小角散射谱仪课件

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中国散裂中子源（CSNS）介绍CSNS系统构成：小角散射谱仪（SANS-SmallAngleNeutronScattering）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小角散射谱仪（SANS-SmallAngleNeutro1.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。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。1.1、

慢化器——理论计算样品处的通量为: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(maxwellianpeak)。二、SANS虚拟实验设计慢化器发射面总的中子通量是3.8X1012n二、SANS虚拟实验设计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（tally105）、勒谱（tally205）和中子脉冲形状。在MCNPX输出文件中，detectorlocatedatx,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。1.2慢化器——物理设计二、SANS虚拟实验设计Moderator通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally105)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(tally405)进行转换得到vitessuserwavelengthtimedits.file的输入文件，计算得到中子的脉冲形状。1.3慢化器——性能模拟二、SANS虚拟实验设计通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally2.1、

准直器——物理设计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2000mmShutter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)——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、聚焦准直器二、SANS虚拟实验设计2.1、准直器——物理设计中子开关内准直器设计参数：准直器0mR=100mm2mR=80mm4mR=40mm9mR=20mm2.2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SpaceWindowCHM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处中子的位置二、SANS虚拟实验设计0mR=100mm2mR=80mm4mR=40mm9m3.1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。ChopperID安装位置(mm)束流宽度(mm)束流高度(mm)开口角(degree)工作转速(Hz)中子透过率(对1Å中子)T0662076(28.23)76(28.23)25/50n/aT1-D1688127.327.3156.525＜1×10-4T1-D2

25＜1×10-4T0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：±0.22deg；VETO值＜3%；停机位置精度：±0.2deg；电机冷却方式：水冷。带宽限制斩波器一般参数：束流截面中心到转轴轴线距离：300mm；真空度：小于10Pa；真空窗口？？？工作方式：双盘对转；相位控制精度：±0.22deg；VETO值＜1%；停机位置精度：±0.2deg；电机冷却方式：水冷。二、SANS虚拟实验设计3.1斩波器——物理设计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3.2斩波器——性能模拟在VITESS中根据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4.1样品室和散射室样品室提供小角散射样品5.1探测器——物理设计参数低角主探测器高角主探测器时间分辨：2s2s时间窗口：0～40ms0～40ms效率：50%@2Å70%@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*15mm15mm*15mm探测区域：距离样品1米处距离样品1米处有效面积：500mm*500mm500mm*500mm

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。二、SANS虚拟实验设计5.1探测器——物理设计参数低角主探测器高角主探测器时间

根据小角谱仪的物理设计，在VITESS中放入脉冲中子源、准直器、T0Chopper、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。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.分析真实实验数据虚拟实验谱仪设计优化设计数据产生规约分析四、SANS虚拟实验作用1.对中子谱仪的升级和设计，应该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。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中子虚谢谢！11谢谢！11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中国散裂中子源（CSNS）介绍CSNS系统构成：小角散射谱仪（SANS-SmallAngleNeutronScattering）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小角散射谱仪（SANS-SmallAngleNeutro1.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。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。1.1、

慢化器——理论计算样品处的通量为: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(maxwellianpeak)。二、SANS虚拟实验设计慢化器发射面总的中子通量是3.8X1012n二、SANS虚拟实验设计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（tally105）、勒谱（tally205）和中子脉冲形状。在MCNPX输出文件中，detectorlocatedatx,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。1.2慢化器——物理设计二、SANS虚拟实验设计Moderator通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally105)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(tally405)进行转换得到vitessuserwavelengthtimedits.file的输入文件，计算得到中子的脉冲形状。1.3慢化器——性能模拟二、SANS虚拟实验设计通过对MCNPX输出文件中的能谱(tally2.1、

准直器——物理设计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2000mmShutter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)——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、聚焦准直器二、SANS虚拟实验设计2.1、准直器——物理设计中子开关内准直器设计参数：准直器0mR=100mm2mR=80mm4mR=40mm9mR=20mm2.2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SpaceWindowCHM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处中子的位置二、SANS虚拟实验设计0mR=100mm2mR=80mm4mR=40mm9m3.1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。ChopperID安装位置(mm)束流宽度(mm)束流高度(mm)开口角(degree)工作转速(Hz)中子透过率(对1Å中子)T0662076(28.23)76(28.23)25/50n/aT1-D1688127.327.3156.525＜1×10-4T1-D2

25＜1×10-4T0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：±0.22deg；VETO值＜3%；停机位置精度：±0.2deg；电机冷却方式：水冷。带宽限制斩波器一般参数：束流截面中心到转轴轴线距离：300mm；真空度：小于10Pa；真空窗口？？？工作方式：双盘对转；相位控制精度：±0.22deg；VETO值＜1%；停机位置精度：±0.2deg；电机冷却方式：水冷。二、SANS虚拟实验设计3.1斩波器——物理设计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3.2斩波器——性能模拟在VITESS中根据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4.1样品室和散射室样品室提供小角散射样品5.1探测器——物理设计参数低角主探测器高角主探测器时间分辨：2s2