm。斬波器轉(zhuǎn)速3 000 rpm(周期20 ms)。MCS-PCI道寬5 μs，道數(shù)3 600，周期18 ms，周期起始由斬波器的光電開關(guān)觸發(fā)(圖2)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，中國(guó)先進(jìn)研究堆功率30 MW，冷源未啟動(dòng)，準(zhǔn)直系統(tǒng)及16 m探測(cè)器腔未抽真空。

在機(jī)械速度選擇器6 016、5 015、4 525、3 823、3 001 rpm等5個(gè)不同轉(zhuǎn)速下，分別使用3He正比計(jì)數(shù)管和二維位置靈敏探測(cè)器測(cè)得飛行時(shí)間譜，如圖5～7所示。圖5中測(cè)量周期數(shù)已歸一化，50 000個(gè)測(cè)量周期對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間50 000×20 ms=1 000 s。圖6中5 000 000個(gè)測(cè)量周期對(duì)應(yīng)測(cè)量時(shí)間5 000 000×20 ms=100 000 s=27.8 h，為提升可比性，6 016 rpm圖示計(jì)數(shù)率降為實(shí)際計(jì)數(shù)率的1/3。圖7為提升可比性，正比計(jì)數(shù)管測(cè)量周期數(shù)降至二維位置靈敏探測(cè)器的1/20，分別為50 000和1 000 000，圖7所示同一轉(zhuǎn)速(5 015 rpm)下兩個(gè)探測(cè)器(正比計(jì)數(shù)管與二維位置靈敏探測(cè)器)測(cè)得飛行時(shí)間譜疊加與圖3所示飛行時(shí)間譜十分一致。機(jī)械速度選擇器不同轉(zhuǎn)速下3He正比計(jì)數(shù)管與二維位置靈敏探測(cè)器測(cè)得飛行時(shí)間譜半高寬列于表2，從表2可知，二維位置靈敏探測(cè)器Δt2(FWHM)隨轉(zhuǎn)速減小顯著增加，而3He正比計(jì)數(shù)管Δt1(FWHM)隨轉(zhuǎn)速減小略有增加，幾乎不變。

圖5 正比計(jì)數(shù)管測(cè)得飛行時(shí)間譜Fig.5 Time-of-flight spectra measured by proportional counter tube

圖6 二維位置靈敏探測(cè)器測(cè)得飛行時(shí)間譜Fig.6 Time-of-flight spectra measured by two-dimensional position-sensitive detector

圖7 5 015 rpm測(cè)得正比計(jì)數(shù)管與二維位置靈敏探測(cè)器的飛行時(shí)間譜Fig.7 Time-of-flight spectra measured by proportional counter tube and two-dimensional position-sensitive detector at 5 015 rpm

表2 機(jī)械速度選擇器不同轉(zhuǎn)速下飛行時(shí)間譜半高寬Table 2 Δt1(FWHM) and Δt2(FWHM) at different speeds of neutron velocity selector

利用式(1)和式(8)計(jì)算得出機(jī)械速度選擇器在不同轉(zhuǎn)速下波長(zhǎng)、波長(zhǎng)分辨率的實(shí)驗(yàn)值列于表3，由于波長(zhǎng)λ與轉(zhuǎn)速ω(rpm)的倒數(shù)1/ω呈正比，利用線性擬合，可得：

(13)

由表3可知，波長(zhǎng)分辨率隨波長(zhǎng)的增加而增加，近似呈線性關(guān)系。

波長(zhǎng)λ與波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ的理論計(jì)算值取決于機(jī)械速度選擇器的物理設(shè)計(jì)參數(shù)，小角中子散射譜儀機(jī)械速度選擇器波長(zhǎng)λ表達(dá)為：

(14)

(15)

其中：L為速度選擇器長(zhǎng)度，為420 mm；R為中子窗中心與圓心距離，為175 mm；α為轉(zhuǎn)子螺旋角，為17°；δ為速度選擇器水平偏轉(zhuǎn)角，本實(shí)驗(yàn)為0°。代入?yún)?shù)具體值，可得：

(16)

波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ表達(dá)為：

(17)

其中，β為窗孔徑張角，為2.25°。代入?yún)?shù)具體值，可得Δλ(FWHM)/λ=13.2%。

波長(zhǎng)λ理論計(jì)算表達(dá)式(式(16))與實(shí)驗(yàn)擬合表達(dá)式(式(13))非常接近，從表3可看出，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值差異很小。波長(zhǎng)分辨率計(jì)算值Δλ(FWHM)/λ=13.2%，波長(zhǎng)分辨率實(shí)驗(yàn)值隨波長(zhǎng)的增加而增加，與波長(zhǎng)分辨率計(jì)算值有一定差距，這些變化和差距源自束流發(fā)散。導(dǎo)管鍍層反射波長(zhǎng)越大臨界角αλ(α為臨界角系數(shù)，取決于鍍層)越大，導(dǎo)管出口處該波長(zhǎng)中子束流發(fā)散越大，而先前的研究表明，波長(zhǎng)分辨率和束流發(fā)散是關(guān)聯(lián)的，發(fā)散越大波長(zhǎng)分辨率越大，因此波長(zhǎng)分辨率會(huì)隨波長(zhǎng)的增加而增加。而波長(zhǎng)分辨率計(jì)算值不考慮束流發(fā)散，只考慮中子的平行入射(發(fā)散角為0°)，因此較波長(zhǎng)分辨率實(shí)驗(yàn)值小[13]。

表3 機(jī)械速度選擇器不同轉(zhuǎn)速下波長(zhǎng)、波長(zhǎng)分辨率的實(shí)驗(yàn)值及波長(zhǎng)理論計(jì)算值Table 3 Experimental values of wavelength and wavelength resolution rate and calculated values of wavelength at different speeds of neutron velocity selector

從測(cè)得的中子飛行時(shí)間譜易計(jì)算出峰位計(jì)數(shù)率，速度選擇器不同轉(zhuǎn)速下3He正比計(jì)數(shù)管及二維位置靈敏探測(cè)器峰位計(jì)數(shù)率列于表4。相較于表1，3He正比計(jì)數(shù)管峰位最大計(jì)數(shù)率8 159.9 s-1，略大于7 788.0 s-1，波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ展寬略大于10%；二維位置靈敏探測(cè)器峰位最大計(jì)數(shù)率367.55 s-1，小于2 438.3 s-1接近249.4 s-1，波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ展寬小于0.9%接近0.08%。

表4 實(shí)測(cè)峰位計(jì)數(shù)率及樣品位置中子通量密度推算值Table 4 Measured peak count rates and deduced neutron flux density at sample position

3.2 樣品位置中子通量密度上限

圖8 機(jī)械斬波器狹縫通過限束圓孔示意圖Fig.8 Diagram of chopper slit passing limit pinhole

由表2可知，3He正比計(jì)數(shù)管[Δt1(FWHM)]2遠(yuǎn)小于二維位置靈敏探測(cè)器[Δt2(FWHM)]2。由式(8)可知，σ1(Δt1(FWHM))的測(cè)量誤差稍大些不會(huì)影響Δλ(FWHM)/λ的測(cè)量精度。為保證Δλ(FWHM)/λ測(cè)量誤差小于0.9%，二維位置靈敏探測(cè)器高斯峰位計(jì)數(shù)率上限設(shè)定為2 500 s-1(表1)；3He正比計(jì)數(shù)管高斯峰位計(jì)數(shù)率上限設(shè)定為1 000 s-1，這不會(huì)增大Δλ(FWHM)/λ測(cè)量誤差但非常有利于縮短測(cè)量時(shí)間。

若令φ為入射機(jī)械斬波器的連續(xù)中子束中子通量密度(即限束圓孔處中子通量密度)，機(jī)械斬波器狹縫每通過限束圓孔放出的中子數(shù)為：

(18)

其中r=0.1 cm，為限束圓孔半徑。若不考慮漏計(jì)數(shù)(全峰最大漏計(jì)數(shù)略大于16%)，且對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)中子，高氣壓3He探測(cè)器探測(cè)效率接近100%，利用3He正比計(jì)數(shù)管高斯峰單周期計(jì)數(shù)和式(18)求出φ，列于表4。

對(duì)于3He正比計(jì)數(shù)管，高斯峰位計(jì)數(shù)率設(shè)為m1；對(duì)于二維位置靈敏探測(cè)器，高斯峰位計(jì)數(shù)率設(shè)為m2。機(jī)械斬波器每旋轉(zhuǎn)1周，3He正比計(jì)數(shù)管探測(cè)中子數(shù)可計(jì)算為：

4.44m1×10-5

(19)

二維位置靈敏探測(cè)器探測(cè)中子數(shù)可計(jì)算為：

10-6=1.60λm2×10-4

(20)

理想條件下，機(jī)械斬波器每旋轉(zhuǎn)1周，機(jī)械斬波器狹縫通過限束圓孔放出的中子數(shù)與探測(cè)器探測(cè)中子數(shù)相等。因此，對(duì)于3He正比計(jì)數(shù)管φ=N1，由于m1≤10 000 s-1，代入式(18)和式(19)可得φ<2.66×105cm-2·s-1。對(duì)于二維位置靈敏探測(cè)器φ=N2，由于m2≤2 500 s-1，代入式(18)和式(20)可得φ<2.40λ×105cm-2·s-1。

表4中3He正比計(jì)數(shù)管峰位計(jì)數(shù)率8 159.9 s-1略大于7 788.0 s-1，樣品位置中子通量密度應(yīng)略大于2.66×105cm-2·s-1，但計(jì)算出的中子通量密度2.354×105cm-2·s-1還略小些，主要是反推時(shí)沒有扣除漏計(jì)數(shù)和探測(cè)器探測(cè)效率的影響。

3.3 VITESS模擬樣品位置中子通量密度及二維可調(diào)狹縫調(diào)束效果

機(jī)械速度選擇器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，僅在轉(zhuǎn)速6 016 rpm時(shí)，3He正比計(jì)數(shù)管測(cè)量時(shí)入射機(jī)械斬波器的連續(xù)中子束中子通量密度才略超上限2.66×105cm-2·s-1，而此次實(shí)驗(yàn)冷源未啟動(dòng)，準(zhǔn)直系統(tǒng)及16 m探測(cè)器腔未抽真空。在冷源啟動(dòng)及真空恢復(fù)后，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)中子樣品位置中子通量密度會(huì)有大幅提升，在機(jī)械速度選擇器轉(zhuǎn)速4 500 rpm(對(duì)應(yīng)0.59 nm)時(shí)，曾利用小角中子散射譜儀二維位置靈敏探測(cè)器測(cè)得中子通量密度增益在15倍以上。為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械速度選擇器標(biāo)定設(shè)備設(shè)計(jì)并為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)提供必要的依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，利用VITESS軟件模擬了機(jī)械速度選擇器單色不同波長(zhǎng)樣品位置中子通量密度，結(jié)果列于表5[20-23]。如前文所述，3He正比計(jì)數(shù)管中子通量密度上限2.66×105cm-2·s-1，二維位置靈敏探測(cè)器中子通量密度上限2.40λ×105cm-2·s-1。由表5可知，所列中子通量密度均超過了兩個(gè)探測(cè)器中子通量密度上限或3He正比計(jì)數(shù)管中子通量密度上限，需二維可調(diào)狹縫調(diào)節(jié)。此外，表5中波長(zhǎng)分辨率Δλ(FWHM)/λ隨波長(zhǎng)增加而增加，與表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。

表5 機(jī)械速度選擇器單色不同波長(zhǎng)下波長(zhǎng)分辨率、樣品位置中子通量密度及該波長(zhǎng)二維位置靈敏探測(cè)器中子通量密度限值Table 5 Wavelength resolution rate, neutron flux density at sample position and neutron flux density limit for two-dimensional position-sensitive detector at different wavelengths

為驗(yàn)證二維可調(diào)狹縫調(diào)節(jié)中子通量密度的效果，選擇0.400、1.189 nm波長(zhǎng)，利用VITESS軟件模擬通過調(diào)節(jié)狹縫尺寸將樣品位置超過探測(cè)器中子通量密度上限的中子通量密度調(diào)節(jié)至探測(cè)器中子通量密度上限附近，結(jié)果列于表6。由表6可知，二維可調(diào)狹縫能準(zhǔn)確將超過探測(cè)器中子通量密度上限的中子通量密度調(diào)節(jié)至探測(cè)器中子通量密度上限，且調(diào)節(jié)后樣品位置中子波長(zhǎng)和波長(zhǎng)分辨率不變。

4 結(jié)論

本文詳盡探討了探測(cè)器漏計(jì)數(shù)對(duì)機(jī)械速度選擇器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的影響，提出了相應(yīng)的理論及應(yīng)對(duì)方法，開展了機(jī)械速度選擇器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定設(shè)備設(shè)計(jì)、漏計(jì)數(shù)對(duì)波長(zhǎng)分辨率測(cè)量影響規(guī)律、標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及VITESS軟件模擬輔助實(shí)驗(yàn)等相關(guān)研究發(fā)展和豐富了機(jī)械速度選擇器標(biāo)定技術(shù)及中子飛行時(shí)間方法在反應(yīng)堆上的應(yīng)用。待冷源投入運(yùn)行后再次開展機(jī)械速度選擇器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)方面研究漏計(jì)數(shù)對(duì)波長(zhǎng)分辨率測(cè)量精度影響規(guī)律，同時(shí)繼續(xù)拓展中子飛行時(shí)間方法在反應(yīng)堆上的應(yīng)用。

表6 0.400、1.189 nm波長(zhǎng)二維可調(diào)狹縫中子通量密度調(diào)節(jié)效果Table 6 Demonstration of two-dimensional changeable slit on neutron flux density adjustment at wavelengthsof 0.400 and 1.189 nm