中子脈衝

在穩態反應堆上獲取飛行時間方法所需的脈衝中子束流, 通常採用斬波器( Chopper)將連續中子束切割為一系列寬度相等的中子脈衝束的方法。斬波器一般採用對中子不透明的中子吸收材料 ,並做成高速旋轉的柱狀體或圓盤,上面留有一條或多條可以讓中子通過的狹縫, 當狹縫轉到中子束位置時便給出一個中子脈衝。常見的斬波器有轉盤式、直縫 Fermi 轉子式、曲縫Fermi 轉子式等。中子的飛行時間方法建立了波長-時間的空間體系,在中子無損傷探測技術中,發揮著其特有的作用。

基本介紹

• 中文名：中子脈衝
• 外文名：neutron pulse
• 來源：光學
• 性質：微觀顆粒現象
• 學科：核物理

內容簡介

中子散射已經被證明是用來研究材料微觀、磁結構以及微觀動力學性質的準確性手段，隨著中子散射技術的蓬勃發展，飛行時間技術作為一種重要的方法也得到了越來越多的關注。相應的，對作為譜儀關鍵部件的中子斬波器的精度要求也越來越高。中子斬波器性能的優劣，與中子束流的初始束流特性好壞有很大的關係。初始脈衝的脈衝時間偏差、發散度、注量率等都直接影響著最終的束流特性。因此，中子斬波器初始脈衝產生的好壞，直接決定著中子斬波器的性能。多數飛行時間模式中子散射譜儀採用的是轉盤式中子斬波器，不同的轉盤式中子斬波器模型主要在斬盤數目、斬盤視窗、視窗大小、盤間距、轉速等物理參數的不同。

斬盤產生的中子脈衝特性

單盤產生的脈衝性能

（1）結構設計

對於轉盤式中子斬波器，中子束流脈衝的產生是採用一個帶有若干個視窗的中子斬盤。產生束流脈衝的中子斬盤結構示意圖如右圖所示。圖中陰影部分為斬盤視窗，w 為斬盤視窗邊緣弧線長，斬盤半徑為 R，視窗高度為 h。

單斬盤結構示意圖

（2）模擬計算結果

為節省計算時間和便於分析，採用只有單個斬窗的簡單旋轉盤作為計算模型。對於多斬窗的中子斬盤，相對的中子束流脈衝更多，但對於特定斬窗以及轉速的情況下，產生的中子束流脈衝特性是一樣的。斬盤的基本物理參數見表 1，計算考慮的是較為理想的電動馬達，沒有考慮斬盤轉速偏差。

從計算結果來看，中子脈衝注量率基本上與斬盤視窗弧線長 w 成線性關係，隨著斬盤視窗弧線長 w 的增大而增大。這與斬窗設計的物理初衷是一致的，在入射中子束流強度一定的情況下，脈衝注量率基本上與中子束流所通過的時間成正比。在轉速一定的情況下，脈衝束流時間與斬盤視窗弧線長 w 是成線性關係的。從計算結果來看，斬盤產生的中子脈衝的束流發散度隨著斬盤視窗弧線長w 增大而增大。曲線有一定的波動 , 這主要是由計算誤差以及高斯擬合誤差帶來的。

單斬盤計算輸入參數

異向旋轉雙斬盤

（1）結構介紹

異向雙盤中子脈衝產生的計算模型如右圖所示。圖中陰影部分為斬盤視窗，斬盤視窗間不存在位相差。為了便於描述，分別將前後的兩個斬盤稱作“1 #”和“2 #”斬盤。對任意一個中子斬盤來說，其基本結構與上圖中的單脈衝產生盤完全類似。相對於單脈衝產生盤，雙盤的結構相對來說要複雜一些，可變物理參數也多一些。圖中d為雙盤間距，雙盤轉動方向相反，轉速分別用 ±ω來表示。

雙斬盤結構示意圖

（2）模擬計算結果

計算模型的基本物理參數見表2。當 w₂ ≤34mm 時 , 模擬得到的中子脈衝強度隨著第二斬盤視窗w₂的增大而增大；當 w 2 >34 m m 時候，中子束流脈衝強度基本上沒有變化，曲線微小的波動可能是計算誤差造成的。由第二斬盤視窗大小不同時脈衝中子注量率與雙盤間距變化的函式關係可知，w₂=34 mm 斬出的中子脈衝強度要比 w₂ =4 mm 大得多。產生的脈衝注量率都隨著雙盤間距的增大而減小，並且在初始階段，下降較快。

注量率計算的雙斬盤模型輸入參數

從模擬計算結果可以看出，w₂ =34 mm 斬出的中子脈衝束流發散度要比 w₂ =4 mm 大一些。兩種模型下模擬計算得到的結果都表明，隨著雙盤間距的增大，中子脈衝束流的發散度都呈下降趨勢。相對來說，w₂ =34 mm 的計算模型下，中子脈衝束流發散度的下降趨勢要緩和一些。為了更為直觀地比較，中子脈衝束流發散都採用了高斯擬合。

誤差分析

（1）單斬盤產生的脈衝

針對中子單斬盤來說，產生的誤差除與斬盤物理參數本身的一些誤差有關外，入射中子束流截面與斬窗的尺寸之間的匹配也是產生脈衝誤差的一個原因。單斬盤脈衝視窗產生的誤差主要是由於脈衝時間造成的。對於波長
為 λ_a 的中子，在 0 時刻進入與 t_D 時刻進入，顯然到達探測器的時間是不同的，在處理時，判定中子波長時，是根據反演由飛行時間確定波長的過程，因此，造成了波長確定的誤差。脈衝時間產生的誤差可在斬波器以及前端入射中子束流設計匹配上綜合考慮，儘可能地降低誤差。由於入射中子束流的發散以及考慮到中子通量的問題，時間差 t_CB處理起來相對複雜些，由於數值比較小，通常情況下都是採用周期 T 作為斬窗在入射中子束流中的時間。

（2）異向雙斬盤產生的脈衝

對於同時刻進入的中子束流脈衝，部分長波長的中子被吸收，從而改變了原入射中子束流的波譜，相對的短波中子通量要大一些，強度也要高一些。對於雙斬盤完全一致的脈衝斬盤，對於某一特定波長的中子，由於進入斬盤視窗時刻不同，所處位置不同，相應地決定著能否從雙斬盤中飛出，從而誤差的分析處理相對於單斬盤更為複雜。實際使用過程中，部分設計者為了提高中子通量，通常將第二斬盤的張角寬度設計的比前一斬盤張角大，而且設計多個斬盤視窗，從而提高中子通過率。