1、中国散裂中子源小角中子散射虚拟实验报告人：张晟恺小角散射谱仪Page中国散裂中子源（中国散裂中子源（CSNS）介绍）介绍 CSNS系统构成：一台系统构成：一台H-直线加速器、一台快循环同步直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和加速器、一个靶站和3台谱仪。台谱仪。3台谱仪分别是：小角散射台谱仪分别是：小角散射谱仪、多功能反射仪和高通量粉末衍射仪。谱仪、多功能反射仪和高通量粉末衍射仪。2Page小角散射谱仪（小角散射谱仪（SANS-Small Angle Neutron Scattering） SANS用于探测物质体系在用于探测物质体系在1100nm尺度内的微观和尺度内的微观和介观结构。介观
2、结构。可用于材料内部的微结构表征、聚合物和生物可用于材料内部的微结构表征、聚合物和生物大分子的链团构型分析、合金的相分离、磁性物质的磁畴大分子的链团构型分析、合金的相分离、磁性物质的磁畴、固体材料中的孔洞和缺陷的测试和研究等等。、固体材料中的孔洞和缺陷的测试和研究等等。2Page1. 中子束线必须是绝对强度单位，中子在整个虚拟的谱仪中可以被追踪，从源一直到探测器。2. 虚拟的谱仪尽可能的和实际的谱仪相同。3. 虚拟中子谱仪和实际谱仪一样容易被控制，虚拟产生的实验数据可以像真实数据一样被分析。一、SANS虚拟实验原理Page 慢化器发射面总的中子通量是3.8X1012n/cm2/s，慢化器温度为
3、20K，内部有6m的屏蔽，外面有3m的生物屏蔽和5m的准直器，从样品到探测器的距离为5m，探测器为1m长0.5英寸的He3管，小角谱仪的模型如左图所示。1.1、 慢化器理论计算样品处的通量为:12262123.8 10119()2.2278 10414005n cm s假设50%非相干散射的中子穿过准直器进入样品:65112.210 4 0.53.5014 104n s sr 图中可以看到明显的热峰(maxwellian peak)。二、 SANS虚拟实验设计Page二、 SANS虚拟实验设计 Moderator（CHM）耦合液氢慢化器设计指标：温度是20K，直径为15cm，中子的发射面是10
4、cm*10cm。用MCNPX模拟计算得到CHM的能谱（tally 105）、勒谱（tally 205）和中子脉冲形状。在MCNPX输出文件中，detector located at x,y,z = 66x.xx 75x.xx 13.9 是对应的BL01，也就是小角谱仪所在的位置。1.2 慢化器物理设计Page 通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally 105)进行计算，选择中子能量范围为（0eV1.0593eV），得到中子可视面的发射中子总通量为5.168529E+12n/cm2/s。通过对中子脉冲形状(tally 405)进行转换得到vitess user wavelength time
5、 dits. file的输入文件，计算得到中子的脉冲形状。1.3 慢化器性能模拟二、 SANS虚拟实验设计Page2.1、 准直器物理设计l 中子开关内准直器设计参数：中子开关内准直器设计参数：碳化硼块的设计：外圆直径是140mm，内孔是锥形，小径为80mm，锥角是5，厚度是50mm，碳化硼块在准直器外壳槽里凸出部分为5mm，两个碳化硼块之间的距离分别是90.97.105.113.123.132.142.153.164.176(mm)内层腔的设计：外径为290mm、内径为90mm、长度为2000mm外层腔的设计：方形边长为490mm、孔直径为290mm、长度为2000mml Shutter外准
6、直器设计参数：外准直器设计参数：碳化硼块的设计：同上,两个碳化硼块之间的距离分别是200.214.229.244.260.278(mm)内层腔的设计：外径为290mm、内径为90mm、长度为2000mm外层腔的设计：方形边长为490mm、孔直径为290mm、长度为2000mml 聚焦准直器的设计参数：聚焦准直器的设计参数：碳化硼块的设计：外圆直径是140mm，内孔是锥形，小径是不断变化的，由40mm变化到20mm，锥角是5，厚度是50mm，碳化硼块在准直器外壳槽里凸出部分为5mm-内层腔的设计：外径为290mm，内径为90mm，长度为2000mm，-内层腔的设计：外径为290mm、内径为90m
7、m、长度为5000mm，两个碳化硼块之间的距离分别是621.669.721.776.835.898(mm)外层腔的设计：外径为490mm，内径为290mm，长度为5000mm准直器分为3段：中子开关内准直器、Shutter外准直器、聚焦准直器二、 SANS虚拟实验设计Page0m R=100mm2m R=80mm4m R=40mm9m R=20mm2.2 准直器性能模拟l 按照准直器的物理设计，在VITESS中放入相应的SpaceWindowl CHM发射的大小是10cm*10cm，在开关内的准直器放一个12cm*12cm的监视器，记录中子的x,y位置，分别记录距离慢化器2m，4m，9m处中子
8、的位置二、 SANS虚拟实验设计Page3.1 斩波器物理设计 小角谱仪上采用一台T0斩波器（T0）和一台双盘带宽限制斩波器（T1-D1，T1-D2），工作波长设计为双波段0.59.5和312。Chopper ID安装位置安装位置(mm)束流宽度束流宽度(mm)束流高度束流高度(mm)开口角开口角(degree)工作转速工作转速(Hz)中子透过率中子透过率(对对1 中子中子)T0662076(28.23)76(28.23)25/50n/aT1-D1688127.327.3156.525110-4T1-D2 25110-4T0斩波器一般参数：斩波器一般参数：束流截面中心到转轴轴线距离：束流截面中
9、心到转轴轴线距离：300mm； 内部气氛：真空（小于内部气氛：真空（小于10Pa）或氦气）或氦气(略大于略大于1bar)；真空窗口？；真空窗口？相位控制精度：相位控制精度：0.22 deg；VETO值值3%；停机位置精度：停机位置精度：0.2 deg；电机冷却方式：水冷。；电机冷却方式：水冷。带宽限制斩波器一般参数：带宽限制斩波器一般参数：束流截面中心到转轴轴线距离：束流截面中心到转轴轴线距离：300mm；真空度：小于真空度：小于10Pa；真空窗口？；真空窗口？工作方式：双盘对转；相位控制精度：工作方式：双盘对转；相位控制精度：0.22 deg；VETO值值1%；停机位置精度：停机位置精度：0
10、.2 deg；电机冷却方式：水冷。；电机冷却方式：水冷。二、 SANS虚拟实验设计Page3.2 斩波器性能模拟 在VITESS中根据chopper的物理设计给定好参数，参数的设定如下所示，然后看经过chopper后的中子波长谱是否达到相应的性能指标。经过模拟后生成的波长谱如下图所示。二、 SANS虚拟实验设计Page4.1 样品室和散射室 样品室提供小角散射样品的放置和实验空间，前端与准直系统真空隔绝，后端与散射室真空隔绝。样品室有效空间为1200mm*1800mm*2000mm,高为2m，是考虑人能够直立进去，室的一边是开了门，还可以通过梯子进入，中子经过金属管进入样品光阑，然后进入样品，
11、最后进入散射腔。 散射室由散射前腔和散射后腔两部分组成，前腔里面是高角探测器，高角探测器是由3He管阵列组成，固定在壁上不动的；后腔里面是低角探测器，底角探测器是由多丝正比室组成，它可以上下左右前后沿着导轨移动，低角探测器前面是不同直径的beamstop, beamstop用来阻挡不需要的中子本底。二、 SANS虚拟实验设计Page5.1 探测器物理设计参数参数低角主探测器低角主探测器高角主探测器高角主探测器时间分辨：时间分辨：2s2s时间窗口：时间窗口：040ms040ms效率：效率：50% 270% 2中子通量和计数率：中子通量和计数率：最高计数率 105n/s单管最高计数率104n/s位
12、置分辨：位置分辨：15mm*15mm15mm*15mm探测区域：探测区域：距离样品1米处距离样品1米处有效面积：有效面积：500mm*500mm500mm*500mm 小角散射谱仪中子探测器系统包括一个主束检测器、一台透过束监测器、低角和高角两个主探测器。小角散射虚拟实验主要使用的是主探测器，低角主探测器是二维位置灵敏3He多丝正比室，高角主探测器是0.5英寸位置灵敏3He阵列。探测器的模拟可以根据物理设计直接设置好参数。低角和高角主探测器具体参数如下表所示。二、 SANS虚拟实验设计Page 根据小角谱仪的物理设计，在VITESS中放入脉冲中子源、准直器、T0 Chopper、带宽斩波器，样
13、品和探测器，设置好小球模型的样品，测试半径分别为100、500，测得样品散射强度曲线分别如图所示 。虚拟实验与小球模型理论计算结果一致。 三、 SANS虚拟实验结果Page四、 SANS虚拟实验作用1. 对中子谱仪的升级和设计，应该和实际谱仪的设计相同2. 用来教学和学习中子科学3. 分离出样品和样品环境对中子散射的贡献4. 分析真实实验数据虚拟实验谱仪设计优化设计数据产生规约分析Page虚拟中子实验框架已经建好，下一步放入正在搭建的虚拟中子实验框架已经建好，下一步放入正在搭建的CSNS中子中子虚拟实验平台中。虚拟实验平台中。已加入已加入VITESS合作组，开发基于合作组，开发基于Web的的APP。开发开发web接口提供给谱仪用户（基于接口提供给谱仪用户（基于LAMP）。）。在在CSNS中子虚拟实验平台中建立用户自由讨论区。中子虚拟实验平台中建立用户自由讨论区。总结与展望Page谢谢 谢！谢！11
