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间距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：若干片中子吸收层2平行设置，每片中子吸收层2的上、下方均固定有调整柱3；调整滑块4，为一中空框结构，设置于若干片中子吸收层2外部；其中，该调整滑块4的上、下表面均设置有与中子吸收层2对应数量的调整槽5，各个调整槽5之间的间距沿着中子吸收层平行设置的方向呈渐变分布，中子吸收层2的调整柱3伸入该调整槽5内；以及驱动结构，用于驱动该调整滑块4沿着中子吸收层2平行设置的方向进行移动，以改变调整柱3在调整槽5中所处的位置使中子吸收层2的间距发生变化，从而实现中子发散角的连续调节。

在本公开的一些实施例中，调整滑块4安装于滑轨6上，可沿着滑轨6进行移动；调整滑块4与一带正反向螺纹丝杠7连接，在驱动结构的作用下，调整滑块4在带正反向螺纹丝杠7上移动来实现沿着滑轨6的移动。

在本公开的一些实施例中，滑轨6固定于固定支架8上；带正反向螺纹丝杠7固定于固定支架8上；每片中子吸收层2安装于中子吸收层边框1上，每个中子吸收层边框1的上、下方均固定设置有调整柱3，中子吸收层边框1与固定支架8相连接。

在本公开的一些实施例中，发散角连续可调的中子准直器结构，还包括：定位结构，用于调整滑块4的定位。

在本公开的一些实施例中，定位结构为绝对编码器，该绝对编码器安装于固定支架8上。

在本公开的一些实施例中，发散角连续可调的中子准直器结构，还包括：运动控制系统，通过控制驱动结构实现对调整滑块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调整滑块4的位置信息。

在本公开的一些实施例中，驱动结构为伺服电机，该伺服电机安装于固定支架8上。

在本公开的一些实施例中，调整滑块4的个数为2，两个调整滑块4相对设置，且两个调整滑块4上的调整槽5分布沿着中子吸收层2法线的方向轴对称分布。

根据本公开的另一个方面，提供了一种发散角的标定方法，用于标定本公开提到的任一种中子准直器结构，该标定方法包括：将调整滑块4移动至某一位置，并记录下调整滑块4的位置和对应的中子发散角；以及通过获取调整滑块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调整滑块4位置的对应关系曲线，实现标定。

在本公开的一些实施例中，通过定位结构确定调整滑块4的位置；通过数据采集系统记录调整滑块4的位置和对应的中子发散角；通过运动控制系统控制调整滑块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间距实现发散角连续可调的中子准直器结构，通过设置可移动的调整滑块，在调整滑块上设置间距渐变分布的调整槽，该调整槽与平行设置的若干片中子吸收层对应，每片中子吸收层上的调整柱(固定不动)在调整滑块移动(调整滑块移动)过程中，调整柱对应调整槽的不同位置，从而改变中子入射方向对应的中子吸收层间距，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)通过设置两个调整滑块，并使两个调整滑块相对设置，即两个调整滑块上的调整槽分布沿着中子吸收层法线的方向轴对称分布，进一步优化了中子吸收层间距调整的便利性和精确度；

(3)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调整滑块的位置，进而达到调节中子准直器结构的中子发散角的作用。

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示意图。

图2为如图1所示的中子准直器结构中的一片中子吸收层的结构示意图。

图3为如图1所示的中子准直器结构中的调整滑块的俯视图。

图4为根据本公开一实施例所示的调整滑块的立体结构示意图。

图5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实现中子吸收层间距连续调节的原理示意图。

【符号说明】

1-中子吸收层边框；2-中子吸收层；

3-调整柱；4-调整滑块；

5-调整槽；6-滑轨；

7-带正反向螺纹丝杠；8-固定支架；

9-伺服电机和编码器。

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，通过设置可移动的调整滑块，在调整滑块上设置间距渐变分布的调整槽，该调整槽与平行设置的若干片中子吸收层对应，每片中子吸收层上的调整柱(固定不动)在调整滑块移动(调整滑块移动)过程中，调整柱对应调整槽的不同位置，从而改变中子入射方向对应的中子吸收层间距，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。

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，“调整滑块相对设置”的含义是指调整滑块上的调整槽呈镜面对称分布；术语“调整柱”和“调整槽”为相应的设置，二者有一个发生相对运动即可，在一些实施例中，“调整柱”本身不会移动，“调整槽”会随着“调整滑块”实现移动，从而“调整柱”与“调整槽”二者的相对位置发生改变，实现调整中子吸收层间距的功能。

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：若干片中子吸收层2平行设置，每片中子吸收层2的上、下方均固定有调整柱3；调整滑块4，为一中空框结构，设置于若干片中子吸收层2外部；其中，该调整滑块4的上、下表面均设置有与中子吸收层2对应数量的调整槽5，各个调整槽5之间的间距沿着中子吸收层平行设置的方向呈渐变分布，中子吸收层2的调整柱3伸入该调整槽5内；以及驱动结构，用于驱动该调整滑块4沿着中子吸收层2平行设置的方向进行移动，以改变调整柱3在调整槽5中所处的位置使中子吸收层2的间距发生变化，从而实现中子发散角的连续调节。

其中，中子吸收层2的片数根据实际需要进行相应的设置，本公开不限制中子吸收层的个数，当然，本领域技术人员可知，中子吸收层最少为2片。

在一优选实施例中，调整滑块4的个数为2，两个调整滑块4相对设置，且两个调整滑块4上的调整槽5分布沿着中子吸收层2法线的方向轴对称分布，如图1和图5所示。

下面结合附图来详细介绍本公开的实施例所示的发散角连续可调的中子准直器结构的各个部分以及实现发散角连续调节的原理。

图2为如图1所示的中子准直器结构中的一片中子吸收层的结构示意图。

参照图2所示，本实施例中，每片中子吸收层2安装于中子吸收层边框1上，中子吸收层边框1起到支撑和固定中子吸收层2的作用，中子吸收层边框1与固定支架8相连接。每个中子吸收层边框1的上、下方均固定设置有调整柱3，该调整柱3与调整槽5之间的相对位置改变会调节各片中子吸收层2之间的距离。图1和图2中以2个调整滑块，每片中子吸收层2的上、下方均固定有两个调整柱3进行示意，在实际器件结构中，根据需要可以进行灵活设置，本公开不限制调整滑块及调整柱的个数。

图3为如图1所示的中子准直器结构中的调整滑块的俯视图。图4为根据本公开一实施例所示的调整滑块的立体结构示意图。

结合图1、图3和图4所示，在一实施例中，调整滑块4，为一中空框结构，设置于若干片中子吸收层2外部；其中，该调整滑块4的上、下表面均设置有与中子吸收层2对应数量的调整槽5，各个调整槽5之间的间距沿着中子吸收层平行设置的方向呈渐变分布。如图1所示，中子吸收层2的调整柱3对应伸入该调整槽5内。

如图1所示，本实施例中，调整滑块4安装于4根滑轨6上，可沿着滑轨6进行移动；调整滑块4与一带正反向螺纹丝杠7连接，在驱动结构的作用下，调整滑块4在带正反向螺纹丝杠7上移动来实现沿着滑轨6的移动。如图4所示，对应在调整滑块4上设置有6个穿孔，其中，处于4个角上的穿孔用于安装滑轨6；中间的一个穿孔用于安装带正反向螺纹丝杠7。

当然，滑轨6的个数也可以根据实际需要进行灵活调整，不局限于本实施例。

在本公开的一些实施例中，驱动结构为伺服电机，该伺服电机安装于固定支架8上。

在本公开的一些实施例中，发散角连续可调的中子准直器结构，还包括：定位结构，用于调整滑块4的定位。例如，定位结构为编码器，优选绝对编码器，该绝对编码器安装于固定支架8上。在一些实施例中，绝对编码器安装于伺服电机上，与伺服电机一起安装于固定支架8上，因此，为了简化示意，将伺服电机(驱动结构)和编码器(定位结构)一并示意，图1中以标号9示意伺服电机和编码器。

需要说明的是，实现调整滑块4移动的结构不局限于上述实施例，任何能够实现调整滑块4可移动的结构均在本公开的保护范围之内。

在本公开的一些实施例中，发散角连续可调的中子准直器结构，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实现对调整滑块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调整滑块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实现对调整滑块4的移动控制。比如，运动控制系统可以通过电脑远程控制伺服电机精密转动从而精确地控制可移动的调整滑块的位置，进而达到调节中子准直器结构的中子发散角的作用。

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，从而实现对调整滑块的移动控制。

在一优选实施例中，调整滑块4的个数为2，两个调整滑块4相对设置，且两个调整滑块4上的调整槽5分布沿着中子吸收层2法线的方向轴对称分布，进一步优化了中子吸收层间距调整的便利性和精确度，如图1和图5所示。

在一实例中，如图1所示，两个调整滑块4按照调整槽5分布疏的一侧相对，分布密的一侧背对，往外(图1中右侧沿着y的方向为外，左侧沿着y的负方向为外)同时移动两个调整滑块4，实现间距的调小，往里同时移动两个调整滑块4，实现间距的调大。

图5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实现中子吸收层间距连续调节的原理示意图。

为了简化附图达到强调重点的目的，在原理图图5中，以调整滑块中调整槽5单独进行示意，有的部分进行了放大处理(比如调整柱)且只示意中子吸收层2上方的调整柱3(下方的调整柱与调整滑块下表面的调整槽对应，不作示意)，本实施例中，对应有2个调整滑块相对设置，两个调整滑块4上的调整槽5分布沿着中子吸收层2法线的方向轴对称分布，图5中以点划线示意中子吸收层的法线的方向，图5中以其中一个调整滑块的上表面的调整槽5与中子吸收层2上方的调整柱进行原理说明。图5中，双箭头示意两个调整滑块可以沿着中子吸收层2平行设置的方向进行移动。同时为了说明原理，图5中刻意将调整槽远离调整柱，以虚线示意二者相对关系，实际结构中，调整柱会沿着竖虚线(附图中的上下方向)伸入调整槽里面。

如图5所示，当调整滑块处于某一位置时，调整柱3会处于调整槽5的某一位置，例如：平行设置的中子吸收层的调整柱3相对于此时的调整滑块来说位于a-a线上，各个调整柱3的位置如图5中两条虚线交叉的位置所示，随着调整滑块的位置沿着双箭头进行移动，由于各个调整槽5之间的间距沿着中子吸收层平行设置的方向呈渐变分布，平行设置的中子吸收层的调整柱3相对于此时的调整滑块对应的a-a线的位置相对发生变化，对应各个交叉点之间的距离也发生变化，即通过改变调整柱3在调整槽5中所处的位置使中子吸收层2的间距发生变化，从而实现中子发散角的连续调节。另外，设置两个调整滑块相对设置，两个调整滑块中调整槽分布密(或分布疏)的一侧与另一个调整滑块中调整槽分布密(或分布疏)的一侧相对，只需同时往里或往外同时调整两个滑块移动相同的距离即可，进一步优化了中子吸收层间距调整的便利性和精确度。

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中子准直器结构，该标定方法包括：将调整滑块4移动至某一位置，并记录下调整滑块4的位置和对应的中子发散角；以及通过获取调整滑块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调整滑块4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(比如绝对编码器)确定调整滑块4的位置；通过数据采集系统记录调整滑块4的位置和对应的中子发散角；通过运动控制系统控制调整滑块4移动至不同位置。

在一实例中，在使用之前，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(测试方法参照文献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与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待测试中子准直器结构由-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的中子发散角；

(五)改变待测试中子准直器结构中中子吸收层的间距，通过改变调整滑块的位置实现改变中子吸收层的间距，并重复上面的测试步骤测出不同中子吸收层间距时的中子发散角。记录下不同中子吸收层间距相应的调整滑块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)标定完成后可以将准直器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，将发散角连续可调的中子准直器结构的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间距实现发散角连续可调的中子准直器结构，通过设置可移动的调整滑块，在调整滑块上设置间距渐变分布的调整槽，该调整槽与平行设置的若干片中子吸收层对应，每片中子吸收层上的调整柱(固定不动)在调整滑块移动(调整滑块移动)过程中，调整柱对应调整槽的不同位置，从而改变中子入射方向对应的中子吸收层间距，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；通过设置两个调整滑块，并使两个调整滑块相对设置，即两个调整滑块上的调整槽分布沿着中子吸收层法线的方向轴对称分布，进一步优化了中子吸收层间距调整的便利性和精确度；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调整滑块的位置，进而达到调节中子准直器结构的中子发散角的作用。

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。