可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构制造技术

本发明专利技术涉及中子反射技术领域，尤指一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构；所述的光路结构主要包括入射臂、样品台和反射臂；入射臂包括第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝、聚焦导管、极化器、第一平移台、第二平移台、第一平台、第二平台和入射臂底座；样品台包括竖直电磁铁、样品、低温恒温器、第三平台、样品姿态调整机构和样品台底座；所述反射臂包括第四狭缝、升降台、极化分析器、探测器、第三平移台、反射臂底座、第四平台和反射臂旋转驱动机构；本发明专利技术通过简单控制和调整三个平移台和一个升降台的运动即可实现极化和非极化模式的快速切换，结构易于实现，实验精确度高。

Light path structure of neutron reflection spectrometer capable of rapidly switching polarized and non polarized modes

The present invention relates to the technical field of neutron reflection, especially a spectrometer optical structure of fast switching polarization and non polarization mode neutron reflection; optical structure comprising incident arm, sample stage and the reflection of incident arm comprises a first arm; second, third slit, slit slit, focusing tube, polarizer, first translation table, second translation table, a first and a second platform and incident arm base; sample table includes vertical cryostat, electromagnet, samples, third samples of platform, attitude adjustment mechanism and the sample table base; the reflecting arm comprises fourth slit, lifting table, polarization analyzer, detector, third translation table, reflection base, arm fourth platform and reflection arm rotary drive mechanism; motion can be controlled and adjusted by the invention has the advantages of simple three platform and a lifting platform to realize polarization and The fast switching of non polarized mode is easy to implement, and the experimental accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构
本专利技术涉及中子反射
，尤指一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。
技术介绍
中子反射技术是通过测量界面薄膜材料对中子的反射分析获知界面处0.5~500nm尺度范围内结构成分等信息的先进材料表征技术，一方面，由于中子具有较强的穿透能力和不带电等独特属性，使得中子反射技术日益成为薄膜材料膜层结构的重要研究手段；另一方面，由于中子具有自旋磁矩，自旋取向单一的中子，也称之为极化中子，与磁性材料的磁矩之间的相互作用可以被反射后的中子所记录，使得中子反射技术是获取这些磁性薄膜材料的磁结构信息和测量磁性沿膜后方向深度剖面分布的有力手段，因此，如果能够分别测量非极化和极化的中子反射对于磁性薄膜材料具有非常重要的意义。另外，中子还具有一定的静止质量，不同能量（波长）的中子在飞行一段距离后到达探测器是有先有后的，因此，通过采用中子飞行时间的办法可以实现测量数据的记录，即根据时间先后对散射或反射后的中子进行标定，这一方法特别适合中子波长不固定的散裂中子源中子谱仪，但是飞行时间法中子谱仪的精度也将取决于中子飞行距离的精度，固定的飞行距离将大大降低数据分析的难度，减少数据的误差。目前，由于时间飞行方法简化了谱仪结构的设计，在反应堆上通过设置特定的斩波器也开始得到应用。典型的（非极化）中子反射谱仪的光路区域主要分成两部分：入射光路区域和反射光路区域。入射光路在靠近样品处会布置数台狭缝，以实现对入射中子束大小进行调节，因此反射谱仪的入射光路一般也仅指这一光路区域，长度一般有几米；反射光路用来约束通过样品后的中子束，其长度从样品点开始到达探测器，一般是2~3m，在此光路区域上也需要布置数台狭缝，或其他屏蔽材料。其中，狭缝通常由中子吸收材料做成的两片水平刀片和两片竖直刀片以及刀片的驱动机构组成，因此狭缝的开口范围可调，通过两到三组狭缝可以截取出具有高分辨率的中子束，本专利技术采用的狭缝结构如专利号为201310099537.3的狭缝装置及四刀狭缝，该狭缝结构可用于各种中子散射谱仪系统，狭缝宽度可高精度宽范围调整。极化器和极化分析器是极化中子反射谱仪不可缺少的组成部分,主要用于磁性薄膜材料的研究。极化器布置在入射光路区域，而极化分析器布置在反射光路区域。由于入射中子具有不同的自旋磁矩取向，通过极化器对入射中子束中不同自旋取向的中子进行选择,从而获得单一自旋取向的入射极化中子束。入射极化中子束与磁性样品材料发生磁相互作用之后，反射中子束中会包含两种自旋取向的中子。由于中子探测器并不能识别不同自旋取向的反射中子，因此需要通过放置在探测器前的极化分析器对反射中子束中两种不同自旋取向的中子进行分析并分开，最终由探测器分别测量两种不同自旋取向的反射中子束强度。目前反射谱仪常用的极化器由中子超镜薄膜制成，其优点是极化器和极化分析器的结构相同或相近，它们内部均由数片极化中子超镜组成，其原理是利用了不同极化的中子的全反射角不同，通过调节中子的入射角度，将入射中子束流中一种旋向的中子全反射，而另一旋向的中子全透射，因此，入射中子分成了两束极化的中子束，一束是沿反射方向，另一束沿透射方向。极化器和极化分析器有两种结构：一种是反射式结构，使用的是被极化中子超镜反射的极化中子；另一种是透射式结构，使用的是被极化中子超镜透射的极化中子。目前国际上最先进的中子反射谱仪是美国散裂中子源（SNS）中的磁反射谱仪（MR），在这台谱仪入射光路区域，三台狭缝固定放置，极化器安装在入射光路区域的一个升降台上，这台谱仪上的极化器使用的是反射式结构。在这台谱仪上做非极化中子反射实验时，通过调整三台狭缝的不同开口大小来截取所需要的入射中子束，再通过移动和转动样品扫描反射中子强度来找到入射中子束位置及样品相对于入射中子束的零度角位置，之后再把样品转动一定角度（入射角），实验时入射中子束直接沿着入射光路打到样品表面并被反射，最后反射中子再被探测器所探测到。如果要进行极化反射实验时，则首先使用升降台把极化器移入中子光路，由于入射中子在经过（反射式）极化器后，反射得到的极化中子束与入射中子束存在一定夹角，因此，入射中子光路发生了改变，虽然可以重新通过移动和转动样品扫描反射中子强度来找到新的入射中子光路位置及样品相对于新的入射中子光路的零度角位置，但是，由于中子飞行距离对于飞行时间中子反射谱仪来说是至关重要的，因此从非极化模式切换到极化模式之后需要通过复杂的样品与探测器的联动准直过程来校正中子的飞行距离。这导致了在这台谱仪上对于同一样品实验在极化模式和非极化模式之间切换变得非常的复杂且中间需要做很多复杂的调整和计算，从而浪费了大量的中子束流时间，以致于实际使用过程中无法实现对同一样品进行极化和非极化的中子反射测量。因此，设计一种新的可快速切换极化和非极化测量模式的中子反射谱仪的光路结构，从而实现对同一样品进行极化和非极化的中子反射测量是非常必要的。本专利技术专利之专利技术人在中国技术型期刊《核技术》在2015年第38卷第3期中的《高精度气浮支承转动平台结构设计及精度测试》论文中公开了一种能用于中子反射谱仪的气浮支承转动平台结构设计，该论文主要公开了气浮支承转动平台结构设计以及经过理论分析及数据处理等测试方法得出气浮支承加摩擦轮驱动的结构能够满足多功能反射谱仪反射臂的运动要求，虽然该文献公开的气浮支承转动平台可以应用于中子反射谱仪的探测器的移动和定位，但是无法实现样品和探测器的联动，即在该文献的技术启迪下，是得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构；另外专利号为201310081905.1，专利名称一种用于高分辨率中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的专利文献中，公开了一种通过气浮支撑探测器运载单元，通过驱动电机驱动摩擦轮转动带动探测器运载单元绕着样品中心旋转，通过中心设置的圆光栅来反馈探测器运载单元的旋转角度及定位精度，该气浮支撑探测器运载单元也可应用于中子反射谱仪的探测器的移动和定位，但是依然无法实现样品和探测器的联动，即在该文献的技术启迪下，是得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。另一专利号为201110091018.3，专利名称为水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整结构的专利文献中，公开了一种应用于中子反射谱仪的入射升降机构和反射升降机构，通过调整狭缝和中子飞行管的位置，实现了样品和探测器的联动，但其实质是用来同时改变中子束的入射角和反射角，从而满足反射的几何关系，无法应用于飞行时间谱仪的飞行距离的准直调整，而且在此台谱仪上只能进行水平放置样品的非极化中子反射实验，不能进行极化中子反射实验，在该文献的技术启迪下，也得不到可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。
技术实现思路
为弥补现有中子反射谱仪使用上的局限性，本专利技术旨在提供一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂、样品台和反射臂。所述入射臂主要包括第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝、聚焦导管、极化器、第一平移台、第二平移台、第一平台、第二平台和入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂（1）、样品台（2）和反射臂（3）；其特征在于：所述入射臂（1）主要包括第一狭缝（4）、第二狭缝（5）、第三狭缝（6）、聚焦导管（7）、极化器（8）、第一平移台（9）、第二平移台（10）、第一平台（20）、第二平台（21）和入射臂底座（22）；其中入射臂底座（22）放置在精密花岗岩地面上，所述第一平台（20）固定安装在入射臂底座（22）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第二平台（21）固定安装在入射臂底座（22）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一平移台（9）固定安装在第一平台（20）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第二平移台（10）固定安装在第一平台（20）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一狭缝（4）固定安装在第一平移台（9）的第一滑台（41）上，所述聚焦导管（7）固定安装在第二平移台（10）的第二滑台（57）上，所述极化器（8）固定安装在第二平移台（10）的第三滑台（66）上，所述第二狭缝（5）固定安装在第二平台（21）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第三狭缝（6）固定安装在第二平台（21）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一狭缝（4）和聚焦导管（7）在沿着入射中子束方向的入射端平齐，所述极化器（8）在沿着入射中子束方向的入射端与第一狭缝（4）在沿着入射中子束方向的出射端相距20mm左右，所述极化器（8）在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝（5）在沿着入射中子束方向的入射端相距20mm左右，所述聚焦导管（7）在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝（5）在沿着入射中子束方向的入射端相距120mm左右，所述第一平移台（9）的沿着入射中子束方向的右端和所述第二平移台（10）的沿着入射中子束方向的右端平齐，所述第一狭缝（4）、第二狭缝（5）、第三狭缝（6）、聚焦导管（7）和极化器（8）的中心高度与入射中子束高度相同；所述样品台（2）主要包括竖直电磁铁（11）、样品（12）、低温恒温器（13）、第三平台（32）、样品姿态调整机构（14）和样品台底座（31）；所述竖直电磁铁（11）用于为样品提供竖直方向的磁场环境；所述低温恒温器（13）为样品提供温度环境；所述样品（12）竖直放置在低温恒温器（13）的冷头上，所述竖直电磁铁（11）和低温恒温器（13）固定安装在第三平台（32）上，所述第三平台（32）固定安装在样品姿态调整机构（14）上，所述样品姿态调整机构（14）固定放置在样品台底座（31）上；所述样品姿态调整机构（14）主要包括一个平移台一个旋转台，平移台通过电机驱动滚珠丝杆转动来带动平移台台面的平移，旋转台通过电机驱动蜗杆带动蜗轮转动，从而实现旋转台台面的转动；所述反射臂（3）包括第四狭缝（15）、升降台（16）、极化分析器（17）、探测器（18）、第三平移台（19）、反射臂底座（23）、第四平台（33）和反射臂旋转驱动机构；其中所述反射臂底座（23）底部固定设置三组气浮支撑单元（25），每组气浮支承单元（25）由左右两个气浮垫构成，三组气浮支撑单元均放置在精密花岗岩平台表面；气浮支承单元充气时将会与地面间形成一层气膜而不会与地面接触，此时反射臂底座（23）与地面间将不接触无摩擦阻力；所述第四平台（33）与反射臂底座（23）固定连接，所述第四狭缝（15）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的入射端，所述升降台（16）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的左侧中部，所述第三平移台（19）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的出射端，所述第三平移台（19）竖直中心面与中子束反射方向共面，所述极化分析器（17）固定安装在升降台（16）的升降台滑台（104）上，所述极化分析器（17）的竖直中心面与中子束反射方向共面，所述探测器（18）固定安装在平移台（19）的第四滑台（83）上，所述探测器（18）的探测面与中子束反射方向垂直。...

【技术特征摘要】
1.一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，所述的光路结构主要包括沿着入射中子束方向顺序依次放置在精密花岗岩地面的入射臂（1）、样品台（2）和反射臂（3）；其特征在于：所述入射臂（1）主要包括第一狭缝（4）、第二狭缝（5）、第三狭缝（6）、聚焦导管（7）、极化器（8）、第一平移台（9）、第二平移台（10）、第一平台（20）、第二平台（21）和入射臂底座（22）；其中入射臂底座（22）放置在精密花岗岩地面上，所述第一平台（20）固定安装在入射臂底座（22）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第二平台（21）固定安装在入射臂底座（22）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一平移台（9）固定安装在第一平台（20）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第二平移台（10）固定安装在第一平台（20）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一狭缝（4）固定安装在第一平移台（9）的第一滑台（41）上，所述聚焦导管（7）固定安装在第二平移台（10）的第二滑台（57）上，所述极化器（8）固定安装在第二平移台（10）的第三滑台（66）上，所述第二狭缝（5）固定安装在第二平台（21）的沿着入射中子束方向的入射端，所述第三狭缝（6）固定安装在第二平台（21）的沿着入射中子束方向的出射端，所述第一狭缝（4）和聚焦导管（7）在沿着入射中子束方向的入射端平齐，所述极化器（8）在沿着入射中子束方向的入射端与第一狭缝（4）在沿着入射中子束方向的出射端相距20mm左右，所述极化器（8）在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝（5）在沿着入射中子束方向的入射端相距20mm左右，所述聚焦导管（7）在沿着入射中子束方向的出射端与第二狭缝（5）在沿着入射中子束方向的入射端相距120mm左右，所述第一平移台（9）的沿着入射中子束方向的右端和所述第二平移台（10）的沿着入射中子束方向的右端平齐，所述第一狭缝（4）、第二狭缝（5）、第三狭缝（6）、聚焦导管（7）和极化器（8）的中心高度与入射中子束高度相同；所述样品台（2）主要包括竖直电磁铁（11）、样品（12）、低温恒温器（13）、第三平台（32）、样品姿态调整机构（14）和样品台底座（31）；所述竖直电磁铁（11）用于为样品提供竖直方向的磁场环境；所述低温恒温器（13）为样品提供温度环境；所述样品（12）竖直放置在低温恒温器（13）的冷头上，所述竖直电磁铁（11）和低温恒温器（13）固定安装在第三平台（32）上，所述第三平台（32）固定安装在样品姿态调整机构（14）上，所述样品姿态调整机构（14）固定放置在样品台底座（31）上；所述样品姿态调整机构（14）主要包括一个平移台一个旋转台，平移台通过电机驱动滚珠丝杆转动来带动平移台台面的平移，旋转台通过电机驱动蜗杆带动蜗轮转动，从而实现旋转台台面的转动；所述反射臂（3）包括第四狭缝（15）、升降台（16）、极化分析器（17）、探测器（18）、第三平移台（19）、反射臂底座（23）、第四平台（33）和反射臂旋转驱动机构；其中所述反射臂底座（23）底部固定设置三组气浮支撑单元（25），每组气浮支承单元（25）由左右两个气浮垫构成，三组气浮支撑单元均放置在精密花岗岩平台表面；气浮支承单元充气时将会与地面间形成一层气膜而不会与地面接触，此时反射臂底座（23）与地面间将不接触无摩擦阻力；所述第四平台（33）与反射臂底座（23）固定连接，所述第四狭缝（15）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的入射端，所述升降台（16）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的左侧中部，所述第三平移台（19）固定安装在第四平台（23）的沿着中子束反射方向的出射端，所述第三平移台（19）竖直中心面与中子束反射方向共面，所述极化分析器（17）固定安装在升降台（16）的升降台滑台（104）上，所述极化分析器（17）的竖直中心面与中子束反射方向共面，所述探测器（18）固定安装在平移台（19）的第四滑台（83）上，所述探测器（18）的探测面与中子束反射方向垂直。2.根据权利要求1所述的一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，其特征在于：所述聚焦导管（7）内部由两对水平及竖直的汇聚型超镜组成，外部为不锈钢真空壳体。3.根据权利要求1所述的一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，其特征在于：所述极化器（8）由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成，所述极化器（8）采用透射式结构。4.根据权利要求1所述的一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，其特征在于：所述的极化分析器（17）由内部极化中子超镜、自旋翻转器和外部真空壳体组成，所述极化分析器（17）采用透射式结构。5.根据权利要求1所述的一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，其特征在于：所述第一平移台（9）主要由第一滑台（41）、第一平移台主体（42）和第一滑台驱动机构组成；第一平移台主体（42）水平放置，第一滑台（41）与第一平移台主体（42）平行，第一滚珠丝杆副（38）与第一平移台主体（42）平行；第一平移台主体（42）的两侧对称固定连接左右两条第一直线导轨副（44），左右两条直线导轨副（44）各包含两个第一滑块（46），第一滑台（41）分别与左右两条第一直线导轨副（44）的两个第一滑块（46）固定连接；第一滑台驱动机构包括第一电机（34）、第一电机连接板（35）、第一联轴器（36）、第一丝杆固定端轴承座（37）、第一角接触球轴承（108）、第一滚珠丝杆副（38）、第一螺母座（40）、第一丝杆支撑端轴承座（43）和第一深沟球轴承（109），第一电机连接板（35）、第一丝杆固定端轴承座（37）和第一丝杆支撑端轴承座（43）均与第一平移台主体（42）固定连接，第一滚珠丝杆副（38）电机安装侧通过一对第一角接触球轴承（108）与第一丝杆固定端轴承座（37）相连，第一滚珠丝杆副（38）远离电机安装侧通过第一深沟球轴承（109）与第一丝杆支撑端轴承座（43）相连，第一滚珠丝杆副（38）电机安装侧通过第一联轴器（36）与第一电机（34）相连，第一电机（34）与第一电机连接板（35）固定相连，第一滚珠丝杆副（38）包含一个第一滚珠螺母（39），第一滚珠螺母（39）通过第一螺母座（40）与第一滑台（41）相连；第一平移台主体（42）侧边粘贴有第一光栅尺（45），与第一滑台（41）固定连接的第一读数头支撑板（47）上安装有第一光栅尺读数头（48），第一光栅尺读数头（48）实时读取第一光栅尺（45）以获得第一滑台（41）以及放置在第一滑台（41）上的第一狭缝（4）的实时位置。6.根据权利要求1所述的一种可快速切换极化和非极化模式的中子反射谱仪光路结构，其特征在于：所述第二平移台（10）由第二滑台（57）、第三滑台（66）、第二平移台主体（74）、第二滑台驱动机构和第三滑台驱动机构组成；第二平移台主体（74）水平放置，第二滑台（57）和第三滑台（66）共面并与第二平移台主体（74）平行，第二滚珠丝杆副（53）和第三滚珠丝杆副（62）平行并与第二平移台主体（74）平行；第二平移台主体（74）的两侧对称固定连接左右两条第二直线导轨副（67），左右两条直线导轨副（67）各包含四个第二滑块（68），第二滑台（57）分别与左右两条第二直线导轨副（67）的其中两个第二滑块（68）固定连接，第三滑台（66）分别与左右两条第二直线导轨副（67）的另两个第二滑块（68）固定连接；第二滑台驱动机构包括第二电机（49）、第二电机连接板（50）、第二联轴器（51）、第二丝杆固定端轴承座（52）、第二角接触球轴承（110）、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖松文，孙远，吴延岩，朱涛，
申请(专利权)人：东莞中子科学中心，
类型：发明
国别省市：广东,44