小角中子散射原位热力耦合加载装置

热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究,对于深入理解材料服役性能演化机制十分重要,可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势,本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪,设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置,并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明,装置最大载荷可达20 kN,最高温度800℃,控温精度优于±1℃。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试,发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化,表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法,可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究,提供微观结构演化数据。

小角中子散射谱仪放射性样品测量装置研制

辐照试样研究对评估材料性能具有重要意义。因其带有放射性,常规表征手段受到一定限制,而小角中子散射(Small-Angle Neutron Scattering,SANS)技术几乎不受γ、β等射线的影响,且制样简单。依托中国先进研究堆小角中子散射谱仪,研发了一台放射性样品测量装置,用于放射性试样内部纳米结构的测量分析。装置的屏蔽厚度利用蒙特卡罗模拟进行优化,结合自动换样和远程控制功能,提高了实验效率和安全性。利用该装置成功开展了A508-Ⅲ钢辐照监督试样的小角中子散射实验,结果表明低剂量长周期辐照对压力容器钢纳米结构影响较小。该装置和相关技术方法可用于放射性试样的纳米结构表征。

小角中子散射谱仪技术的发展及未来展望

小角中子散射以中子作为探针,通过弹性相干散射,表征物质微观、介观结构,在物理、化学、材料和生物等多个学科领域有着广泛应用。最早的小角中子散射谱仪采用针孔几何进行中子束线准直,测量尺度在1~100纳米;随着中子源通量的增加、中子光学和探测技术的发展,小角中子散射技术逐渐向更大和更小尺度两个方向发展。在更大尺度方向,发展了微小角、超小角和自旋回波中子散射技术;在更小尺度方向,发展了无序大分子中子全散射技术。为了能够一次性表征多尺度复杂体系结构,小角中子散射技术正在向着全尺度覆盖、智能化数据分析的方向发展。本文依循小角中子散射技术和相应的中子谱仪在国内外的发展历程,梳理了不同技术的特点和应用范围,进而展望了这一技术的发展方向,期间穿插概述了相关技术在基础和应用科学研究领域的作用。

小角中子散射物理模型自动化筛选

小角中子散射(SANS)实验数据的分析过程需要科研人员选择样品对应的物理模型进行迭代拟合来表征样品的结构和属性。目前选择物理模型的方法大多是基于人工经验,分析门槛高、准确率较低。基于标准神经网络模型的小角中子散射实验样品物理模型自动化筛选方法面临着图像缺乏局部特征、类内差异大、类间差异小等问题。设计双模态特征融合卷积神经网络(BFF-CNN)模型,先引入物理感知的傅里叶-贝塞尔变换(FBT)来提取散射图像的全局结构信息,再将原始图像与FBT变换图像通过两个子网络分别进行特征提取与特征融合,以提升神经网络整体的特征表达能力。提出受限Softmax(R-Softmax)损失函数,通过在原生Softmax损失函数的基础上添加惩罚项来限制输入样本被分配到非本真类的概率,可在Softmax损失接近0时缓解梯度的消失问题,进而提高收敛速度。在自建的小角中子散射图像数据集上的实验结果表明,BFF-CNN的预测准确率和平均召回率相比于ResNet-18、PMG等模型提升幅度较大,采用R-Softmax与中心损失函数的联合学习策略后的预测准确率和召回率相比只采用Softmax损失函数提升了5.4和10.5个百分点,具有较好的小角中子散射图像分类效果。

双目中子散射相机快速定位方法研究

为了探究使用中子散射成像法对核材料的定位分辨率和测距精度与源项方位之间的关系,以及提高定位性能的可行方案,本文利用Geant4软件模拟了位于不同方位的Cf-252中子源成像过程。使用交点反投影成像法与双目视觉测距法进行二维成像与测距,研究了定位误差与中子源方位之间的依赖性。研究表明:源项位置距离成像平面中心越远,成像效果越差,当改变探测系统布置时可能出现定位死区,并且通使探测器面向源项所在方向会增强成像性能。本文提出的快速定位未知位置中子源或核材料的方法及探测器布置方案有效。

中子散射技术在材料化学中的研究进展

通过高能粒子与材料表面相互作用,探究材料的微观结构、化学成分、原子排布等信息是材料表征的主要方式,但是对于轻元素的精确测定,仍具有很大的局限性。中子散射具有高分辨率,渗透深度深,可检测材料的晶体结构、动力学性质和磁学性质,鉴别原子序数差别小的元素、同位素及轻元素。如可应用于表征微观结构、氢元素的含量、铁电性质等。与多种表征技术和第一性原理计算结合,可精确地在纳米尺度探究材料的晶体结构,获得动力学性质。本文综述了中子散射技术的工作原理及在材料化学中的应用现状。

中子及中子散射特征

中子以它特有的性质,使它成为继X射线和电子衍射之后的又一研究微观物质结构的有效方法。由于中子散射技术的发展,人们才得以在声子色散曲线和同位素效应的研究等方面有所收获。中子散射可以说是对X射线衍射和电子衍射的一个重要的和不可缺少的补充。中子散射技术利用中子不带电、穿透力极强、能直接鉴别核素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩和波粒二象性等特点,使之成为一种独特的,从原子和分子尺度上研究各种物质结构和微观世界运动规律的高新技术。

散裂中子源靶站和中子散射谱仪的概念设计

本文介绍了可应用于多学科应用的散裂中子源(CSNS)靶站和中子散射谱仪概念设计的进展。CSNS靶站将由重水冷却多片钨靶,铍/铁反射体和铁/重混凝土生物屏蔽体组成。采用三个WING型慢化器:水(室温),液体甲烷(100K)和液体氢(20K),设有18个水平中子孔道。MonteCarlo模拟显示优化的靶截面高宽比为1:2.5左右。额定的100kW核功率的质子束轰击后,慢化器处钨靶溢出的脉冲中子通量约为2.4×1016cm?2·s?1。有限元方法计算表明,钨靶体内的总发热量是47kJ/s。即使使用截面较小的钨靶,在通常的水冷速率下,靶体温度也仅略高于90°C。靶体的热应力形变最大不超过0.2mm。根据经济实用原则选择建造粉末衍射仪、小角散射仪、反射仪及直接几何非弹性散射仪等四类有代表性的中子散射谱仪,就能覆盖>80%的中子散射研究领域。

中子散射及其应用

在近30年间,由于中子源和散射装置的改进,中子散射在凝聚态物质中的应用日益广泛,在许多方面是其他(X射线、电子、激光、同步辐射等)散射技术不可比拟的.在简单评述供散射用的中子源和散射实验技术进展之后,重点介绍中子散射在凝聚态物质研究中的应用.它们包括晶体结构和磁结构的测定、表面、界面和薄膜的表征、测定结构涨落、磁涨落的现代相变研究、畸变、无序系统(包括分形和小角散射)和高分子材料、高Tc氧化物超导体的研究.

利用中子散射研究生物材料

中子散射是一种研究生物大分子结构及动力学运动规律的重要手段。通过测量散射中子的强度函数可以得到生物大分子的体积、质量、形状、回转半径、生物大分子中的原子成分,特定原子所处的位置及分布,生物大分子动力学运动的信息等。测量中子在生物样品上的动量和能量转移,可以得到动力学结构因子。结合理论模型分析计算可以得到生物大分子内原子、原子团快速运动和生物大分子慢的集体运动的信息,提取生物大分子中原子的涨落行为,生物分子构象变化及生物大分子材料的柔性等信息。中子散射能识别出生物物质中轻的元素及同位素。和X射线方法相比,中子散射法对生物材料的损伤较小。

中子散射及相关技术的发展与应用

中子的独特性质使其在揭示物质从微观、介观至宏观尺度的结构和动力学行为方面都具有不可替代性,从而使得依托于高强度中子源的中子散射技术广泛应用于物理、化学、材料、地质、生物和医学等领域,逐渐发展为一种国家大型科学平台。中国原子能科学研究院在国内最早开展中子散射研究,先后依托重水研究堆和中国先进研究堆构建了中子科学研究平台,并坚持面向国内外开放合作,开展了许多富有特色的研究工作,为我国中子散射及相关技术的开创、发展和应用推广做出了重要贡献。当前,中子应用技术迎来新发展机遇,相关研究愈加广泛而深入,将继续为探索基础科学前沿和解决能源、健康、环境、信息等领域重大问题提供重要技术支撑。

中国先进研究堆(CARR)上的中子散射工程

中子散射技术利用中子不带电、穿透力极强、能直接鉴别核素、较之 X 射线对轻元素灵敏、具有磁矩和粒子、波动二重性等特点,使之成为一种独特的、从原子和分子尺度上研究各种物质结构和微观世界运动规律的高新技术。中国先进研究堆 (CARR)上的中子散射工程将充分利用中国先进研究堆为中子散射工程提供的高通量、具有冷中子源、切向水平孔道等有利条件,建造三台新谱仪,更新原有的五台谱仪,瞄准世界先进水平,建立起研究手段基本配套、基本上覆盖中子散射研究的主要领域、强调应用又具备必要的基础研究能力的中子散射设备,为生命科学、材料科学、物理、化学、地矿、环境等各种学科及工程技术方面的研究,为国防工业和国民经济的应用提供先进的中子散射技术。其最终目标是建立起符合我国国情、其综合研究能力与世界先进水平接轨的中子散射国家重点实验室,使之成为我国二十一世纪中子散射研究和应用的中心及人才培养基地。

MCNP温度相关热中子散射数据库研制

基于ENDF/B-Ⅶ中子库,完成了针对熔盐堆的慢化剂热中子散射库thermal库的制作。温度点选取为熔盐堆特征温度。针对加工的ACE格式热中子散射库进行了热散射截面分析,并通过了基准题的积分检验,同时还与MCNP自带热中子散射库tmccs做了对比,偏差在合理范围内,证明得到的热散射库可以用作熔盐堆设计。

微小角中子散射谱仪探测器移动小车驱动机构设计及精度测试

针对中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)微小角中子散射谱仪(Very SmallAngle Neutron Scattering Spectrometer,VSANS)探测器移动小车对重载、大行程和较高定位精度的要求,设计了双导轨导向、齿轮齿条传动的驱动结构,通过高精度伺服电机的控制实现对探测器移动小车的较高精度定位控制。通过激光跟踪仪对探测器移动小车的往返5次定位测试可知,其双向重复定位精度为140μm,定位精度为167μm。测试结果表明:齿轮齿条传动结构能够满足微小角中子散射谱仪探测器移动小车所要求的200μm的定位精度。

中国先进研究堆中子散射谱仪建设现状和展望

中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点,因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段,在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用。中国先进研究堆(CARR)上的中子散射工程将充分利用该研究堆为中子散射工程提供的高通量、具有冷中子源、切向水平孔道等有利条件,预计一期将分别建造高分辨中子粉末衍射仪、中子反射谱仪、应力测量衍射谱仪、中子三轴谱仪、中子小角散射谱仪、中子四圆衍射仪、中子高强度粉末谱仪、中子织构测量仪、冷中子照相谱仪和热中子照相谱仪等10台谱仪及装置。瞄准世界先进水平,建立起研究手段配套、覆盖中子散射研究的主要领域、强调应用又具备必要的基础研究能力的中子散射设备,将为生命科学、材料科学、物理、化学、地矿、环境等各种学科及工程技术方面提供先进的中子散射技术。其最终目标是建立起符合我国国情、其综合研究能力与世界先进水平接轨的中子散射国家重点实验室,使之成为我国21世纪中子散射研究和应用的中心及人才培养基地,以期为我国国防工业和国民经济建设服务。

CSNS微小角中子散射谱仪运动控制系统样机

微小角中子散射(Very Small Angle Neutron Scattering,VSANS)谱仪是结构校准的有力工具。为了保证中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)VSANS谱仪的运动部件满足重复定位精度优于±2μm的要求,设计了基于实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)软件架构的运动控制系统方案,并搭建了相应的运动控制系统样机。该样机使用步进电机、绝对式光栅和Beckhoff嵌入式控制器,实现了对平移台位置的全闭环控制。测试结果表明:该样机的重复定位精度优于±2μm,且具有稳定可靠性高的特点,很好地满足了CSNS VSANS谱仪的需要。

铁基非晶态因瓦合金的热中子散射研究

因瓦（ｌｎｖａｒ）合金具有热膨胀性能随温度变化反常的特性，很多非晶态合金也具有显著的因瓦效应。用中子非弹性散射方法测量了铁基非晶态金属－金属型Ｆｅ９０－ｘＣｏｘＺｒ１０（ｘ＝１０，４０）和金属－类金属型Ｆｅ８０－ｙＣｒｙＰ１３Ｃ７（ｙ＝４，８）合金，以及Ｆｅ８６Ｃｏ４Ｚｒ１０因瓦合金居里点（ＴＣ＝３３０Ｋ）上下的广义声子谱。从３组声子谱的比较中，观察到了与因瓦效应相关的声子软化现象。结合已经观察到的晶态因瓦合金的声子软化现象，认为声子软化现象是因瓦效应的基本特征之一，它与晶格的长程有序无关，与材料类型无关。

MCNP程序用热中子散射数据制作和检验

基于ENDF/B-Ⅶ.0评价库,以前已陆续研制了可供MCNP程序使用的连续截面库,以及多套多个温度、多组邦达连柯背景截面修正的多群参数库。本文采用NJOY程序以及ENDF/B-Ⅶ.0评价库热散射子库,完成了MCNP程序使用热中子散射数据库S(α,β)的制作和检验。比较了自制库与MCNP自带基于ENDF/B-Ⅵ版热散射数据库(sab2002),对改进较明显的重要介质"轻水中氢"和"重水中氘"给出了分析说明。通过48个基准装置keff计算结果可看出,MCNP程序自带热中子散射库sab2002与自制库thb70计算的keff整体上偏差不大,keff平均偏差约65pcm。

双转子中子散射飞行时间谱仪

在中国原子能科学研究院的重水研究性反应堆上设计建造了一台双转子中子散射飞行时间谱仪。该谱仪采用高速同步双转子(最高转速为15000r/min)系统,并在90°角范围内配置54支~3He管(可扩展为108支)记录散射中子,散射中子讯号由飞行时间编码单元编码后送入DG-10/SP微机数据获取系统,该系统采用了通用智能接口并具有实时显示54路谱的功能。该谱仪还在转子本体中填入大量含硼含氢物质,在费米转子准直系统中采用超薄(0.025mm)钆(Gd)片作为芯片,既增强了准直效果,又使转子系统屏蔽快中子本底的能力增强10倍,解决了径向水平孔道本底高的困难。谱仪指标:单能入射中子能量范围5 200 meV,分辨率AE/E～(3—8)%,样品上单色中子强度～10~3S^1·cm^2。信号本底比优于20:1,在转速为13000r/min时连续工作10 d,相位及速度漂移均不大于0.04%。

中子散射对快中子照相质量影响的分析

通过一内空的圆柱体模型,对在快中子照相时由样品引起的散射中子强度与样品形状和探测距离之间的关系进行模拟,并用241Am-Be作中子源对散射中子的影响进行实验验证。结果表明,在快中子照相时,由样品引起的散射中子的强度与探测距离以及样品形状有关。对于同一样品,探测距离增加,散射中子的影响则降低。