一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统及设计方法

本发明涉及中子光学仪器的，特别涉及一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统及设计方法。

背景技术：

1、小角中子散射谱仪是一种利用弹性中子小角散射技术表征材料纳米尺度到中尺度结构的成熟稳定的装置。考虑到散裂源、反应堆中子源等中子源的安全管理和技术难度，基于大型源的中子散射技术发展和推广应用受到较多限制。因此近年来小型加速器中子源受到了广泛地关注和发展以满足材料科学、化学、生物学、凝聚态物理和其他领域的小角中子散射实验的需求。

2、中子流强与有效集光面积密切相关，有效集光面积由几何集光面积和镜面反射率组成，增加几何集光面积通常通过不同聚焦器件的结构优化设计来实现，主要表现形式为多通道导管聚焦、多段连接式导管聚焦、嵌套式聚焦等；提高镜面反射率通常通过在基板上镀制中子超镜涂层来实现，主要表现形式为镍膜、镍铁膜、镍钛膜等。国内外相关的发明及文章有——专利1：一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系统(申请号：cn202211030012.x)公开了一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系统，将八个镀有超镜系数m≥3、临界反射率rc≥90％镍钛多层膜的montel型中子超镜进行环形布置，共焦点精密对准，使不同的物有共同的像，但其两次反射且几何集光面积拓展不足依旧导致中子增益较低。专利2：一种中子导管(cn201921767208.0)公开了一种中子导管，该中子超镜导管为多段，多段镀有镍铁膜的中子超镜导管依次连接形成导管本体，但其单通道集光能力不足以及连接方式复杂。文章1：gubarev等人(链接：https://doi.org/10.1016/j.nimb.2007.09.041)通过对嵌套式wolter镜进行镀镍，在中子波长上实现了不少于8倍的增益，虽然其通过嵌套结构增加了几何集光面积，但其未镀制更高m值的中子超镜使得中子增益的表现依旧不足。同时，以上发明及文章在结构设计上均未从与实际中子束线相符的面光源和宽谱出发进行优化，且未将中子聚焦增益和谱仪精度耦合设计，使聚焦系统没有在理论上实现最优化。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统及设计方法，同时实现高增益和高分辨率，所设计的新型聚焦系统可以满足小型加速器中子源的小角中子散射谱仪应用需求。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，包括：

2、物面光源、设置于物面光源一侧的聚焦镜、设置于聚焦镜一侧的样品光阑、设置于样品光阑中的样品及设置于样品光阑一侧的像面探测器；

3、聚焦镜包括芯轴及均匀固定于芯轴外表面一圈的多个镜面组件，每个镜面组件之间间隔设置；

4、聚焦镜靠近物面光源的一侧面上设置有碳化硼遮光板，该聚焦镜通过碳化硼遮光板提高系统信噪比。

5、优选的，该镜面组件包括多层全环形六扇区四段锥面拼接的类椭球镜，多个类椭球镜之间通过五根石墨条支撑并用环氧树脂胶固定。

6、一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统设计方法，包括以下步骤：

7、s1、根据小角散射谱仪的建设要求及聚焦复合结构，确定谱仪聚焦系统的可优化参数及外部输入条件；

8、s2、建立谱仪聚焦系统几何模型，将几何模型建模参数添加到几何模型相应位置，获得可优化谱仪聚焦系统基础模型；

9、s3、根据现有基础模型通过焦斑公式推导和放大率优化并基于紧密嵌套及高信噪比结构原则，多参数遍历计算出聚焦镜不同参数组在不同系统输入参数下所对应的全部中子流强数据；

10、s4、找到最大中子流强对应的参数组及对应的最优系统输入参数光源半径s1和放大率m，作为小角中子散射谱仪的设计参数；

11、s5、根据最优参数建立谱仪聚焦系统的完整模型，利用光线追迹法对该聚焦系统进行性能模拟以表征其高增益和高分辨率的特征。

12、优选的，步骤s1中可优化参数包括物像距、放大率、入射中子波谱、镜面镀制材料及临界反射率、光源尺寸、发散角、最小波矢转移量、镜半径、嵌套层数、镜长及遮光面积比例，确定其中的外部输入条件用于聚焦系统基础模型建立，确定其中的可优化参数用于多参数优化。

13、优选的，步骤s3中参数遍历计算过程还包括以下步骤：确定聚焦镜最外层半径r1m，由外向内依次推导各层参数，r1m选取范围由掠入射角确定，且r1m范围包括仅接收最远的离轴光源点的最大波长中子到接收任意光源源点任意波长的所有中子；在物面光源的基础上，对于任意光源半径s1，相邻层应尽可能靠近且完全不遮挡类椭球镜上的入射和反射中子，会有部分中子不反射而直接穿过嵌套层；与样品孔径相接的样品光阑完全遮挡这些直穿中子，即样品光阑和样品轴向位置需比最内层直穿中子束内测与最外层反射中子束外侧轴向交点位置靠近像面探测器；得到任意光源半径s1和最优放大率m下不同最外层镜半径r1m和嵌套层数n参数组构成的紧密嵌套高信噪比聚焦镜所对应的所有中子流强数。

14、优选的，系统中相对独立的参数放大率m，通过建立单波长单层准椭球镜结构，对于不同光源半径s1，利用谱仪所需最小波矢转移量qmin约束聚焦镜位置即放大率m，获得不同光源半径s1对应的最佳聚焦位置，根据谱仪需求优先确定聚焦镜位置。

15、优选的，通过可变尺寸的物面光源和可移动的样品光阑实现最大化样品处中子流强下的紧密嵌套高信噪比聚焦镜的结构设计，聚焦镜中相邻之间的类椭球镜相互靠近且完全不遮挡类椭球镜上的入射和反射中子，保证每层类椭球镜之间直穿中子不入射到样品4上。

16、本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)充分结合中子超镜磁控溅射技术和薄圆柱玻璃基板集成装配技术，在结构上提出并实现了高精度轻质金属芯轴11-镀有中子超镜的锥面近似薄镜片8-高粘度环氧树脂胶9-高精密石墨条10的复合聚焦结构，使大m值超镜和多层嵌套耦合的系统可用于中子高效聚焦，为基于小型源的小角散射谱仪同时满足高增益和高分辨率打下基础；(2)在满足谱仪精度的前提下，充分考虑谱仪应用实际条件中的可变尺寸光源1和宽谱后对聚焦结构进行优化设计，可以实现最大化样品4处中子流强，弥补了传统理想点光源、单能中子系统设计的不足，聚焦结构同时满足紧密嵌套和高信噪比；(3)提供了由可优化参数及外部输入条件组成的锥面近似准椭球镜焦斑理论半径公式及其推导思路，并通过系统放大率与聚焦镜位置之间优化，提供谱仪所需最佳聚焦镜位置的设计思路，为中子光学系统设计提供了一种完整的新型设计方法；(4)利用光线追迹法高精度模拟在点光源和面光源下聚焦中子束流在焦面的强度分布情况，同时对于基于面光源的设计结果，模拟出了最优光源尺寸下聚焦镜的能谱增益，为中子聚焦系统提供了一种更完善的性能模拟评价体系。

技术特征：

1.一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，该镜面组件包括多层全环形六扇区四段锥面拼接的类椭球镜(8)，多个类椭球镜(8)之间通过五根石墨条(10)支撑并用环氧树脂胶(9)固定。

3.如权利要求1-2所述的任一的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，步骤s1中可优化参数包括物像距、放大率、入射中子波谱、镜面镀制材料及临界反射率、光源尺寸、发散角、最小波矢转移量、镜半径、嵌套层数、镜长及遮光面积比例，确定其中的外部输入条件用于聚焦系统基础模型建立，确定其中的可优化参数用于多参数优化。

5.如权利要求4所述的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，步骤s3中参数遍历计算过程还包括以下步骤：确定聚焦镜最外层半径r1m，由外向内依次推导各层参数，r1m选取范围由掠入射角确定，且r1m范围包括仅接收最远的离轴光源点的最大波长中子到接收任意光源源点任意波长的所有中子；在物面光源(1)的基础上，对于任意光源半径s1，相邻层应尽可能靠近且完全不遮挡类椭球镜(8)上的入射和反射中子，会有部分中子不反射而直接穿过嵌套层；与样品孔径相接的样品光阑(3)完全遮挡这些直穿中子，即样品光阑(3)和样品(4)轴向位置需比最内层直穿中子束内测与最外层反射中子束外侧轴向交点位置靠近像面探测器(5)；得到任意光源半径s1和最优放大率m下不同最外层镜半径r1m和嵌套层数n参数组构成的紧密嵌套高信噪比聚焦镜(2)所对应的所有中子流强数。

6.如权利要求5所述的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，系统中相对独立的参数放大率m，通过建立单波长单层准椭球镜结构，对于不同光源半径s1，利用谱仪所需最小波矢转移量qmin约束聚焦镜位置即放大率m，获得不同光源半径s1对应的最佳聚焦位置，根据谱仪需求优先确定聚焦镜位置。

7.如权利要求6所述的一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统，其特征在于，通过可变尺寸的物面光源(1)和可移动的样品光阑(3)实现最大化样品(4)处中子流强下的紧密嵌套高信噪比聚焦镜(2)的结构设计，聚焦镜(2)中相邻之间的类椭球镜(8)相互靠近且完全不遮挡类椭球镜(8)上的入射和反射中子，保证每层类椭球镜(8)之间直穿中子不入射到样品4上。

技术总结
本发明公开了一种基于中子超镜的嵌套式全环形准椭球聚焦系统及设计方法，包括：物面光源、设置于物面光源一侧的聚焦镜、设置于聚焦镜一侧的样品光阑、设置于样品光阑中的样品及设置于样品光阑一侧的像面探测器；聚焦镜包括芯轴及均匀固定于芯轴外表面一圈的多个镜面组件，每个镜面组件之间间隔设置；聚焦镜靠近物面光源的一侧面上设置有碳化硼遮光板，该聚焦镜通过碳化硼遮光板提高系统信噪比。根据本发明，同时实现高增益和高分辨率，所设计的新型聚焦系统可以满足小型加速器中子源的小角中子散射谱仪应用需求。

技术研发人员：张众,王占山,宋文韬,余俊,王昆,伊圣振,黄秋实
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15