中子单色器晶体的模型、性能和生产检测工艺的研究

论文摘要

本论文为非完美晶体的中子衍射过程建立物理模型并应用蒙特卡罗方法进行相关计算，使用热压形变技术研究单晶的嵌镶延展过程并总结出一套实用的非完美晶体的加工工艺，较为系统地研究了中子单色器晶体的理论、性能和生产工艺。这些工作为自主研发垂直聚焦中子单色器创造了条件，也为将来研发各种新型中子单色器作了必要的技术准备。主要的研究内容和结果是：(1)为非完美晶体的中子衍射过程建立了一个物理模型，用于精确地描述平板嵌镶晶体、弯曲晶体和梯度晶体的中子衍射束的性质，并使用蒙特卡罗方法计算了非完美晶体的反射率和积分反射强度等物理量。模型仔细考虑了中子在晶体内部的吸收和消光过程，并且使用蒙特卡罗技巧对理论模型不能够分析的一些重要物理参数进行了评估和计算，包括中子在非完美晶体内的穿透深度，多次散射的平均碰撞次数等。这个模型还可以处理实际晶体中存在的不均匀性问题。(2)使用计算机FORTRAN语言编写了模型的蒙特卡罗代码，这个代码被转换成中子散射谱仪模拟软件包MASTAS的一个标准中子单色器组件，用于精确评估中子散射谱仪的性能。使用这个组件分析了热解石墨、铜、锗和硅等常用单色器晶体的性能，计算并汇编了这些单色器晶体的积分反射强度等数据，为了解和使用这些单色器晶体提供了一个简单快速的参考。(3)为了增强单色中子的强度需要增加单色器晶体的嵌镶宽度，因此使用热压形变技术研究锗单晶的嵌镶延展过程十分重要，本论文自主设计和建造了一个单晶热压形变的工艺平台，其中锗单晶真空热压炉采用加温炉倒置的创新设计方式，可实现四工位连续循环作业，与国际上现有的此类设备相比，大大提高了热压操作效率。(4)摸索出适合于目前设备的锗单晶热压工艺流程，总结出一套实用的热压工艺参数，这套工艺参数也可用于其它单色器晶体热压工艺的研究。(5)摸索出在现有二轴中子较准确测量单晶嵌镶宽度的方法，并通过添加附加装置实现了摇动曲线的测量功能，能够快速地鉴定出经过热压工艺后单色器晶体嵌镶宽度的变化。(6)锗热压片的摇动曲线测量表明目前的工艺可以得到各向异性的嵌镶晶体，经过一个热压循环后Ge(115)晶体的垂直嵌镶宽度约为5＇，水平嵌镶宽度约为10＇，经过两个热压循环后垂直嵌镶宽度约为7＇，水平嵌镶宽度约为18＇，锗热压片嵌镶分布的峰形对称，嵌镶分布各向异性比值接近3，其质量已达到目前国际先进技术水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 非完美晶体用作中子单色器
• 1.2 非完美晶体的基本衍射理论
• 1.3 晶体嵌镶延展技术
• 1.4 蒙特卡罗方法在中子散射谱仪技术中的应用
• 1.5 论文的选题依据和意义
• 参考文献
• 2 建立中子单色器晶体的中子衍射物理模型
• 2.1 非完美晶体的理论分析模型
• 2.2 非完美晶体中子衍射过程的物理模型
• 2.3 非完美晶体衍射物理模型的特性
• 2.4 结论
• 参考文献
• 3 常用单色器晶体性能的模拟计算和评估
• 3.1 模拟计算的背景和目的
• 3.2 常用中子单色器晶体的基本材料性能
• 3.3 在MCSTAS中使用新的单色器组件分析中子单色器晶体的性能
• 参考文献
• 4 锗单晶热压形变设备和工艺
• 4.1 锗垂直聚焦中子单色器
• 4.2 锗单晶真空热压炉
• 4.3 锗单晶薄片热压工艺
• 4.4 结论
• 5 锗嵌镶晶体摇动曲线实验
• 5.1 实验方法和测量设备
• 5.2 摇动曲线测量和数据分析
• 5.4 分析和总结
• 参考文献
• 6 结论
• 攻读博士学位期间文章和报告目录
• 致谢