本申请涉及中子探测领域，具体涉及一种用于获取单色中子束的中子双晶单色器和单色中子探测系统。
背景技术：
目前，中子探测已成为无损探测研究的一项重要技术，广泛应用于航空航天、核工业、能源、材料、地质等领域。传统的中子探测技术利用中子源直接出射的中子束对探测目标进行探测，这种中子束中包括不同频率的中子束，因此会导致一些探测目标结构信息无法被探测到。为了能够对探测目标进行更精确的测量，实现区分两相或者多相等复合材料的界面、应力分布、织构分析以及相变过程等目的，需要从现有中子束中分离出所需求频率的单色中子束。
技术实现要素：
根据本发明的第一方面，提出了一种中子双晶单色器，包括：
中子单色晶体；
中子偏转晶体，与中子单色晶体相对设置；
两个转动件，中子单色晶体和中子偏转晶体分别设置于两个转动件上，两个转动件分别独立调节上述两晶体的朝向；以及
两个位移件，两个转动件分别设置于两个位移件上，两个位移件分别独立地直线运动，其运动轨迹平行，两个位移件调节上述两晶体之间的相对位置关系。
根据本发明的第二方面，提出了一种单色中子测量系统，包括：
上述中子双晶单色器；
中子源，与上述中子单色晶体相对设置，提供入射至中子单色晶体的中子束；以及
中子探测装置，与上述中子偏转晶体相对设置，接收从中子偏转晶体出射的单色中子束。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明一个实施例的中子双晶单色器的原理示意图。
图2是根据本发明一个实施例的中子双晶单色器的正视示意图；
图3是图2所示中子双晶单色器的侧视示意图；
图4是图2所示中子双晶单色器的俯视示意图；
图5是图2所示中子双晶单色器的结构示意图；以及
图6是根据本发明另一个实施例的中子双晶单色器的结构示意图。
附图标记说明：
101、中子单色晶体；102、中子偏转晶体；201、202、转动件；203、204、位移件；205、206、传动组件；207、208、倾角电机；209、210、驱动电机；211、底部电机；212、底部传动组件；213、滑动导向部；214、滑动部；215、行程开关；301、前限束器；302、后限束器；303、束流捕集器；401、第一板体；402、第二板体；403、支撑座；404、支撑件；410、外壳；411、入射窗口；412、出射窗口；501、入射中子束；502、单色中子束；503、透射中子束。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
本发明实施例提供了一种中子双晶单色器，用于对中子束进行能量选择，从而获得单色中子束。
双晶单色器法获得单色中子束的基本原理是基于晶体的布拉格衍射，通过控制晶体晶面和入射中子束之间的夹角来控制出射的单色中子束的频率，单色中子束在晶体的入射面上发生反射，其余的中子穿过晶体发生透射，产生透射中子束。上述单色中子束在另一晶体的表面再次反射，用于控制其出射方向。
如图1和图2所示，该中子双晶单色器包括：中子单色晶体101、中子偏转晶体102、两个转动件201、202以及两个位移件203、204。
中子单色晶体101的一个表面为平整入射面，入射中子束501入射到该平整入射面发生布拉格衍射，所需频率的单色中子束502按照反射定律在上述平整入射面上反射；其他频率的透射中子束503按照入射中子束501的方向穿过中子单色晶体101。
中子偏转晶体102的一个表面为平整反射面，该平整反射面和中子单色晶体101的平整入射面相对设置。由中子单色晶体101的平整入射面反射的单色中子束502入射到中子偏转晶体102的平整反射面上发生反射，从中子双晶单色器射出。
如图1所示，入射中子束501入射至中子单色晶体101上，分为单色中子束502和透射中子束503，其中，单色中子束502在中子单色晶体101上反射至中子偏转晶体102上，在中子偏转晶体102上再次发生一次反射后出射；透射中子束503穿过中子单色晶体101出射。
中子单色晶体101和中子偏转晶体102分别设置于两个转动件201、202，上述两个转动件201、202分别独立调节中子单色晶体101和中子偏转晶体102的朝向。参见图2，中子单色晶体101设置在转动件201上，由转动件201调节中子单色晶体101的朝向；中子偏转晶体102设置于转动件202上，由转动件202调节中子偏转晶体102的朝向。
在一些实施例中，转动件201和转动件202均为转角仪，由计算机控制两个转角仪动作。
两个转动件201、202分别设置于两个位移件203、204上，两个位移件203、204分别独立地直线运动，且运动轨迹平行。具体地，转动件201设置于位移件203上，转动件202设置于位移件204上，位移件203和位移件204分别独立地直线运动。
通过位移件203和位移件204的运动，可调节中子单色晶体101和中子偏转晶体102之间的相对位置关系。
通过上述设置，本发明实施例的中子双晶单色器可实现对中子单色晶体101和中子偏转晶体102的角度和相对位置的调节，从而能够利用中子单色晶体101和中子偏转晶体102构建中子光路，对入射的中子束进行能量选择，获取所需频率的单色中子束并控制其出射方向。
在一些实施例中，位移件203和位移件204上分别设有定位销，用于在位移件203和位移件204到达预定位置后将其固定在预定位置。
在本发明的一些实施例中，中子单色晶体101和中子偏转晶体102采用同种晶体制成，其中，中子单色晶体101的晶向与入射面的夹角和中子偏转晶体102的晶向与反射面的夹角相同。且中子单色晶体101的入射面和中子偏转晶体102的反射面平行设置。通过上述设置，上述出射的单色中子束502与入射中子束501平行。
在本发明的一些实施例中，中子单色晶体101和中子偏转晶体102采用热解石墨制成。在另一些实施例中，中子单色晶体101和中子偏转晶体102也可采用其他常用的材料制成。
如图2所示，在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器设有两个倾角电机207、208，两个倾角电机207、208分别与上述两个转动件201、202连接，带动两个转动件201、202转动。具体地，倾角电机207与转动件201连接，带动转动件201转动；倾角电机208与转动件202连接，带动转动件202转动。转动件201和转动件202具有独立转动模式和同步转动模式。
独立转动模式用于调节中子单色晶体101的入射面和中子偏转晶体102的反射面之间的夹角，例如，在独立转动模式下，中子单色晶体101的入射面与中子偏转晶体102的反射面可调为平行。
同步转动模式用于调节中子单色晶体101的入射面与入射中子束501之间的夹角并且使中子偏转晶体102的反射面转过相同的角度，从而改变出射的单色中子束502的频率。
在一些探测过程中，中子单色晶体101和中子偏转晶体102不断同步旋转，以获取同一探测部位在不同频率的单色中子束照射下所成的图像；在另一些探测过程中，中子单色晶体101和中子偏转晶体102相对静止，以获取不同探测部位在相同频率的单色中子束照射下所成的图像。
如图2所示，在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器设有两个驱动电机209、210，两个驱动电机209、210分别驱动两个位移件203、204做直线运动。具体地，驱动电机209用于驱动位移件203做直线运动；驱动电机210用于驱动位移件204做直线运动。
在一些实施例中，中子双晶单色器还设有两组传动组件205、206，两组传动组件205、206分别平行设置在两个位移件203、204和两个驱动电机209、210之间。具体地，位移件203与传动组件205可滑动连接，驱动电机209通过联轴器与传动组件205连接，传动组件205将驱动电机209的旋转运动转化为位移件203的直线运动；位移件204与传动组件206可滑动连接，驱动电机210通过联轴器与传动组件206连接，传动组件206将驱动电机210的旋转运动转化为位移件204的直线运动。通过上述设置，位移件203和位移件204能够分别独立地直线运动，从而实现对中子单色晶体101与中子偏转晶体102之间的相对位置关系的调节。
在一些实施例中，两组传动组件205、206可以为单轴驱动器，两个位移件203、204为单轴驱动器上的位移台，位移台沿单轴驱动器运动。在另一些实施例中，两个位移件203、204可以为与导轨相配合的滑块。
如图3所示，在本发明的一些实施例中，上述中子双晶单色器还包括第一板体401，第一板体401沿竖直方向延伸，上述两组传动组件205、206水平固定设置在第一板体401上的不同的高度处，以使上述两个位移件203、204分别在不同的高度处沿水平方向运动。
在本发明实施例中，为了减少出射中子束502在水平方向上的波长偏移，避免后续利用出射中子束502获取的图像产生伪影，中子双晶单色器的设计构型采用垂直构型，即中子单色晶体101和中子单色晶体102的转动轴均沿水平方向设置且互相平行，同时使中子单色晶体101和中子单色晶体102的转动轴在竖直方向上的高度不同。参见图2，在具体的实施例中，转动件201的转动轴和转动件202的转动轴均与第一板体401垂直，且转动件201和转动件202的转动轴在第一板体401上的高度不同。通过上述设置，最大程度减小了出射中子束502在水平方向上的波长偏移，减小了对后续利用出射中子束502产生的图像的影响。
在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器还包括第二板体402，第二板体402沿水平方向延伸，设置在第一板体401下方，第一板体401与第二板体402固定连接。第一板体401与第二板体402基本互相垂直。第一板体401与第二板体402之间可通过“l”型连接件固定连接，也可以通过螺栓连接等其他方式固定连接。
在本发明的一些实施例中，上述中子双晶单色器还包括支撑座403，支撑座403沿水平方向延伸，设置在第二板体402下方。且第二板体402能够相对于支撑座403沿垂直于第一板体401的方向滑动。支撑座403相对中子源静止，第二板体402滑动可调节中子单色晶体101与中子源的相对位置，确保由中子源出射的入射中子束501能够射至中子单色晶体101上。
在本发明的一些实施例中，第二板体402设置有沿垂直于第一板体401的方向延伸的滑动导向部213，支撑座403设置有与所述滑动导向部213滑动配合的滑动部214。
在替代性实施例中，也可将滑动导向部213设置在支撑座403上，相应地，将滑动部214设置在第二板体402上。
在图示的实施例中，滑动导向部213为直线光轴。在未示出的一些实施例中，滑动导向部213可以为滑轨。在未示出的另一些实施例中，滑动导向部213也可以为滑槽。滑动部214可以为滑块。
如图4所示，在本发明的一些实施例中，支撑座403上还设有底部电机211，配置成驱动滑动部214相对滑动导向部213滑动，以使第二板体402相对支撑座403沿沿垂直于第一板体401的方向滑动。在一些实施例中，第二板体402与支撑座403之间还设有底部传动组件212，用于将底部电机211的旋转运动转换为第二板体402的直线运动。其中，底部传动组件212可以是滚珠丝杠组件。
在本发明的一些实施例中，支撑座403上设置有行程开关，当上述第二板体402滑行至触碰行程开关时，行程开关控制上述底部电机211停止运行，限制第二板体402滑出所述支撑座403。
在本发明的一些实施例中，支撑座403的底端设有若干支撑件404，支撑件404可以被设置为任意形式，例如可调节高度的支撑脚、可用于移动的支撑轮等。
在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器还包括一套电源集成控制系统，用于为倾角电机207、倾角电机208、驱动电机209、驱动电机210和底部电机211供电并控制其运行状态。
如图5所示，在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器还包括前限束器301，前限束器301设置在中子单色晶体101的入射光路上。即，入射中子束501通过前限束器301后入射至中子单色晶体的入射面。前限束器301用于控制入射中子束501的照射野大小以避免不必要的中子辐射，同时吸收一些散落的射线，提高探测精度。
在本发明的另一些实施例中，中子双晶单色器还包括后限束器302，后限束器302设置在中子偏转晶体102的出射光路上，出射的单色中子束502从中子偏转晶体102的反射面射出后经过后限束器302出射。后限束器302用于控制出射的单色中子束502的照射野大小以避免不必要的中子辐射，同时吸收一些散落的射线，提高探测精度。
在本发明的一些实施例中，上述中子双晶单色器还包括束流捕集器303，束流捕集器303设置在中子单色晶体101远离上述前限束器301的一侧。透射中子束503入射至束流捕集器303后被吸收，避免了中子辐射泄漏。
如图6所示，在本发明的一些实施例中，上述中子双晶单色器还包括外壳410，外壳410设置有入射窗口411和出射窗口412，前限束器301设置在入射窗口411与中子单色晶体101之间的光路上，后限束器302设置在出射窗口412与中子偏转晶体102之间的光路上。入射中子束501依次经过入射窗口411、前限束器301入射至中子单色晶体101上，在其表面发生布拉格衍射，特定波长的单色中子按反射定律反射，其他波长的中子穿过中子单色晶体101后被束流捕集器303吸收；反射的中子再次在中子偏转晶体102上发生发射，依次通过后限束器302和出射窗口412后射出中子双晶单色器。
在本发明的一些实施例中，第一板体401、第二板体402、固定座403、外壳410等部件由铝合金材料制成，增加含有铁、铜的部件与入射中子束501、单色中子束502和透射中子束503的距离，用于改善活化和本底问题。
在本发明的一些实施例中，中子双晶单色器还包括：获取模块、接收模块、以及控制模块。
获取模块，用于获取中子单色晶体101和中子偏转晶体102当前的偏转状态和相对位置关系。
接收模块，用于接收输入信息。输入信息可以包括探测目标位置、单色中子束的频率范围、时间间隔和步长、入射起始角度和终止角度等。
控制模块，根据所获取的中子单色晶体101和中子偏转晶体102的当前的偏转状态和相对位置关系以及接收的输入信息确定中子单色晶体101和中子偏转晶体102所需的偏转状态和相对位置，并控制倾角电机207、倾角电机208、驱动电机209、驱动电机210和底部电机211，使中子单色晶体101和中子偏转晶体102处于所需的偏转状态和相对位置关系。
本发明实施例的中子双晶单色器为小型化的光学系统，便于移动和现场安装。中子双晶单色器工作时，从前限束器301输入的白光中子束(即全谱段中子束)入射到中子双晶单色器，在中子单色晶体101的入射面发生布拉格衍射，特定频率的单色中子按反射定律反射，其他频率的中子被束流捕集器303吸收；通过控制模块控制单轴驱动器以及转角仪来移动和转动中子单色晶体101和中子偏转晶体102，得到相应的布拉格角来获得不同频率的单色中子，通过后限束器302输出。在本发明实施例中，转角仪转动精度达±0.001°，单轴驱动器上的位移台重复定位精度±0.03mm，保证两晶体在运动过程中的相互位置关系，使出射光束空间位置固定。
本发明实施例的中子双晶单色器可以根据实验要求，任意选取
本发明实施例还提供了一种单色中子探测系统，包括：中子源、中子双晶单色器以及中子探测装置。中子源与中子探测装置的中子单色晶体101相对设置，用于提供入射至中子双晶单色器的入射中子束。具体地，中子源可以与入射窗口411相对设置。
中子双晶单色器用于接收入射中子束501并出射所需频率的单色中子束。
中子探测装置，与中子探测装置的中子偏转晶体102相对设置，接收从中子偏转晶体102出射的单色中子束。具体地，中子探测装置可以与出射窗口412相对设置。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种中子双晶单色器，其特征在于，包括：
中子单色晶体(101)；
中子偏转晶体(102)，与所述中子单色晶体(101)相对设置；
两个转动件(201、202)，所述中子单色晶体(101)和所述中子偏转晶体(102)分别设置于所述两个转动件(201、202)上，所述两个转动件(201、202)分别独立调节所述中子单色晶体(101)和所述中子偏转晶体(102)的朝向；以及
两个位移件(203、204)，所述两个转动件(201、202)分别设置于所述两个位移件(203、204)上，所述两个位移件(203、204)配置成分别独立地直线运动，且所述两个位移件(203、204)的运动轨迹平行。
2.根据权利要求1所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：两个倾角电机(207、208)，所述两个转动件(201、202)分别与所述两个倾角电机(207、208)连接，以由所述两个倾角电机(207、208)分别带动所述两个转动件(201、202)转动。
3.根据权利要求1所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：两个驱动电机(209、210)，所述两个驱动电机(209、210)分别驱动所述两个位移件(203、204)做直线运动。
4.根据权利要求3所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：两组传动组件(205、206)，分别设置在所述两个位移件(203、204)与所述两个驱动电机(209、210)之间，用于将所述两个驱动电机(209、210)的旋转运动转化为所述两个位移件(203、204)的直线运动。
5.根据权利要求4所述的中子双晶单色器，其特征在于，所述传动组件(205、206)为单轴驱动器。
6.根据权利要求5所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：竖向延伸的第一板体(401)，所述两组传动组件(205、206)分别固定设置在所述第一板体(401)的不同高度处，以使所述两个位移件(203、204)分别在不同高度处沿水平方向运动。
7.根据权利要求6所述的中子双晶单色器，其特征在于，所述中子单色晶体(101)和所述中子偏转晶体(102)在竖直方向上的高度不同。
8.根据权利要求6所述的中子双晶单色器，其特征在于，所述两个转动件(201、202)的转动轴与所述第一板体(401)垂直。
9.根据权利要求7所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：沿水平方向延伸的第二板体(402)，所述第二板体(402)在所述第一板体(401)下方与所述第一板体(401)固定连接。
10.根据权利要求9所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：沿水平方向延伸的支撑座(403)，所述支撑座(403)设置在所述第二板体(402)下方，且所述第二板体(402)能够相对于所述支撑座(403)沿垂直于所述第一板体(401)的方向滑动。
11.根据权利要求10所述的中子双晶单色器，其特征在于，所述第二板体(402)或所述支撑座(403)设置有沿垂直于所述第一板体(401)的方向延伸的滑动导向部(213)，所述支撑座(403)或所述第二板体(402)设置有与所述滑动导向部(213)滑动配合的滑动部(214)。
12.根据权利要求11所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：底部电机(211)，配置成驱动所述滑动部(214)相对所述滑动导向部(213)滑动，以使所述第二板体(402)相对所述支撑座(403)沿沿垂直于所述第一板体(401)的方向滑动。
13.根据权利要求1所述的中子双晶单色器，其特征在于，所述中子单色晶体(101)和所述中子偏转晶体(102)的材料和晶向相同，且所述中子单色晶体(101)和所述中子偏转晶体(102)相对设置的面平行。
14.根据权利要求1所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：前限束器(301)，设置在所述中子单色晶体(101)的入射光路上。
15.根据权利要求14所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：束流捕集器(303)，设置在所述中子单色晶体(101)远离所述前限束器(301)的一侧。
16.根据权利要求1所述的中子双晶单色器，其特征在于，还包括：后限束器(302)，设置在所述中子偏转晶体(102)的出射光路上。
17.一种单色中子探测系统，其特征在于，包括：
权利要求1至16中任意一项所述的中子双晶单色器；
中子源，与所述中子单色晶体(101)相对设置，提供入射至所述中子单色晶体(101)的中子束；以及
中子探测装置，与所述中子偏转晶体(102)相对设置，接收从所述中子偏转晶体(101)出射的单色中子束。
技术总结