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1、(10)申请公布号 CN 102221516 A (43)申请公布日 2011.10.19 CN 102221516 A *CN102221516A* (21)申请号 201110064573.7 (22)申请日 2011.03.17 G01N 13/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院化学研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北一街 2 号 (72)发明人 袁光萃 张红霞 程贺 韩志超 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 关畅 (54) 发明名称 中子反射谱仪单色器的调节装置和用其调整 单色器的方法 (57) 摘要 本发明提供了一种。
2、具有水平样品几何的中子 反射谱仪单色器的调节装置及其用来调整单色器 的方法。该调节装置包括上下依次固定连接的 单色器、 支撑块、 基座、 精密角度位移台、 精密旋转 台、 精密水平位移台和精密高度位移台。本发明 提供的上述调节装置的调节方法包括如下步骤 ： (1) 调节所述精密高度位移台和精密水平位移 台， 使所述单色器的几何中心与白光中子源的中 心重合 ； (2) 将所述精密旋转台的旋转台面绕所 述回转轴线旋转， 并保持所述单色器的几何中心 位置不变 ； (3) 将所述精密角度位移台的倾斜工 作台面绕所述转动轴线旋转， 并保持所述单色器 的几何中心位置不变， 则得到不同角度的单色中 子束。本。
3、发明的调节装置能够清晰地进行波长的 选择和单色中子束角度的改变， 定位精度高， 易于 获取高强度的中子束 ； 本发明提供的调节方法简 单易行。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102221527 A1/1 页 2 1. 中子反射谱仪单色器的调节装置， 其特征在于 ： 所述装置包括支撑单色器的支撑 块、 基座、 精密角度位移台、 精密旋转台、 精密水平位移台和精密高度位移台 ； 所述精密角度 位移台由固定座 a 和与所述固定座 a 活动连接的可沿所述固定座 a 的弧形轨道进行摆动的 精密角。
4、度位移弧形台面组成 ； 所述精密旋转台由固定座 b 和设置于所述固定座 b 上的可旋 转的精密旋转台面组成 ； 所述精密水平位移台由固定座 c 和设置于所述固定座 c 上的可水 平移动的精密水平位移台面组成 ； 所述精密高度位移台由固定座 d 和设置于所述固定座 d 上的可升降的精密高度位移台面组成 ； 所述支撑块设于所述基座上 ； 所述基座设于所述精 密角度位移弧形台面上， 所述固定座a设于所述精密旋转台面上， 所述固定座b设于所述精 密水平位移台面上， 所述固定座 c 设于所述精密高度位移台面上。 2. 根据权利要求 1 所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述单色器的入射面与水平面成 90。
5、角 ； 所述单色器的几何中心到所述基座的底面的高度等于所述精密角度位移台的转动 轴线到所述精密角度位移弧形台面的高度 ； 所述精密旋转台面的回转轴线通过所述单色器 的几何中心 ； 所述精密水平位移台的中轴线与所述精密旋转台面的回转轴线垂直相交 ； 所 述精密高度位移台的垂直中线与所述精密旋转台面的回转轴线重合， 所述精密高度位移台的垂直中线与所述精密水平位移台的中轴线垂直相交。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述精密角度位移台的精密角 度位移弧形台面通过转动机构与能够驱动该精密角度位移弧形台面转动的步进电机相连。 4. 根据权利要求 1-3 中任一所述的调节。
6、装置， 其特征在于 ： 所述精密旋转台的精密旋 转台面通过旋转机构与能够驱动该精密旋转台面旋转的步进电机相连。 5. 根据权利要求 1-4 中任一所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述精密水平位移台的精 密水平位移台面通过移动机构与能够驱动该精密水平位移台面水平位移的步进电机相连。 6. 根据权利要求 1-5 中任一所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述精密高度位移台的精 密高度位移台面通过升降机构与能够驱动该精密高度位移台面升降的步进电机相连。 7. 根据权利要求 1-6 中任一所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述精密旋转台的角度精 度为 0.005 ； 所述精密角度位移台的角度精度为 0。
7、.0015。 8. 根据权利要求 1-7 中任一所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述精密水平位移台的定 位精度为 3m ； 所述精密高度位移台的定位精度为 3m。 9. 根据权利要求 1-8 中任一所述的调节装置， 其特征在于 ： 所述单色器为高定向热解 石墨单色器。 10. 利用权利要求 1-9 中任一所述调节装置来调整单色器的方法， 包括如下步骤 ： (1) 调整所述精密高度位移台面和精密水平位移台面， 使所述单色器的几何中心与白 光中子源的中心重合 ； (2) 将所述精密旋转台的精密旋转台面绕所述回转轴线旋转， 并保持所述单色器的几 何中心位置不变 ； (3) 将所述精密角度位移台的精。
8、密角度位移弧形台面绕所述转动轴线旋转， 并保持所 述单色器的几何中心位置不变， 则得到不同角度的单色中子束。 权 利 要 求 书 CN 102221516 A CN 102221527 A1/4 页 3 中子反射谱仪单色器的调节装置和用其调整单色器的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种具有水平样品几何的中子反射谱仪单色器的调节装置和用其调 整单色器的方法， 属于中子反射技术领域。 背景技术 0002 中子反射技术是 80 年代初、 中期发展起来的中子散射技术的一个分支， 已经成为 探测 0.1nm-100nm 范围内表面和界面结构的一种强有力的手段。中子反射技术需要波长为 ， 带宽为 的单。
9、色中子束。反应堆提供的中子通常都具有连续的能谱， 这种中子源称 为白光中子源。用 Bragg 反射从白光中子源中获取单色中子束的晶体称为晶体单色器。当 反应堆引出的白光中子源以 M角与晶体的晶面 (hkl) 相交时， 根据 Bragg 定律， 反射束的 波长 和晶面间距 dhkl、 散射角 2M之间的关系为 ： 2dhklsinM。选择不同的晶面间 距dhkl或入射角M可获得不同波长的单色中子束。 在中子反射实验中， 最常用的晶体单色 器为晶面 (002) 取向的高定向热解石墨单色器。因此， 为了从白光中子源中获取满足中子 反射实验所需波长 的中子束， 需要调节白光中子源与单色器之间的夹角 M。
10、。 0003 中子反射技术通过测量样品反射率随垂直样品方向的散射矢量 Q( 散射矢量 Q 4sin/， 其中为中子束的波长， 为中子束的入射角即中子束与样品表面的夹角) 的变化关系， 反映散射长度密度沿垂直样品方向的分布， 通过分析反射率曲线得到样品厚 度、 散射长度密度、 表面和界面的粗糙度等信息。根据样品几何的不同， 中子反射谱仪通常 可以分为具有水平样品几何的中子反射谱仪和具有垂直样品几何的中子反射谱仪两种。 具 有垂直样品几何的中子反射谱仪适用于固体样品的测量， 可以通过旋转固体样品而保持单 色器不动实现入射角度的变化， 因而其单色器的调节装置比较简单。具有水平样品几何的 中子反射谱仪。
11、不仅适用于固体样品的测量， 也适用于液体样品的测量。由于液体的表面在 重力作用下只能保持水平面， 因此不能通过旋转或倾斜样品来实现入射角度的变化。 因此， 对于具有水平样品几何的中子反射谱仪， 为获得散射矢量变化量 Q， 中子束的入射角需改 变 ， 需要倾斜晶体单色器偏离其反射平面 /2 角来提供中子反射实验用的中子束。 0004 另外， 液体的散射长度密度较低， 导致中子反射临界角较小， 且反射率较低， 需要 高强度的中子束。 为提高中子反射实验所用的中子束强度， 提高测试效率， 在白光中子源通 量一定的情况下， 需要最大范围的截取白光中子源， 因此需要精确调整晶体单色器的几何 中心与白光中。
12、子源的相对位置。 0005 目前国内没有关于具有水平样品几何的中子反射谱仪的单色器调节装置的报道。 国际上最先进的是美国国家标准技术研究院 (National Institute of Standards and Technology) 中子研究中心的水平样品几何中子反射谱仪， 但未检索到这台谱仪使用的单 色器调节装置及方法的公开报道。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种具有水平样品几何的中子反射谱仪单色器的调节装置 说 明 书 CN 102221516 A CN 102221527 A2/4 页 4 和用其来调整单色器的方法。 0007 本发明提供的具有水平样品几何的中子反射谱仪单色。
13、器的调节装置包括支撑单 色器的支撑块、 基座、 精密角度位移台、 精密旋转台、 精密水平位移台和精密高度位移台 ； 所 述精密角度位移台由固定座 a 和与所述固定座 a 活动连接的可沿所述固定座 a 的弧形轨道 进行摆动的精密角度位移弧形台面组成 ； 所述精密旋转台由固定座 b 和设置于所述固定座 b上的可旋转的精密旋转台面组成 ； 所述精密水平位移台由固定座c和设置于所述固定座c 上的可水平移动的精密水平位移台面组成 ； 所述精密高度位移台由固定座 d 和设置于所述 固定座 d 上的可升降的精密高度位移台面组成 ； 所述支撑块设于所述基座上 ； 所述基座设 于所述精密角度位移弧形台面上， 所。
14、述固定座a设于所述精密旋转台面上， 所述固定座b设 于所述精密水平位移台面上， 所述固定座 c 设于所述精密高度位移台面上。 0008 上述的调节装置中， 所述单色器的入射面与水平面成 90角 ； 所述单色器的几何 中心到所述基座的底面的高度等于所述精密角度位移台的转动轴线到所述精密角度位移 弧形台面的高度 ； 所述精密旋转台面的回转轴线通过所述单色器的几何中心 ； 所述精密水 平位移台的中轴线与所述精密旋转台面的回转轴线垂直相交 ； 所述精密高度位移台的垂直 中线与所述精密旋转台面的回转轴线重合， 所述精密高度位移台的垂直中线与所述精密水 平位移台的中轴线垂直相交。 0009 上述的调节装置。
15、中， 所述精密角度位移台的精密角度位移弧形台面通过转动机构 与能够驱动该精密角度位移弧形台面转动的步进电机相连 ； 所述转动机构可为现有的能够 实现转动功能的任何机构。 0010 上述的调节装置中， 所述精密旋转台的精密旋转台面通过旋转机构与能够驱动该 精密旋转台面旋转的步进电机相连 ； 所述旋转机构可为现有的能够实现旋转功能的任何机 构。 0011 上述的调节装置中， 所述精密水平位移台的精密水平位移台面通过移动机构与能 够驱动该精密水平位移台面水平位移的步进电机相连 ； 所述移动机构可为现有的能够实现 移动功能的任何机构。 0012 上述的调节装置中， 所述精密高度位移台的精密高度位移台面。
16、通过升降机构与能 够驱动该精密高度位移台面升降的步进电机相连 ； 所述升降机构可为现有的能够实现升降 功能的任何机构。 0013 上述的调节装置中， 所述精密角度位移台的角度精度可为 0.0015。 0014 上述的调节装置中， 所述精密旋转台的角度精度可为 0.005。 0015 上述的调节装置中， 所述精密水平位移台的定位精度可为 3m。 0016 上述的调节装置中， 所述精密高度位移台的定位精度可为 3m。 0017 上述的调节装置中， 所述单色器可为高定向热解石墨单色器， 如晶面 (002) 取向 的高定向热解石墨单色器。 0018 上述的调节装置中， 可以根据中子反射实验中子束强度的。
17、需要和反应堆引出的白 光中子源束流面积， 可将所述单色器设为多个或多组。 0019 本发明还提供了利用上述调节装置来调整单色器的方法， 包括如下步骤 ： 0020 (1) 调节所述精密高度位移台面和精密水平位移台面， 使所述单色器的几何中心 与白光中子源的中心重合 ； 说 明 书 CN 102221516 A CN 102221527 A3/4 页 5 0021 (2) 将所述精密旋转台的精密旋转台面绕所述回转轴线旋转， 并保持所述单色器 的几何中心位置不变 ； 0022 (3) 将所述精密角度位移台的精密角度位移弧形台面绕所述转动轴线旋转， 并保 持所述单色器的几何中心位置不变， 则得到不同。
18、角度的单色中子束。 0023 本发明提供的调节装置具有简单可靠的空间几何关系的结构， 能够清晰地进行波 长的选择和单色中子束角度的改变， 定位精度高， 易于获取高强度的中子束 ； 本发明提供的 调整方法简单易行。 附图说明 0024 图 1 为本发明的调节装置的结构示意图。 0025 图 2 为本发明的调节装置的使用状态的结构示意图。 0026 图中各标记如下 ： 1高定向热解石墨单色器、 2支撑块、 3基座、 4精密角度位移弧形 台面、 5固定座a、 6精密旋转台面、 7固定座b、 8精密水平位移台面、 9固定座c、 10精密高度 位移台面、 11 固定座 d。 具体实施方式 0027 下面。
19、结合实施例对本发明做进一步说明， 但本发明并不局限于以下实施例。 0028 如图 1 所示， 本实施例的调节装置包括垂直支持晶面 (002) 取向的高定向热解石 墨单色器 1 的支撑块 2、 基座 3、 精密角度位移台 ( 角度精度为 0.0015 )、 精密旋转台 ( 角度精度为 0.005 )、 精密水平位移台 ( 定位精度为 3m) 和精密高度位移台 ( 定 位精度为 3m) ； 精密角度位移台由固定座 a5 和与沿该固定座 a5 活动连接的可沿固定 座 a5 的弧形轨道进行摆动的精密角度位移弧形台面 4 组成， 精密角度位移弧形台面 4 通过 转动机构与能够驱动其转动的过步进电机(图中。
20、未示出)相连接， 用于进行调节转动角度 ； 精密旋转台由固定座 b7 和设置于该固定座 b7 上的可旋转的精密旋转台面 6 组成， 精密旋 转台面 6 通过旋转机构与能够驱动其旋转的步进电机 ( 图中未示出 ) 相连接， 用于进行调 节旋转角度 ； 精密水平位移台由固定座 c9 和设置于该固定座 c9 上的可水平移动的精密水 平位移台面 8 组成， 精密水平位移台面 8 通过位移机构与能够驱动其水平移动的步进电机 ( 图中未示出 ) 相连接， 用于进行调节水平位移 ； 精密高度位移台由固定座 d11 和设置于该 固定座 d11 上的可升降的精密高度位移台面 10 组成， 精密高度位移台面 10。
21、 通过升降机构 与能够驱动其升降的步进电机 ( 图中未示出 ) 相连接， 用于进行调节高度 ； 支撑块 2 设于 3 基座上 ； 基座 3 刚性固定于精密角度位移弧形台面 4 上， 单色器 1 的几何中心 O到基座 3 的底面的高度等于精密角度位移台的转动轴线到精密角度位移弧形台面 4 的高度， 保证精 密角度位移台的转动轴线 CC通过高定向热解石墨单色器 1 的水平中线 AA ； 固定座 a5 刚性固定于精密旋转台面 6 上， 精密旋转台面 6 的回转轴线 DD通过单色器 1 的几何中心 O ； 固定座 b7 固定于精密水平位移台面 8 上， 精密水平位移台的中轴线 EE与精密旋转 台面 6。
22、 的回转轴线 DD垂直相交 ； 固定座 c9 固定于精密高度位移台面 10 上， 精密高度位 移台的 z 方向垂直中线 FF与精密旋转台面 4 的回转轴线 DD重合， 精密高度位移台的 z 方向垂直中线FF与精密水平位移台的中轴线EE垂直相交 ； 固定座d11安装在几何中子 反射谱仪 ( 图中未示出 ) 上， 使得精密水平位移台的中轴线 EE沿着 x 轴方向。 说 明 书 CN 102221516 A CN 102221527 A4/4 页 6 0029 上述的调节装置中， 单色器还可以为锗单晶中子单色器或铍单晶中子单色器 ； 精 密角度位移台 4 和精密旋转台 5 的角度精度可以根据需要进行。
23、调节 ； 精密水平位移台 6 和 精密高度位移台 7 的定位精度可以根据需要进行调节 ； 转动机构、 旋转机构、 位移机构和升 降机构分别可为现有的能够实现转动、 旋转、 水平移动和升降功能的任何机构。 0030 使用上述调节装置时， 如图2所示， 首先运行精密高度位移台7和精密水平位移台 6， 调节单色器 1 的几何中心 O与白光中子源的中心 O 重合 ； 0031 给精密高度位移台 7 的步进电机通电， 带动精密高度位移台 7 的精密细牙滑动丝 杠转动及与精密细牙滑动丝杠配合的螺母及下楔形块移动， 从而带动与下楔形块以斜面精 密配合的上楔形块及高度移动工作台面进行上下运动。安装在精密高度位。
24、移台 7 的步进电 机尾部的编码器对转动角度进行直接测量， 通过计算精密细牙丝杠螺距尺寸及斜面的几何 关系得到精密高度位移台 7 的实际位移量， 定位精度为 3m ； 0032 同时给精密水平位移台 6 的步进电机通电， 带动精密水平位移台 6 的滚珠丝杠转 动及与滚珠丝杠配合的螺母及水平位移工作台面水平移动。安装在精密水平位移台 6 的侧 面的光栅尺直接测量水平位移量， 定位精度为 3m ； 0033 其次运行精密旋转台 5 ； 0034 根据 Bragg 定律得到白光中子源与高定向热解石墨单色器 1 在水平面内的夹角 M 45， 即经单色器 1 反射后起飞的单色中子束波长与白光中子源的夹角。
25、 为 2M 90 ； 0035 给精密旋转台5的步进电机通电， 带动精密旋转台5的蜗杆蜗轮传动， 引起精密旋 转台 5 的旋转工作台面及安装其上的精密角度位移台 4、 基座 3、 支撑块 2、 单色器 1 绕着旋 转工作台面的回转轴线 DD旋转。安装在精密旋转台 5 的步进电机尾部的编码器直接测 量转角， 经过蜗杆蜗轮 1 180 的减速比， 得到旋转工作台面的实际转角， 角度精度可达到 0.005 ； 0036 最后运行精密角度位移台 4， 提供给中子反射实验用的单色中子束的角度在 -10 10范围内变化， 具体调节过程如下 ： 0037 精密角度位移台 4 的倾斜工作台面保持水平， 精密旋。
26、转台 5 的旋转工作台面的回 转轴线 DD通过单色器的竖直中线 BB， 如图 1 所示， 根据镜面反射知， 经单色器 1 反射 后的波长的单色中子束平行 x 轴飞行， 即 0； 单色器 1 绕着精密角度位移 台 4 的转动轴线 CC旋转 -5， 经单色器 1 反射后的单色中子束角度改变 2 -10 ； 当单色器 1 绕着精密角度位移台 4 的转动轴线 CC旋转 5， 经单色器 1 反射后的单色中子束角度改变 2 10。单色器 1 绕着精密角度位移台 4 的转动轴 线 CC旋转 角， 经单色器反射后的单色中子束角度改变 2， 对于任意角度的波长 的单色中子束都位于 xOz 平面内 ； 0038 。
27、给精密角度位移台4的步进电机通电， 带动精密角度位移台4中的蜗杆蜗轮传动， 使精密角度位移台4的倾斜工作台面沿着蜗轮的转动轴线CC旋转， 从而带动基座3、 支撑 块 2、 单色器 1 绕着精密角度位移台 4 的转动轴 CC旋转。安装在精密角度位移台 4 中的 蜗杆轴端的编码器读出蜗杆的转角， 根据蜗杆蜗轮 1 304 减速比得到倾斜工作台面的旋 转角度， 角度精度 0.0015。 说 明 书 CN 102221516 A CN 102221527 A1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102221516 A CN 102221527 A2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102221516 A 。