极化中子照相技术的初步模拟研究

Polarized neutron radiography, which is based on the measurement of spin precession of a collimated and polarized neutron beam transmitted through a magnetic field in a sample, enables visualization of magnetic fields, and can be used in electromagnetism research or material science. Polarized neutron radiography is a new technique but with great current interest, various imaging methods have been developed, which can be used to satisfy various requirements. These methods are different in equipments and analysis technics, but still based on the same principle and experiment setup, so they can be analyzed in one framework. A primary research of main polarized neutron imaging methods will be proposed in this project. For basic imaging method, we will determine the affection of critical experiment parametersof monochromator and polarizer; for polychromatic imaging method, we will research the affection of wide neutron wavelength choice and low polairization efficiency and analyse quantization feasibility; for Ramsey imaging method, we will analyse the parameter of applied magnetic field and frequency of RF spin flipper; for spin echo imaging method, we will determine the lower limit of applied magnetic field and analyse the quantization precision. Further study of analysis and quantizating technics will be done by simulation and experimental methods. The research results will be helpful for future works.

极化中子照相技术通过分析中子在样品磁场中产生的自旋相移对磁场进行成像，适用于电磁学基础研究和超导体等磁材料。极化中子照相技术发展很快，已衍生出数种不同的成像方法,其各有适用范围和优缺点，在装置组成、参数和数据分析量化技术有所区别，但仍基于同一基本原理和构架，可以进行比对和分析。本项目拟对几种主要的成像方法开展理论模拟和数值分析，掌握实验方法和关键参数：对基本成像法，确定单色器、极化器等基本组件参数对成像速度和精度的影响；对多能成像法，确定中子宽能段选择和低极化率对自旋相移影响，并分析其量化可行性；对Ramsey共振成像法，研究外加磁场参数和RF自旋转向器频率选择对量化精度的影响；对自旋回旋成像法，确定外加磁场强度下限，并分析其量化精度。结合仿真成像和实验验证进一步掌握实验数据分析和量化技术，为进一步开展相关工作奠定基础。

极化中子照相技术通过记录中子自旋在样品中的相位变化，对磁场等引起中子自旋变化的场量进行成像，在基础学科和材料研究领域具有较好的应用前景。目前极化中子照相已发展出多种技术方案，各有其适用范围和优缺点，且装置组成、参数和数据分析及量化技术有所区别，但仍基于同一原理和基本结构，可以在同一框架下进行比对和分析。本课题对极化中子成像方法进行初步模拟研究，通过理论计算和模拟分析各量化技术方案及其关键参数对成像结果的影响，为进一步开展相关工作和建立实验平台奠定基础。. 首先对极化中子照相系统的主要装置包括单色器、极化/分析器等进行了系统分析与模拟，相关装置在中子散射中已有比较成熟的理论和实验分析，课题主要针对极化中子成像要求大束流截面、高准直比、短物屏矩等特点，初步筛选可用的装置类型及参数，并以此为基础构建完整的模拟平台。. 以装置的极化效率参数为突破口，对磁场成像过程进行重新分析，得到了磁场强度的定量修正式。并用模拟平台进行了验证。在模拟验证过程中，还引入了单色器分辨率和极化装置几何参数，并因此观察到了低能量分辨率下的退极化现象和采用弯曲超镜时的出射中子的不均匀极化现象。. 在基本成像方案基础上研究了拉姆齐共振成像法，能量选择法极化中子成像技术和自旋回波法三种成像技术方案。拉姆齐共振法基于磁共振原理，通过调节磁场频率获取谐频与中子极化度的接近正弦关系的曲线，并与引入样品磁场后的偏移曲线进行比对得到磁场强度。后两种技术方案则进一步解决了磁场的不确定解问题。本课题通过模拟研究确定三种成像技术方案均可在研究堆中子源上实现，并给出其量化精度和适用范围。本课题还引入带转子倾角功能的速度选择器，可以在同一套系统中实现能量选择法和自旋回波法两种技术方案。. 对通电螺线管磁场进行了仿真成像，进一步验证模拟结果，并分析统计噪声对量化精度的影响。该仿真图像还可用于以后开展极化中子层析技术的研究。. 以环形磁铁为对象，在CMRR研究堆的中子反射谱仪上开展了实验验证工作，结果与仿真成像一致。