中子譜儀標(biāo)定測試平臺(tái)設(shè)計(jì)及其探測系統(tǒng)預(yù)制研究.pdf

1、為開展中子散射方法對(duì)特殊材料的定量分析、中子散射譜儀部件研發(fā)及基準(zhǔn)測試的研究，從而推進(jìn)我國中子散射技術(shù)的發(fā)展，并滿足國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對(duì)自主研發(fā)的中子散射譜儀關(guān)鍵部件進(jìn)行檢測的需求，中國工程物理研究院擬建設(shè)一臺(tái)中子標(biāo)定測試束流裝置。針對(duì)此重大需求，本文提出一種基于反應(yīng)堆中子源的中子譜儀標(biāo)定測試平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)，并針對(duì)其探測器系統(tǒng)展開預(yù)制研究工作。
　　首先利用蒙特卡洛程序VITESS對(duì)裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，然后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其光路以

2、及主要部件的物理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。裝置具有中子波長在0.1～0.3nm之間連續(xù)可調(diào)、中子/X射線/γ射線可同步分析等優(yōu)點(diǎn)。安裝在監(jiān)視器和樣品臺(tái)之間的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)成可拆卸結(jié)構(gòu)，未安裝準(zhǔn)直器時(shí)，裝置工作于高通量模式，此時(shí)樣品臺(tái)處中子（波長0.1nm）束流強(qiáng)度可達(dá)6.15×106n/cm2·s;安裝準(zhǔn)直器時(shí)，裝置工作于較高分辨模式（分辨率可達(dá)0.2％），此時(shí)樣品臺(tái)處中子（波長0.1nm）束流強(qiáng)度可達(dá)2.07×106n/cm2·s。
　　裝置的

3、監(jiān)視器系統(tǒng)和狹縫系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)加工，監(jiān)視器系統(tǒng)采用基于氣體倍增原理的探測器設(shè)計(jì)思路，最大計(jì)數(shù)率可達(dá)108/cm2·s，中子透過率大于95％;狹縫系統(tǒng)通過四組電機(jī)帶動(dòng)四組中子屏蔽刀片水平/垂直方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗口尺寸的調(diào)整。最大窗口尺寸10×100mm2，最小窗口尺寸為全封閉狀態(tài)。每組刀片線性移動(dòng)精度可達(dá)0.01mm，當(dāng)狹縫處于全關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，中子透過率小于0.02％。裝置的單色器系統(tǒng)和樣品臺(tái)系統(tǒng)已完成工程設(shè)計(jì)，單色器系統(tǒng)采用垂直聚焦模式，聚

4、焦半徑在1.5～4m范圍內(nèi)可調(diào)，單色器安裝在一個(gè)具有多自由度移動(dòng)能力的轉(zhuǎn)臺(tái)上，它可隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)晶面之間可選和起飛角可調(diào)的目的。樣品臺(tái)具有大尺寸、大承重和多自由度移動(dòng)等特點(diǎn)，方便同環(huán)境加載設(shè)備或Kappa測角儀配合使用，使之升級(jí)成為一臺(tái)具有多物理場耦合環(huán)境加載能力的中子織構(gòu)分析譜儀。
　　作為裝置核心部件，探測系統(tǒng)的性能直接影響到裝置的整體指標(biāo)。為了克服全球3He氣源緊缺這一困局，本文研制出一種新型基于10B薄膜的中子位

5、置靈敏探測器。作為原理性驗(yàn)證，第一版探測器采用單層10B薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，其有效面積為100×100mm2，基于延遲線方法讀出。針對(duì)上述新型探測器的特征參數(shù)，提出一種基于時(shí)間差的讀出電子學(xué)方法，包括前置放大器、恒比定時(shí)甄別器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)獲取軟件等部分。其中前置放大器基于互阻原理設(shè)計(jì)，可處理雙極性信號(hào)，具有信噪比高且增益自動(dòng)控制等特點(diǎn)。陽極前放為單路設(shè)計(jì)，同相輸出;讀出條（絲）前放為四路設(shè)計(jì)，反相輸出。經(jīng)前放處理后的輸出信號(hào)

6、上升沿時(shí)間小于50ns，信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于500ns，信噪比優(yōu)于20dB。恒比定時(shí)甄別器采用飛利浦公司的NIM715模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊為負(fù)極性輸入，具有同時(shí)處理5路信號(hào)的能力。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路采用ASIC+FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，核心器件為TDC-GPX芯片?？赏瑫r(shí)處理8路含有時(shí)間信息的信號(hào)，時(shí)間精度可達(dá)81ps。同時(shí)，文中還介紹了數(shù)據(jù)獲取軟件的設(shè)計(jì)過程，該軟件安裝在上位機(jī)中，與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路通過千兆以太網(wǎng)通訊。軟件具有數(shù)據(jù)再分析以及中子入射位