中国散裂中子源 小角中子散射虚拟实验 报告人：张晟恺 小角散射谱仪
中国散裂中子源（CSNS）介绍 CSNS系统构成：一台H-直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和3台谱仪。3台谱仪分别是：小角散射谱仪、多功能反射仪和高通量粉末衍射仪。 2
小角散射谱仪（SANS-Small Angle Neutron Scattering） SANS用于探测物质体系在1～100nm尺度内的微观和介观结构。可用于材料内部的微结构表征、聚合物和生物大分子的链团构型分析、合金的相分离、磁性物质的磁畴、固体材料中的孔洞和缺陷的测试和研究等等。 2
一、SANS虚拟实验原理 1. 中子束线必须是绝对强度单位，中子在整个虚拟的谱仪中可以被追踪，从源一直到探测器。 2. 虚拟的谱仪尽可能的和实际的谱仪相同。 3. 虚拟中子谱仪和实际谱仪一样容易被控制，虚拟产生的实验数据可以像真实数据一样被分析。
二、 SANS虚拟实验设计 1.1、 慢化器——理论计算 1.1、 慢化器——理论计算 慢化器发射面总的中子通量是3.8X1012n/cm2/s，慢化器温度为20K，内部有6m的屏蔽，外面有3m的生物屏蔽和5m的准直器，从样品到探测器的距离为5m，探测器为1m长0.5英寸的He3管，小角谱仪的模型如左图所示。 样品处的通量为: 假设50%非相干散射的中子穿过准直器进入样品: 图中可以看到明显的热峰(maxwellian peak)。
二、 SANS虚拟实验设计 1.2 慢化器——物理设计 1.2 慢化器——物理设计 Moderator（CHM）耦合液 氢慢化器设计指标：温度是20K， 直径为15cm，中子的发射面是 10cm*10cm。用MCNPX模拟计 算得到CHM的能谱（tally 105）、 勒谱（tally 205）和中子脉冲形状。 在MCNPX输出文件中，detector located at x,y,z = 66x.xx –75x.xx –13.9 是对应的BL01，也就是小角 谱仪所在的位置。
二、 SANS虚拟实验设计 1.3 慢化器——性能模拟 1.3 慢化器——性能模拟 通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally 105)进行计算，选择中 子能量范围为（0eV——1.0593eV），得到中子可视面的发射中子总 通量为5.168529E+12n/cm2/s。通过对中子脉冲形状(tally 405)进行 转换得到vitess user wavelength time dits. file的输入文件，计算得 到中子的脉冲形状。
二、 SANS虚拟实验设计 2.1、 准直器——物理设计 准直器分为3段：中子开关内准直器、Shutter外准直器、聚焦准直器 中子开关内准直器设计参数： ——碳化硼块的设计：外圆直径是140mm，内孔是锥形，小径为80mm，锥角是5°，厚度是50mm，碳化硼块在准直器外壳槽里凸出部分为5mm，两个碳化硼块之间的距离分别是90.97.105.113.123.132.142.153.164.176(mm) ——内层腔的设计：外径为290mm、内径为90mm、长度为2000mm ——外层腔的设计：方形边长为490mm、孔直径为290mm、长度为2000mm Shutter外准直器设计参数： ——碳化硼块的设计：同上,两个碳化硼块之间的距离分别是200.214.229.244.260.278(mm) 聚焦准直器的设计参数： ——碳化硼块的设计：外圆直径是140mm，内孔是锥形，小径是不断变化的，由40mm变化到20mm，锥角是5°，厚度是50mm，碳化硼块在准直器外壳槽里凸出部分为5mm-内层腔的设计：外径为290mm，内径为90mm，长度为2000mm，-内层腔的设计：外径为290mm、内径为90mm、长度为5000mm，两个碳化硼块之间的距离分别是621.669.721.776.835.898(mm) ——外层腔的设计：外径为490mm，内径为290mm，长度为5000mm
二、 SANS虚拟实验设计 2.2 准直器——性能模拟 按照准直器的物理设计，在VITESS中放入相应的 SpaceWindow 2.2 准直器——性能模拟 按照准直器的物理设计，在VITESS中放入相应的 SpaceWindow CHM发射的大小是10cm*10cm，在开关内的准直 器放一个12cm*12cm的监视器，记录中子的x,y位 置，分别记录距离慢化器2m，4m，9m处中子的 位置 0m R=100mm 2m R=80mm 4m R=40mm 9m R=20mm
小角谱仪上采用一台T0斩波器（T0）和一台双盘带宽限制斩波器（T1-D1，T1-D2），工作波长设计为双波段0.5~9.5Å和3~12Å。 二、 SANS虚拟实验设计 3.1 斩波器——物理设计 小角谱仪上采用一台T0斩波器（T0）和一台双盘带宽限制斩波器（T1-D1，T1-D2），工作波长设计为双波段0.5~9.5Å和3~12Å。 Chopper ID 安装位置 (mm) 束流宽度 束流高度 开口角 (degree) 工作转速 (Hz) 中子透过率 (对1 Å中子) T0 6620 76(28.23) 25/50 n/a T1-D1 6881 27.3 156.5 25 ＜1×10-4 T1-D2 T0斩波器一般参数： 束流截面中心到转轴轴线距离：300mm； 内部气氛：真空（小于10Pa）或氦气(略大于1bar)；真空窗口？？？ 相位控制精度：±0.22 deg；VETO值＜3%； 停机位置精度：±0.2 deg；电机冷却方式：水冷。 带宽限制斩波器一般参数： 真空度：小于10Pa；真空窗口？？？ 工作方式：双盘对转；相位控制精度：±0.22 deg；VETO值＜1%；
二、 SANS虚拟实验设计 3.2 斩波器——性能模拟 在VITESS中根据chopper的物理设计给定好参数，参数的设定如下所示，然后看经过chopper后的中子波长谱是否达到相应的性能指标。经过模拟后生成的波长谱如下图所示。
二、 SANS虚拟实验设计 4.1 样品室和散射室 样品室提供小角散射样品的放置和实验空间，前端与准直系统真空隔绝，后端与散射室真空隔绝。样品室有效空间为1200mm*1800mm*2000mm,高为2m，是考虑人能够直立进去，室的一边是开了门，还可以通过梯子进入，中子经过金属管进入样品光阑，然后进入样品，最后进入散射腔。 散射室由散射前腔和散射后腔两部分组成，前腔里面是高角探测器，高角探测器是由3He管阵列组成，固定在壁上不动的；后腔里面是低角探测器，底角探测器是由多丝正比室组成，它可以上下左右前后沿着导轨移动，低角探测器前面是不同直径的beamstop, beamstop用来阻挡不需要的中子本底。
二、 SANS虚拟实验设计 5.1 探测器——物理设计 5.1 探测器——物理设计 小角散射谱仪中子探测器系统包括一个主束检测器、一台透过束监测器、低角和高角两个主探测器。小角散射虚拟实验主要使用的是主探测器，低角主探测器是二维位置灵敏3He多丝正比室，高角主探测器是0.5英寸位置灵敏3He阵列。探测器的模拟可以根据物理设计直接设置好参数。低角和高角主探测器具体参数如下表所示。 参数 低角主探测器 高角主探测器 时间分辨： 2s 时间窗口： 0～40ms 效率： 50% @ 2Å 70% @ 2Å 中子通量和计数率： 最高计数率 105n/s 单管最高计数率104n/s 位置分辨： 15mm*15mm 探测区域： 距离样品1米处 有效面积： 500mm*500mm
三、 SANS虚拟实验结果 根据小角谱仪的物理设计，在VITESS中放入脉冲中子源、准直器、T0 Chopper、带宽斩波器，样品和探测器，设置好小球模型的样品，测试半径分别为100Å、500Å，测得样品散射强度曲线分别如图所示 。虚拟实验与小球模型理论计算结果一致。
四、 SANS虚拟实验作用 1. 对中子谱仪的升级和设计，应该和实际谱仪的设计相同 2. 用来教学和学习中子科学 谱仪设计 优化设计 数据产生 规约分析 1. 对中子谱仪的升级和设计，应该和实际谱仪的设计相同 2. 用来教学和学习中子科学 3. 分离出样品和样品环境对中子散射的贡献 4. 分析真实实验数据
总结与展望 虚拟中子实验框架已经建好，下一步放入正在搭建的CSNS中子虚拟实验平台中。 已加入VITESS合作组，开发基于Web的APP。 开发web接口提供给谱仪用户（基于LAMP）。 在CSNS中子虚拟实验平台中建立用户自由讨论区。
谢 谢！ 11