一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，该菲涅尔透镜组的制备方法在中子小角散射谱仪最小Q布局情况下，确定菲涅尔聚焦透镜焦距，选择透镜个数和入射中子波长，以此来确定单个菲涅尔透镜的焦距、以圆片中心为凹透镜顶点确定球形或者抛物线形凹透镜曲率半径，随后在凹透镜外周制备锯齿形顶角。本发明专利技术与基于反应堆和散裂中子源的中子小角散射谱仪联用，能够在中子小角散射谱仪最小Q布局下增强样品位置中子通量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法
本专利技术属于中子小角散射实验领域，具体涉及一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法。
技术介绍
中子小角散射是研究亚微观结构和形态特征的一种重要技术和手段，现已广泛应用于聚合物、生物大分子、凝聚态物理和材料科学等学科，研究领域涉及合金、悬浮物、乳液、胶体、高分子溶液、天然大分子、液晶、薄膜、聚电解质、复合物、纳米材料和分形等。在发达国家，每一个研究堆都有一台或几台中子小角散射谱仪作为材料研究的重要技术手段。中子小角散射主要研究材料内部微观粒子尺寸、尺寸分布、形状、分形等参数。材料内部微观粒子尺寸可能在几纳米、几十纳米甚至几百纳米量级。一台中子小角散射谱仪建成之后，谱仪的Q范围就确定，其测量散射粒子的粒径范围就基本确定，如果超过这个范围的散射粒子，现有谱仪就无法完成，而本领域通常利用复合折射透镜组来拓展可测量的最大散射粒子的粒径范围，但由于复合折射透镜采用双凹透镜技术，单个镜片厚度较大，造成透镜组长度尺寸过大，导致整个装置的中子透过率较低、不利于有效利用中子源。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提供一种透过率高的用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法。为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，其特点是，该方法包括如下步骤：(1)选取N片一定厚度的透镜基材；(2)确定中子小角散射谱仪最小Q布局下的菲涅尔透镜组焦距ft；(3)以透镜基材的中心点为圆心，加工曲率半径为R、深度为b的凹透镜，且凹透镜深度b小于透镜基材厚度；(4)在透镜基材的凹透镜外周依次加工第i个锯齿形切口顶角θ2i，i＝1，2，3，…，获得各单片菲涅尔透镜；(5)将N片菲涅尔透镜按照锯齿形切口朝向一致的方式依次叠加形成菲涅尔透镜组。进一步，步骤(2)中，在中子小角散射谱仪最小Q布局下，菲涅尔透镜组的焦距ft为：其中，L1为中子小角散射谱仪的中子导管出口到透镜组中心的距离，L2为透镜组中心到中子小角散射谱仪的探测器之间的距离。进一步，步骤(3)中，凹透镜曲率半径R为：式中,d为透镜材料的质量密度，单位：g/cm3；Nav为阿伏伽德罗常数，6.02×1023/mol；M为材料的摩尔质量，即分子量，单位：g/mol；bc为透镜材料的相干散射长度，其值可在核数据表中查到，单位：fm，1fm＝10-13cm；λ为入射中子波长，单位：进一步，步骤(4)中，凹透镜外周第i个锯齿形切口的顶角θ2i为：其中，i＝1，2，3，…；R1为凹透镜边缘距光轴中心线之间的距离；令，θ20＝0进一步，步骤(3)中，所述的凹透镜为球形凹透镜。进一步，步骤(4)中的第i个锯齿形切口顶角θ2i为：其中，i＝1，2，3，…；令，θ20＝0。进一步，步骤(3)中，所述的凹透镜为抛物线形凹透镜。进一步，步骤(4)中的第i个锯齿形切口顶角θ2i为：其中，i＝1，2，3，…；令，θ20＝0。进一步，所述的菲涅尔透镜基材为圆形，其厚度为0.5～1mm，直径为30～40mm。进一步，所述的菲涅尔透镜的材料选取为中子光学材料，如MgF2单晶材料、石英、聚四氟乙烯中任意一种。本专利技术用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，在中子小角散射谱仪最小Q布局情况下，通过加装菲涅尔透镜组装置，使得谱仪的最小Q能向更小Q值延伸，同时能够增加样品位置中子通量和改善谱仪分辨率，从而扩大中子小角散射实验范围。附图说明图1为本专利技术的菲涅尔透镜组的中子小角散射谱仪最小Q布局示意图；图2为本专利技术的单片菲涅尔透镜的原理示意图；图3为本专利技术放大的单片菲涅尔透镜中的凹透镜中子束流折射示意图；图4为本专利技术单片菲涅尔透镜的局部放大锯齿形部分中子束流折射示意图；图5为本专利技术的单片菲涅尔透镜锯齿部分第一个和第二个锯齿形示意图；图6为本专利技术的单片菲涅尔透镜的平面图；图7为本专利技术的单片菲涅尔透镜立体图；图中，1.源光阑2.菲涅尔透镜组3.菲涅尔透镜组焦点F4.二维位敏探测器5.源光阑在探测器上的成像，6.中子束流7.光轴中心线8.源光阑到菲涅尔透镜组中心距离L1，9.透镜组焦距ft10.菲涅尔透镜组中心到探测器之间的距离L2。具体实施方式下面结合附图1-7对本专利技术技术方案做进一步详细解释。图1中，1为源光阑，2为菲涅尔透镜组，3为菲涅尔透镜组焦点F，4为二维位敏探测器，5为源光阑在探测器上的成像，6为中子束流，7为光轴中心线，8为源光阑到菲涅尔透镜组中心距离L1，9为透镜组焦距ft，10为菲涅尔透镜组中心到探测器之间的距离L2。图2中，A为单片菲涅尔透镜上任意一点，R1为凹透镜边缘距光轴中心线距离，R为凹透镜曲率半径，a为单片菲涅尔透镜不可加工厚度，b为单片菲涅尔透镜可加工厚度，f为单片菲涅尔透镜焦距。图3中，A0为中子束流入射到凹透镜上任意一点，x为A0的横坐标，y为A0的纵坐标，θ0为入射角，θ10为折射角，⊿θ0为入射束流的偏转角，o为凹透镜底部中心点，R为凹透镜曲率半径，n为透镜材料的折射率，f为单片菲涅尔透镜焦距。图4中，Ai为中子束流入射到锯齿形上任意一点，θi为入射角，θ1i为折射角，⊿θi为入射束流的偏转角，θ2i为第i个锯齿形顶角，n为透镜材料的折射率，f为单片菲涅尔透镜焦距。本专利技术提供一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)：选取N片方形或者圆形薄片中子光学材料为基材。选取的依据为中子吸收截面小，相干散射截面大的材料，比如MgF2单晶，聚四氟乙烯等，薄片厚度一般在1mm左右。步骤(2)：确定中子小角散射谱仪最小Q布局下N个菲涅尔透镜组成的透镜组焦距ft：图1为中子小角散射谱仪最小Q布局示意图，根据透镜成像公式有：(1)式中，L1为中子小角散射谱仪的中子导管出口到透镜组中心的距离，L2为透镜组中心到中子小角散射谱仪的探测器之间的距离。步骤(3)：以各透镜基材的中心点为圆心，加工深度为b、曲率半径为R的球形或者抛物线形凹透镜。其中，凹透镜所需加工深度b小于透镜基材厚度，该加工深度b大致为基材厚度的80％左右；凹透镜曲率半径R的确定方法如下：由于透镜组焦距是N个透镜组成，则单个透镜的焦距f为：f＝N·ft(2)图2为单个菲涅尔透镜示意图，图3为单个菲涅尔透镜放大后的凹透镜中子束线折射示意图，图中A0点为凹透镜上任意一点，其坐标为(x，y)，x的取值范围为0～b，坐标值x和y有对应关系，对于球形凹透镜有：对于抛物线形有：(3)式和(4)式中的R分别为球形或者抛物线形凹透镜曲率半径。将一束中子流入射到A0点，经过折射后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)选取N片一定厚度的透镜基材；/n(2)确定中子小角散射谱仪最小Q布局下的菲涅尔透镜组焦距f

【技术特征摘要】
1.一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)选取N片一定厚度的透镜基材；
(2)确定中子小角散射谱仪最小Q布局下的菲涅尔透镜组焦距ft；
(3)以透镜基材的中心点为圆心，分别加工曲率半径为R、深度为b的凹透镜，且凹透镜深度b小于透镜基材厚度；
(4)在透镜基材的凹透镜外周依次加工第i个锯齿形切口顶角θ2i，i＝1，2，3，…，获得各单片菲涅尔透镜；
(5)将N片菲涅尔透镜按照锯齿形切口朝向一致的方式，依次叠加形成菲涅尔透镜组。


2.根据权利要求1所述的用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在中子小角散射谱仪最小Q布局下，菲涅尔透镜组的焦距ft为：



其中，L1为中子小角散射谱仪的中子导管出口到透镜组中心的距离，L2为透镜组中心到中子小角散射谱仪的探测器之间的距离。


3.根据权利要求1所述的用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，凹透镜曲率半径R为：



式中,d为透镜材料的质量密度，单位：g/cm3；Nav为阿伏伽德罗常数，6.02×1023/mol；M为材料的摩尔质量，即分子量，单位：g/mol；bc为透镜材料的相干散射长度，其值可在核数据表中查到，单位：fm，1fm＝10-13cm；λ为入射中子波长，单位：


4.根据权利要求1所述的用于中子小角散射谱仪聚焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈良，孙良卫，刘栋，李新喜，王云，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51