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中国先进研究堆中子散射谱仪的模拟和优化研究

郭立平

  本论文结合当前中国先进研究堆(China Advanced Research Reactor,CARR)中子散射工程谱仪建设的迫切需要,选择国际上广泛使用的通用中子散射谱仪模拟软件MCSTAS和VITESS作为模拟研究工具,首次对若干台新建谱仪的设计方案进行了全面的模拟和优化研究,包括两条冷中子导管、中子应力衍射仪和高分辨中子粉末衍射仪,并配合冷源设计研究了导管对冷源尺寸的要求。本论文的研究结果为中子散射工程建设提供了必要的研究数据,为选择谱仪设计方案提供了基本依据。在冷源预设计尺寸φ20cm×20cm下,从传输效率和中子流量的角度对特征波长为0.2nm和0.4nm的两条冷中子导管的多种设计方案进行了比较。研究表明,采用m=2的超镜导管较~(58)Ni导管或Ni导管可以提高传输效率1.3~2.7倍,并使弯导管的直视长度变短,利于防护屏蔽安排。在满足导管出口中子束的均匀化效果前提下,模拟计算出弯导管后的直导管的最佳长度。在此基础上,分别从传输效率、中子注量率、谱形、发散度、均匀性和重力影响方面,对导管性能进行了技术分析,提出了超镜导管是建设的最佳方案,并被工程设计采纳。根据导管设计指标的需要,研究了冷源尺寸与堆内导管内壁镀膜材料的全反射临界角和导管系统出口处中子注量率的关系。结果表明,在冷中子导管使用~(58)Ni和m=2的超镜镀膜情况下,所需要的冷中子源直径为18cm~22cm,高度为30cm~36cm,并从导管需求的角度为合理的冷源尺寸提出了建议。用蒙特卡罗模拟方法对中子应力衍射谱仪的设计方案进行了优化研究,提出了一系列可供参考的数据:确定了单色器的位置、尺寸、垂直聚焦单色器在不同起飞角下的聚焦曲率半径和倾角;讨论了第二准直器的尺寸和发散,以及使用第二准直器造成的强度损失;给出了在不同单色器反射面、起飞角、中子波长和第一准直器发散度的情况下样品处的中子注量率,以及多种组合情况下谱仪的分辨率曲线;对限束方孔的尺寸、距离样品远近对强度损失和测量中的影响做了深入研究。用α-Fe多晶样品的(211)晶面进行了模拟实验,得到的衍射峰半高宽以及拉应变和压应中国原子能科学研究院博士学位论文变作用下衍射峰移动的模拟结果都与解析方法的预期值符合得很好。对高分辨粉末衍射谱仪的设计方案进行了模拟和优化研究,该谱仪主要用于材料的晶体结构和磁结构研究。通过模拟优化研究,对初步设计方案中的单色器和准直器参数作了必要的调整。研究表明,谱仪在高分辨模式和高强度模式下,样品处中子注量率分别达到8.4 x IJ和3 xlo了中子Cm一2·S一’以上,衍射峰最小半高宽分别为O,2450和0.355“,对应的△d/d分别为1.召x 10一又和2.3 xl()“。对谱仪的主要物理性能进行了全面的分析。……   
[关键词]:中国先进研究堆;中子散射;蒙特卡罗模拟;中子应力衍射谱仪;高分辨粉末衍射谱仪;冷中子导管;冷中子源
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国原子能科学研究院2003年
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