（粒子物理与原子核物理专业论文）高分辨粉末中子衍射谱仪的设计和部分硬件的研制.pdf

四j i i 大学硕士学位论文 设计和部分硬件的研制 y7 7 5 8 9 1 研究生谢超美 专业：粒子物理与原子核物理 中文摘要 指导教师徐家云 中子衍射是研究凝聚态物质中原子空间排列结构的重要实验手段。在衍射 技术中，使用得最多、最广泛的是粉末衍射方法。中予衍射能够精确测定材料 中轻原子的位置，具有分辨原子序数相近的原子和同位素的本领；中子有磁矩， 中子衍射能够直接测定材料中的微观磁结构；中子的散射振幅不随散射角的增 大而衰减，可以在大散射角范围收集衍射数据；中子穿透力强，吸收修正小， 可以使用大样品，得到体效应和好的统计，有利于获得更高精度的结果。正是 这些特点，使中予衍射不仅只是在一般意义上与x 射线衍射互相补充和配合， 而且提供了材料更完整的结构信息，因此中子衍射技术在物理、化学、生物、 材料学科等研究领域中得到了广泛的应用。本文从新堆的设计通量的几何出 发，得到了我院以后要建的高分辨粉末中子衍射仪的选型、基本物理指标、结 构类型、主要组成部件的物理以及几何参数等技术指标，并在谱仪的关键部件 研制和设计上做了大量工作。本项研究主要取得了以下成果： 第一，基于h e w a t 博士提出的粉末衍射谱仪基本的设计概念，从结构研 究需要的分辨函数出发，选择谱仪各部分的参数，使谱仪的仪器分辨函数与结 构研究需要的分辨函数在尽可能大的散射角范围内匹配，在给定堆的设计通量 和特定的几何条件下，利用中子几何光学方法设计出了谱仪的波长、起飞角、 第一、第二、第三准直器等部件的物理指标，通过对这些指标与谱仪的分辨率、 能获得的中予强度相关性等的研究，得到了谱仪的优化设计参数。 第二，研制了谱仪关键部件之一s o l l e r 中子准直器，对制作工艺和参 数测试的方法作了详细描述，测量了它的准直角、中子透射率、高斯分布的中 子透射曲线。利用蒙特卡罗计算对目前工艺条件下的中子准直器的进行了优化 设计，提出了优化设计参数。 心川大学坝士学位记又 第三，以蒙特卡洛方法为基础的m c s t a s 射线追踪模拟计算软件进行谱 仪和聚焦单色器设计的模拟计算。针对设计的粉末衍射谱仪，使用m e t a 语言 编制子程序虚拟一台谱仪进行初步计算，计算出锗聚焦单色器的大小尺寸、倾 角和焦距的优化值，以及样品处束流强度、聚焦单色器强度增益等重要参数。 第四，通过对谱仪硬件的工作原理、机械运动系统、数据获取与控制系统 的各功能的描述，设计了该衍射谱仪6 4 路数据获取与控制系统的电路原理、 前级放大器、主放大器、集成高压电源等硬件、编写了系统工作的逻辑框图， 并实施以单片机为核心的控制硬件和软件两部分组成硬软件系统的研制。 本文在高分辨粉末中子衍射谱仪设计、关键部件、数据获取与控制系统等 方面的研制探索，在国内高水平中子谱仪的自主设计和研发上作了一些开拓性 的尝试，对国内中子散射技术的发展具有长远的意义。 关键词：高分辨中子粉末衍射谱仪，s o l l e r 准直器，数据获取与控制系统， 聚焦单色器 四川大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e u t r o nd i f f r a c t i o ni sa ne f f e c t i v em e a s u r et od e t e r m i n ea t o ma r r a y si nt h e c r y s t a ls p a c eo fc o n d e n s a t i o nm a t e r i a la n dp o w d e rd i f f r a c t i o ni sb yf a rt h em o s t w i d e l ya p p l i e dd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e n e u t r o nd i f f r a c t i o nc a l lp r e c i s e l yd e t e r m i n e t h ep o s i t i o no fl i g h ta t o m ss ot h a ti tp o s s e s s e sas p e c i a la b i l i t yt od i s t i n g u i s h i s o t o p e sa n da t o m sw i t hc l o s ea t o m i cn u m b e r i tc a nm e a s u r et h em i c r o s t r u c t u r eo f m a g n e t i s mi nv a r i o u sm a t e r i a l st o o ，d u et ot h ee x i s t e n c eo fn e u t r o nm a g n e t i c m o m e n t d i f f r a c t i o nd a t ai nal a r g er a n g eo f d i s p e r s i o na n g l ec a l l b ec o l l e c t e ds i n c e t h ed i s p e r s i o ns w i n go fn e u t r o nd o e sn o ta t t e n u a t ea l o n gw i t l lt h ec h a n g eo f d i s p e r s i o na n g l e b u l ke f f e c t sa n df i n es t a t i s t i c a lr e s u l t sf o rl a r g es a m p l e sc o u l db e o b t a i n e dt h r o u g hn e u t r o nd i f f r a c t i o nd u et ot h es t r o n gt r a n s m i s s i o na b i l i t yo f n e u t r o n s ap o w d e rn e u t r o nd i f f r a c t o m e t e rw i t hh i 曲r e s o l v i n gp o w e ri sr e q u i r e dt o p e r f o r ma b o v ew o r k i nt h ep r e s e n tw o r k ，b e g i n n i n gw i t ht h ef l u xa n ds t r u c t u r e d e s i g n so fn e wr e a c t o r , w ed e v e l o p e das e r i e so fr e s e a r c hw o r ko nan e w l y d e s i g n e dp o w d e rn e u t r o nd i f f r a c t o m e t e rw i t hh i g hr e s o l v i n gp o w e ra n do b t a i n e d c o n s i d e r a b l et e c h n i c a lr e s u l t so nm o d e l s e l e c t i n g , b a s i cp h y s i c a lp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n t s , s t r u c t u r ea n dt y p ed e t e r m i n a t i o na sw e l la so np h y s i c a la n d g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sd e s i g no ft h em a i np a r t s i nt h em e a n t i m e ，s o m ee x p l o i t i n g w o r ko nd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs o m ec r u c i a lp a r t so ft h ed i f f r a c t o m e t e rw e r e a l s 0i n v o l v e d f i r s t l y , b a s e do nt h ec o m m o nd e s i g nn o t i o no f p o w d e rn e u t r o nd i f f r a c t o m e t e r p r e s e n t e db yd r a w h e w a t , p a r a m e t e r so fe a c hp a r to ft h ed i f f r a c t i o ns y s t e m w e r ed e t e r m i n e dt om a t c ht h er e s o l u t i o nf u n c t i o no ft h ed i f f r a c t o m e t e rw i t ht h a t r e q u i r e df o rs t r u c t u r er e s e a r c hi nap o s s i b l yl a r g er a n g eo fs c a t t e r i n ga n g l e t h e w a v e l e n g t ha n dt a k e o f fa n g l eo ft h ed i f f r a c t o m e t e ra n dt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f e v e r yc o l l i m a t o ri nt h es y s t e mw e r ed e s i g n e dt h r o u g hn e u t r o ng e o m e t r yo p t i c m e t h o d ，o nt h eb a s i so far e a c t o rw i t hg i v e nn e u t r o nf l u xa n ds p e c i f i cg e o m e t r y p a r a m e t e r s m o s td e s i g n e dp a r a m e t e r so ft h es y s t e mw e r eo p t i m i z e da f t e ral o to f r e s e a r c hw o r ko nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so fc o l l i m a t o r s a n dt h er e s o l v i n gp o w e ra sw e l la st h ea v a i l a b l en e u t r o ni n t e n s i t yo ft h ed i f f r a c t i o n s y s t e r n s e c o n d l y , t h es o l l e rn e u t r o nc o l l i m a t o r , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t h ed i f f r a c t i o ns y s t e m ，w a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 3 四川大学硕士学位论文 a n dm e t h o d sf o rp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n to ft h ec o l l i m a t o rw e r ed e s c r i b e di n d e t a i l sa n dm e a s u r e m e n t so fc o l l i m a t i n ga n g l e ，n e u t r o nt r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h e t r a n s m i s s i o nc u r v ew i t l lg a u s s i a nd i s t r i b u t i o nw e r ea c c o m p l i s h e d m o n t ec a r l o c a l c u l a t i o nw a sa p p l i e dt op e r f o r mp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fn e u t r o nc o l l i m a t o r t h i r d l y , t h ec i r c u i td e s i g nf o rt h es i x t y f o u rc h a n n e l sd a t aa c q u i r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mu s e di nt h ed i f f r a c t o m e t e rw a sf u l f i l l e da n dh a r d w a r ed e s i g n so f t h e p r e a m p l i f i e ra n dt h em a i na m p l i f i e ra n dt h ei n t e g r a t e dh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y s y s t e mw e r ea c c o m p l i s h e d t h eh a r d w a r ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so ft h e m e c h a n i cs y s t e ma n dt h ed a t aa c q u i r e m e n ta n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw e r ei l l u s t r a t e d t h ew o r k i n g l o g i cd i a g r a mo ft h ed i f f r a c t i o ns y s t e mw a sc o m p i l e da n d d e v e l o p m e n t so f t h ec o n t r o lh a r d w a r es y s t e mb a s e do ns c ma n dt h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r es y s t e mw e r ep e r f o r m e d f i n a l l y , t h eb e a mt r a c i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e ( m c s t a s ) b a s e do nm o n t e c a r l os i m u l a t i o nw a sa p p l i e dt o p e r f o r m s i m u l a t i o na n dd e s i g no ft h e d i f f r a c t o m e t e ra n dt h ef o c a s i n gm o n o c h r o m a t o r as e r i e so fv i t a lp a r a m e t e r s ，s u c h a st h eo p t i m i z e dv a l u e so f d i m e n s i o n ，t i l ta n g l ea n df o c u sl e n g t ho f t h eg e r m a n i u m f o c u s i n gm o n o c h r o m a t o r , t h eb e a mi n t e n s i t yn e a rt h es p e c i m e n sa n dt h ei n t e n s i t y g a i no ft h ef o c u s i n gm o n o c h r o m a t o r , w e r eo b t a i n e dt h r o u g hp r o g r a m m i n gw i t h m e t al a n g u a g ea n dp e r f o r m i n gc a l c u l a t i o na i m i n ga tav i r t u a ld i f f r a c t o m e t e r i nt h e p r e s e n tw o r k ，e x p l o r a t i o n s o n d e s i g n o ft h e p o w d e r n e u t r o n d i f f r a c t o m e t e rw i t hh i 曲r e s o l v i n gp o w e ra n do nd e v e l o p m e n t so ft h ec r u c i a lp a r t s a n dt h ed a t aa c q u i r e m e n ta n dc o n t r o l l i n g s y s t e mw e r ep e r f o r m e d t m sp a p e rs e r v e s a sa c o m p r e h e n s i v er e s o u r c eo fr e f e r e n c e s ，i d e a sa n dd i r e c t i o nf o rd o m e s t i cd e s i g n a n dd e v e l o p m e n to f h i g h l e v e ln e u t r o nd i f f r a c t o m e t e ri n d e p e n d e n t l y k e y w o r d s ：h i 曲r e s o l u t i o nn e u r o n c o l l i m a t o r s ，d a t aa c q u i r e m e n ta n d m o n o c h r o m a t o r 4 p o w d e rd i f f i a c t o m a t e r , s o l l e r c o n t r o l l i n gs y s t e m ，f o c u s i n g 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1 概述 中子衍射技术研究始于二十世纪4 0 年代，在最近二十年得以迅速发展， 硬件技术和应用研究取得了长足的进步。在欧洲、美国、加拿大、日本、澳大 利亚等发达国家和地区，已建立了较多高水平的中子散射实验室。目前世界上 开展中子散射技术研究的反应堆约5 0 座，欧洲2 3 座，美洲8 座，亚太地区1 6 座，俄罗斯3 座。在这些反应堆上，现役的中子散射谱仪数量近3 0 0 台，其中 美国6 6 台、法国5 4 台、。德国3 9 台、英国1 3 台、瑞士2 0 台、日本4 l 台、俄 罗斯2 0 台、澳大利亚7 台、印度7 台、印尼6 台。未来十年内，中子散射技 术仍将有较大的发展，如法国i l l 、澳大利亚的a n s t o 正在着手对他们的中予 散射设备进行升级，美国橡树岭国家实验室正准备新建多套中子散射设备，以 进一步提高他们国家在中子散射技术方面的能力。正在建设的用于中子散射的 中子源有：美国的散裂中子源( s n s ) 计划2 0 0 6 年建成，欧共体的散裂中子源 ( e s s ) ，计划在2 0 0 8 年投入运行，日本的高能所和原子能研究所的散裂中子 源，计划在2 0 0 7 年投入运行，俄罗斯的l o o m y 反应堆也在建设之中。我国科 技界已认识到中子散射技术的落后局势，在国内拟改建的中物院的3 0 0 # 反应 堆( 以下简称新堆) 和正在建设中的北京原子能科学研究院的中国先进研究堆 ( c a r r ) ，都把中子散射技术作为反应堆应用技术的重点之一，近几年内将有 十几台谱仪相继在这两个堆上建成。同时，中国科学院也正在拟建一座中国散 裂中予源( c s n s ) ，将进一步提高国内在中子散射方面的研究能力。 1 2 中子衍射的特点 中子衍射是研究凝聚态物质中原子空间排列结构的重要实验手段。 中子不带电、穿透性强、与物质的作用是核散射，散射长度与物质的z 变化无规则、可区别同位素，对轻元素灵敏，具有磁矩，热中子的能量与被散 射原子的热运动能( 或原子间的振动能) 相当。与x 射线衍射和电子散射相 比较，中子是被原子核散射，其散射振幅随原子序数呈无规则变化，并且对差 不多所有原子，其大小均在可比较的范围内( 见图1 1 ) ，中子衍射能够精确测 定材料中轻原子的位置，具有分辨原子序数相近的原子，甚至同位素的本领( 表 1 】) 。 四川大学硕士学位论文 ,o洳ee罗|y 名屯 4 0 矾v v m ! n t 沁l y |鼠子蠡i o o 。 n n i 图1 1 中子核散射长度随原子量的不规则变化 与此对照的是x 一射线有规律的增长 中子散射有其独特的优点，如对轻元素灵敏、可分辨邻近元素和同位素、 可作磁性材料结构测量等( 见图1 2 ) 。中子散射技术特别适用于对低z 物质 ( 特别是含氢物质) 、高z 元素物质中的低z 元素的精确定位、大块样品微观 结构、需要作封装特种样品的微观结构、样品原位的相变等物理问题进行研究， 其它技术手段( 如x 一射线散射技术或电子散射技术等) 无法胜任这方面的研 究工作。也正因为中子散射技术在物质内部结构的研究中有这样一些特点，因 此它是研究晶体结构、超导、磁性材料、纳米材料、生命大分子物质及武器工 程材料的重要手段。 同时，中子本身具有磁矩，中子衍射能够直接测定材料中的微观磁结构。 此外，中子的散射振幅不随散射角衰减，可以在大散射角范围收集衍射数据： 中子穿透力强，吸收修正小( 如表1 2 ) ，可以使用大样品，得到体效应和好的 统计，这些都有利于获得更高精度的结果。正是这些通常的x 射线衍射所不 具备的特点，使中子衍射不仅只是在一般意义上与x 射线衍射互相补充和配 合，而且提供了材料更完整的结构信息，在解决很多具体的结构问题上，中子 衍射也比x 射线衍射更有利和有效。另外，中子可以穿透较厚的容器，测量 时可利用特殊的样品环境条件，如把样品置于高温、低温、电磁场、高低气压 等环境下测量物质的结构性能变化。因此中子衍射技术在物理、化学、生物材 璺型奎兰堡主兰竺笙壅 料的各种研究领域以及材料科学中得到了广泛的应用。 x 射姥 oo he o 巾子 章o o 囝z 9 q 囝o o 黑兰o s s 辫吾 图1 2 部分元素同位素对于x 一射线和中子的能见度 ( 圆的半径正比于散射振幅b ，用阴影线表示b 为负值) 表1 ，1h 和h 的同位素中子相干散射长度 同位素相干散射长度i 0 2 c m 5 8 n i1 4 4 6 0 n io 3 0 6 1 n io 7 6 6 2 n i一0 8 7 6 4 n i一0 0 3 7 1 h一0 3 7 4 2 h 0 6 6 7 3 ho 4 7 四川丈学硕士学位论文 表1 2 中予与x 射线穿透性能比较 材料 穿透率( ) 中子( i 0 8 )x 射线( 1 5 4 ) 6 。3 r a m6 ，3 m mo 1 肼n 铝9 4 02 7 铜6 7 01 镉 o 00 铅8 4 00 石墨8 0 2 5 9 0 氟化钙 9 7 0 5 1 3 中子粉末衍射的意义 在衍射技术中，使用得最多、最广泛的是粉末衍射方法。今天，中子粉末 衍射已成为研究材料原子分子结构和磁结构的标准实验技术，特别是在 r i e t v e l d 峰形分析法引入粉末衍射的数据分析后，粉末中子衍射的应用更是迅 速增加。这是因为，所研究的大部分材料( 特别是新材料) 很难生成实验要求 的足够大的单晶样品，即使能够得到大的单晶体，由于存在消光等系统误差， 也使得粉末衍射成为比单晶体衍射更有利的选择。因此，目前世界上的中子散 射实验室，尽管规模不同，实力不等，研究领域各有侧重，实验设施不尽相同， 几乎都配备有水平高低不等的粉末中子衍射谱仪。粉末中子衍射谱仪主要用 于：空间几何结构( 键长、键角等) ，确定原子位置、分子间距等；磁结构( 磁 性原子的排列和取向、磁矩的大小等) ；探讨结构和性能的关系。可分析的材 料主要包括：超导材料、纳米材料、磁性材料、高分子聚合物、金属、合金、 有机溶液、冰晶、生物大分子样品等。 中子衍射对材料研究的几个实例： c h 2 c o n h 2 与c h 2 c o o h 基团的区分。m o o r e 等人在1 9 6 7 和1 9 7 2 年做 的工作，当时其他测试手段和x 一射线都无法区别是c o n h 2 还是c o o h ，通过 中子衍射的傅里叶二维投影，我们十分容易地分清了该基团是c h 2 c o n h 2 而 婴型查兰里主兰竺丝苎 不是c h 2 c o o h 。因为n 的散射长度是o 9 4 ，o 的是0 5 8 ，h 的是一0 3 7 4 ，c 的是 o 6 6 x 1 0 1 2 g m ，在投影上的密度差别是很明显的。中子衍射对甲基c h a 的研究， 过去不能确定h 是否绕连接的主分子的单键发生转动，中子衍射投影从三个 明确的氢原子位置就可肯定甲基并不转动。 1 9 8 7 年b e l l 实验室首次公布了用x 射线测量的y b a c u o 高温超导材料 的分子结构为y b a 2 c u 3 0 9 。但后来c a p p o n i 等人利用中子衍射测出的结构表 明新材料的分子式应该是y b a c u 3 0 7 。根据x 射线测量的结果，铜原子应位于 氧八面体中：而中予测量结果认为根本不存在氧的八面体，只存在被分隔的铜 氧面和铜氧链。这一研究结果使人们对y b a c u 3 0 7 高温超导的机理研究有了更 加深入的认识。 在生物晶体研究方面，高分辨中子衍射在确定原子、特别是氢原子和水分 子的位置起到了决定性的作用。这类实验通常是在x 射线衍射基础上进行的。 如，肌红蛋白是生物体内氧的载体，其空间结构早已用射线测出，但缺少了氢 原子的位置。s c h o e n b o r e 等人利用中子衍射测定出了这蛋白质的每一个氢键 和氢原子的位置，完成了x 一射线单独不能完成的工作。 病毒是最简单的生命体，它由蛋白质外壳和核酸内核组成。应用x 射线 和电子显微镜虽然可以对其蛋自质的外壳进行测定，但由于内部核酸处于无序 状态而无法观察。如番茄丛矮病毒( t b s v ) 是一种植物病毒，c h a u v i n 等人 用采用改变晶体溶剂中重水含量的低分辨率中子衍射方法观测到了q b s v 有四层结构，而x - 射线方法只能观测到其外部蛋白质外壳的两层结构。 自1 9 5 9 年s h a l l 等对m n ”的磁形状因子测量后，迄今已利用中子磁散射 对一大批分子晶体、顺磁金属材料的磁形状因子进行了研究。可以说，在磁性 材料结构研究方面，中子衍射技术仍然占有的统治地位。 在材料随外部环境的变化而变化的研究上，中子衍射也是有独特的优势。 m ，l a t r o c h e 等人利用一种充放电的装置，利用中子衍射实时研究 l a n i 4s a l 05 d x 的充放电性能。又如利用高低温装置研究材料随温度的相变， 也是目前材料研究的热门课题。 1 4 粉末衍射谱仪的国内外发展现状 自1 9 4 8 年美国o a kr i d g e 国家实验室的w o l l a n 和s h u l l 建成世界上第一 四川大学硕士学位论文 台粉末中子衍射仪后，从5 0 年代末到6 0 年代初，世界上虽然已有十几家实验 室先后建造了粉末中子衍射仪，在这二十多年的时间内，粉末中子衍射的应用 实际上依然受到严重的限制，因为这些中子衍射实验设备的分辨率远不能满足 结构研究的要求。7 0 年代中期，h e w a t 提出高分辨粉末衍射仪设计概念，随 后根据这一设计概念在法国i l l 高通量堆旁建成的高分辨粉末衍射d i a 所显 示的分辨和强度性能，极大地克服了应用粉末中子衍射技术所受的限制，推动 了近一二十年来出现的对粉末中子衍射技术研究和广泛应用的兴趣。利用中等 通量反应堆的第一台高分辨粉末中子衍射仪也于1 9 8 0 年在澳大利亚h i f a r 堆 ( 1 0 m w ，1 3 1 0 1 4 n c m 2 s ) 旁建成和运行，到目前为止，以稳定的高通量和 中等的通量反应堆为依托，已有相当多的高分辨粉末中子衍射谱仪散布在世界 上所有大规模的热中子散射实验室中。表1 3 列出了国外有代表性的一些中子 散射实验室中已有的、以稳态反应堆热中予束作为中子源、主要用于r i e t v e l d 全衍射谱晶体结构分析的高分辨粉末中子衍射谱仪的主要技术参数。 世界各国现有的以稳态反应堆为源的粉末中子衍射仪中，分辨率d d 最 高的达到了5 1 0 。4 水平，它们分别是法国i l l 高通量堆( h f r ) 旁的d 2 b 和 美国b n l 高通量束流堆( i - i f b r ，目前暂处关闭状态) 上的h 1 a 谱仪。h f r 和 h f b r 堆位居世界上仅有的三座通量高于1 1 0 i s n c m 2 s 的稳态反应堆之列， 加之采用聚焦单色器将大截面中子聚焦至样品位置，使用6 4 个准直器，探测器 的数据收集系统，使散射中子计数速率得到极大的改善，它们能够解决单胞体 积大至3 5 0 03 的低对称结构问题，几乎达到晶粒尺寸效应的极限，覆盖了差 不多所有粉末衍射感兴趣的结构问题和大部分以前只能靠单晶衍射方法解决 的问题，并且，使中子衍射方法进行“从头开始”的结构研究成为可能。中 子衍射还可以用来观察研究时间尺度在数分钟范围的一些结构随时间变化的 现象，像结晶过程、亚稳相、弛豫现象等。但其它更多的高分辨粉末中子衍射 仪，大部分依傍于热中子通量在1 0 “l a c m 2 s 量级的反应堆，它们的分辨率d d 散布在2 x 1 0 。附近，能够解决单胞体积在1 0 0 03 ，包含约1 5 0 左右结构参数 的结构精修问题，满足粉末衍射实际工作中碰到的大部分结构问题的需求。 婴型查兰翌主堂壁笙兰一 样品处通量d d 国家 蛙 通量( n c 寸s )起飞角 单色器 bf l 】 a3 波长 探测； ( r l c m z s ) ( ) 澳大 f i f a r 堆 1 0 1 5 m w 8 1 0 4 0 22 43 h 利亚 1 3 i 0 “ 1 2 0g e ( 3 3 5 ) 1 21 0i 01 4 9 2 0 m w l x i 0 50 2 6 43 h 日本j r r 一一3 r8 9 1 3 0c e ( 3 3 1 )2 0 661 8 2 3 1 0 1 4 j 4 洲 9 0g e ( 3 3 5 ) i 01 01 25 1 0 5o 21 0 3 h 法国o r p h e e 3 1 0 “ 5 7 m w 1 0 抽 法国h f r 一1 a 1 2 3g e ( 1 1 5 )i 51 01 9 11 x i 0 6 o 2 。1 2 x i 0 1 5 5 7 m w 法国h f r - 2 b 1 3 5g e ( 3 3 5 )55i 9 5 41 0 61 0 7o 0 56 43 h 1 2 x l o 。5 美国 h f b r6 0 m w 。l 1 0 5 1 2 0 g e ( 5 5 1 ) 55 1 8 8 0 0 56 43 h 1 5 5 7 美国n b s r2 0 t 哪3 l o “3 5 ，9 0 ，1 2 0s i ( 5 3 1 ) 77o 0 83 23 h l 1 5 9 0 8 5 h l w 美国 h f i r8 0 1 3 5g e ( 1 1 5 )1 261 42 x 1 0 50 23 23 h 1 2 i 0 1 5 1 0 m w 9 0 s i ( 5 5 1 ) n on o1 _ 4 94 x i 0 80 1 5p s d 美国 m u r r 1 2 1 0 1 4 加拿1 3 0 m w 2 1 0 60 z4 0 0 p s l 大 n r uf o c u s1 8 5 x 1 0 1 g e ( 5 1 1 ) 德国 b e r1 0 m w 1 1 0 “ 4 0 - 1 4 0 i 01 01 51 1 0 5 o 26 43 l j e ( 3 3 1 ) 挪威 b e r i i9 0g e ( 1 1 1 ) 1 0 i 01 8 2 58 x 1 0 40 22 03 h e r s g - - g a 3 0 m w 印尼8 9 ，1 3 0g e ( 3 3 1 ) 2 0l o 】8 2 3 23 h e d2 5 x1 0 1 4 俄国 i 卜一88 m w 2 1 0 1 1p gl 1 0 60 72 2 4 注：起飞角单位为度，b 、d 、na 单位为分，波长为。 从表l 。3 可以清楚的看到： 国外现有的这类高分辨粉末中子衍射仪，大多数都是按照h c w a t 设计 概念进行设计和建造的，它们的主要特点是谱仪的分辨函数与“需要”的分辨函 数之间有较好的匹配。因而能满足一定单晶胞大小、较低对称的结构研究的要 求：采用小的f 1 1 吨3 获得在平行聚焦位置小的峰宽度和较高的峰强度，选择单 色器起飞角2 e m 9 0o 改善高散射角区域分辨函数之间的匹配采用多s o i l e r 1 3 四川大学硕士学位论文 准直器探测器系统，大样品和大的纵向发散，弥补和提高因分辨改善而损失 的计数强度。目前使用探测器数量最多的达到2 2 4 个s o l l e r 准直器探测器， 复盖的2 0 角度范围达到1 6 0o 。使用s o l l e r 准直器探测器最少的，如法国i l l 的d i a 谱仪和s a c l a y 的高分辨衍射仪，也达到1 0 个。i l l 的d 2 b 谱仪计划 将来将现在的6 4 个s o l l e r 准直器探测器增加至1 2 8 个。限制探测器数量的因 素主要是s o l l e r 准直器的尺寸，因为准直器须有足够大的口径以保证可以使用 大的样品直径，同时准直器两边起固定作用的夹板也须有足够的厚度。 由于广泛采用了s o l l e r 准直器，保证了这些谱仪样品处有足够大的入射束 流截面，因而可以使用大的样品。对于大多数谱仪，入射束流的宽度略大于 2 0 m m ，而束流的高度对于非聚焦单色器的情况，一般大于1 0 e m ，这个高度配 合同样高度的探测器，保证了纵向发散达到5o 以上。 美国密苏里m u r r 堆和加拿大n r u 堆旁的两台高分辨中子衍射仪没有 采用多s o l l e r 准直器探测器，而是分别使用直线和多丝位置灵敏探测器，其 设计概念的要点是：采用位置灵敏探测器、小的样品和中等大小的起飞角，通 过同一时间测量众多的计数点，并采用聚焦单色器来弥补强度损失。比较多 s o l l e r 准直器，探测器系统与位置灵敏探测器的总效率，我们可以得到两者可用 同一表达式描述，即效率dc t 3 r ，这里d 为s o l l e r 准直器的宽度，若忽略准直 器边板厚度，等同于上两种情况时的样品直径。r 为准直器和位置灵敏探测器 绕样品排列的园弧半径，合理地假定两者r 相同，则我们可以清楚地看到， 采用位置灵敏探测器对分辨很高的谱仪是不太有利的，因为此时位置灵敏谱仪 所用的样品直径必须比多探测器谱仪小得多。m u r r 堆旁的高分辨谱仪采用 s i ( 5 1 1 ) 二维聚焦单色器和多至5 个( 计划将增至1 5 个) 直线位置灵敏探测器 垂直堆叠的方式，以增加其计数效率。位置灵敏探测器效率和位置的刻度以及 将各部分纪录的数据相加以得到衍射曲线是一个相当困难和复杂的工作，采用 多个直线位置灵敏探测器堆叠方式会进一步增加这方面的困难。m u r r 谱仪 的解决办法是每个直线p s d 使用独立的信号处理通道，各自储存有自身完全 的刻度曲线，每个探测器记录的数据独立处理后再台并得到总的衍射曲线，从 而减小了非线性的影响。使用位置灵敏的探测器的另一个不利之处是来自大区 域的本底都会记录，这对使用高、低温等装置测量时尤其严重。目前解决这个 问题的办法是灵敏探测器前面放置一个由w r i g h t 等人最早提出的振荡径向准 4 婴坐盔兰望主兰堡笙奎 直器( o r c ) ，但增加了谱仪结构和控制方面的复杂性。 现有的高分辨粉末中子衍射仪中，分辨率最高的两台d d 达到5 1 0 。4 ， 分别为法国i l l 的d 2 b 和美国b n l 的h r p d 谱仪，它们都以高通量反应堆 ( 10 ”r g c m 2 s ) 为依托，并采用多达6 4 个s o l l e r 准直器和3 h e 探测器和大的 聚焦单色器，整个数据收集速率高于其它同类的高分辨衍射仪，尽管这些谱仪 的分辨率要比d 2 b 和h r p d 低一倍以上。我们可以用通用的量度方法来进行 比较，衍射谱仪的数据收集速率f = t p v n ，其中币为样品处的单色中子通量， v 为样品有效的体积，q 为整个探测器集合所张的立体角。i l l 的d 2 b 谱仪 f = 4 x10 5 ，加拿大c h a l kr i v e r 的h t d 谱仪和美国m u r r 的直线灵敏谱仪 f = 3 1 0 5 ，法国i l l 的d i a 谱仪f 仅为o 2 1 0 5 ，虽然后三者的分辨率d d 均 在2 x 1 0 。，数据收集速率仍然不能与d 2 b 相比。实际上，由于粉末样品总是 存在固有的粒子尺寸效应，d d = 5 x 1 0 4 几乎达到粉末衍射对谱仪要求的极限。 在这样的分辨率下，单胞体积大到3 5 0 0a 的低对称结构的相邻衍射峰能够成 功的分开，可以解决绝大多数要求粉末衍射解决的结构问题。但现有高分辨粉 末中子衍射仪中的大多数都是依傍于热中子通量在1 - 5 x 1 0 1 4 r v c m 2 s 范围的中 等通量反应堆，它们的分辨率集中在d d = 2 1 0 。3 附近，相邻峰能够分开的低 对称结构最大单胞体积在1 0 0 0a 3 左右，由于多探钡4 器、位置灵敏探测器和聚 焦单色器等强度补偿措旋被普遍采用，在分辨率和计数速率两方面也满足了很 大部分粉末衍射感兴趣的结构研究课题的需要。 多数高分辨中予粉末衍射谱仪配备有几个水平发散角不同的第一和第 二准直器，可以选择不同的准直器组合。单色器也用不同的单晶体或同一晶体 的不同反射晶面，以选择不同的入射中子波长和不同的起飞角，因此能够更广 泛地适应各种对分辨和强度的不同要求的实验。如法国i u ，的d 2 b 谱仪在不 同的准直器、单色器镶嵌发数组合下，散射中子强度差别最大可以达到1 5 倍。 当然在强度最大的组合状态，分辨率d d 由强度最小组合时的5 1 0 4 下降到 大约1 5 1 0 - 3 因此为强度和分辨率各有不同侧重要求的具体实验提供了相当 大的选择空间。准直器和单色器的可选择性要求谱仪有相对复杂和灵敏的机械 部件相配合，对于分辨在2 x 1 0 。以上的粉末衍射仪，准直器位置的线形重复精 度要求在士0 0 5 m m 内，而角度精度要求0 0 lo ；单色器的波长重复精度要求 0 0 1 ，对2 0 m = 1 2 0o ，相当于角度重复性在0 0 lo 范围内。在变换准直器和 磐型查兰堡主兰堡笙奎 单色中子波长时，要求在一分钟时间内完成。这些功能增加了对谱仪机械精度、 可靠性及控制系统的要求。 如上面多次提到的，聚焦单色器技术替代常规平板状单色器，在现有高分 辨粉末中子衍射仪上得到了普遍的应用，使入射在样品上的有效中子通量成倍 增加。例如法国i l l 的d 2 b 谱仪使用的2 8 个g e ( 1 1 5 ) 单晶体将3 0 e m 高的入 射束流纵向聚焦在5 e r a 高的样品上，而其中d i a 谱仪使用1 0 个g e 单晶聚焦 1 5 e r a 束流到仅2 e r a 高的样品上。聚焦单色器的使用除了能有效增加入射在样 品上中子通量、提高测量效率外，对难以制备大体积样品的测量工作具有特别 重要的意义。 我国在中子衍射方面的研究工作起步较早，始于上个世纪的6 0 年代初。 该项技术在国内发展较快的阶段是上世纪的8 0 年代，在此期间，在中国原子 能科学研究院1 0 1 堆上安装了亚洲第一座以液氢为慢化剂的冷中子源，谱仪总 数达到6 台( 但粉末衍射谱仪至今仍只有一台，最近把探测器由原来的一支扩 展到四支，分辨率约为0 8 ，属中等分辨) 。在以后的近十年里，参加合作研 究的单位超过2 0 家，发表了近2 0 0 篇研究报告，其中部分研究成果在学术界 有一定的影响。但总体上与国外相比，国内中子散射技术研究方面的基础还是 较为薄弱，主要体现在：国内从事该项工作有经验的人员较少、谱仪硬件建造 没有形成完备能力、对这项技术认识普及程度