费米中子斩波器关键技术研究

China Spallation Neutron Source（CSNS）is about to complete national acceptance. Inelastic neutron scattering spectrometers will be built in the futher. Neutron monochromatization technology is an impotrant factor, whcih affects inelastic neutron scattering spectrometer performance. Fermi neutron chopper is the key to realize this technology. It is important and urgent of researching on Fermi neutron Chopper. This project intends to study the technology for the first time in domestic..Fermi neutron chopper has the characteristics of motor high speed, high control accuracy and absorption materials high strength etc. There are many advantages to the research of Fermi neutron chopper. On the one hand, it is can reduce cost and it makes localization of the neutron monochromatization equipment. On the other hand, Fermi neutron chopper belongs to the high speed rotating equipment. It has a failure life cycle. The change can be mastered. The research can maintain Fermi neutron choppers conveniently and timely. The key technology of the project lies in: The first is to study high strength of neutron absorption materials preparation technology. It makes the materials can be applied in high speed rotating equipment. The second is to study neutron slit size parameters on the effects of neutron flux and transmittance. It can meet the demand of the neutron source and the user by means of optimizing the structure size. The third is to use direct digital frequency synthesis technology. It can improve the Fermi neutron chopper rotor synchronous phase control precision. So that a higher energy resolution can be acquired.

中国散裂中子源即将完成国家验收，其未来规划有非弹性中子散射谱仪建设，影响非弹性中子散射实验的一个重要因素为中子单色化技术。费米中子斩波器作为实现这一技术的设备，对其性能的研究关键且迫切。本项目拟国内首次对该技术进行研究。.费米中子斩波器具有电机高转速、控制高精度、吸收材料高强度等特点。针对以上特点进行关键技术的研究一方面可以降低成本，使得中子单色化设备国产化。另一方面，费米中子斩波器属于高速转动设备，具有故障寿命周期，掌握其变化规律，方便及时安全地进行维护。本项目关键技术在于：一、研究高强度中子吸收材料的制备工艺，使得中子吸收材料可以应用在高速转动设备上。二、研究中子狭缝尺寸参数对中子通量和透过率的影响，优化结构尺寸，满足当前中子源和用户样品需求。三、利用直接数字频率合成技术，提高费米中子斩波器转子同步相位控制精度，从而获得更高能量分辨率。

项目背景：中国散裂中子源是中国“十二五”重大科技基础设施项目。其运行带动了我国在中子散射科学领域的快速发展，增加了开展基础科学研究的实验手段，进而促进我国在基础科学领域的进步。样品能量传递和动量转移是由测量探测到的中子的飞行时间和散射角决定。单一能量中子的飞行时间确定，再结合探测器探测到的散射角，对样品动力学性能的研究便成为可能。其功能的实现取决于能否有效选择出所需单一能量中子。影响非弹性中子散射实验的一个重要因素为中子单色化技术。费米中子斩波器作为实现单色化技术的设备，对其性能的研究关键且迫切。费米中子斩波器具有电机高转速、控制高精度、吸收材料高强度等特点，针对以上特点进行关键技术的研究。.主要研究内容：对中子吸收材料进行计算，研制中子吸收薄片，并对薄片的中子透过率进行测试。另外设计制造中子吸收包结构，并对其进行高转速测试。然后组装其带中子吸收片的转子包。最后，整体连接上驱动电机，选用西门子运动控制系统，采用高精度的光电编码器进行旋转位置反馈。利用测量输入探针功能，精确检测同步信号到来时电机当前的位置，采用同步叠加相位控制算法，进行闭环控制，从而实现高精度同步相位控制。项目整体设计制造了一台费米斩波器样机，整机在中国散裂中子源进行了长期运转测试，最高转速可达600Hz，相位控制精度在±0.15度以内；通过在线束流测试验证了费米的单色化性能，脉冲中子半高宽与预期相符，600Hz下Δt=7μs。由中子吸收薄片组装而成的中子吸收包可以承受720Hz高转速，吸收薄片对1埃波长中子的透过率低于10-4。.科学意义：针对费米中子斩波器关键技术的研究，后期继续优化结构设计，制定更优结构参数。装置应用到中子源后期谱仪工程建设中，可以得到更好的中子通量与分辨率数据，得到更优的非弹性中子实验结果。高精度运动控制亦可以应用到其它转动体结构中去。