中子周期多层膜和超反射镜研究

摘要

随着中子(波长为10-10m量级)检测技术的日益发展和广泛应用，人们对入射到被测样品表面的中子强度的要求越来越高。采用中子多层膜元件是提高中子利用率的有效手段之一。利用中子多层膜单色器代替晶体单色器可以相对地提高出射中子强度。由于中子超反射镜的反射临界角度为Ni块体材料的全反射临界角的m倍，使用基于超反射镜的中子导管可以在不对中子源和测量谱仪做任何改动的条件下，将到达被测样品表面的中子强度提高m2倍。所有的中子多层膜元件都是以周期多层膜以及超反射镜(非周期多层膜)结构为基础的，因此，开展中子周期多层膜和超反射镜的研究对我国未来的中子束线建设和新型中子光学系统研制，具有重要的科学意义和应用价值。本论文从中子与物质的相互作用出发，阐述了膜层材料对中子折射率的计算方法，介绍了中子多层膜反射镜的工作原理，确立了中子用周期多层膜和超反射镜反射特性的计算方法。为了实现在所有材料范围内展开中子多层膜的膜层材料的选择，本文综合考虑材料对中子的散射长度密度和吸收作用，设计了一种定量的方法来选择构成中子多层膜所用的膜层材料，采用这种方法可以在所有材料范围内进行膜层材料的选择。本文对Hayter和Mook两人于1989年提出的中子超反射镜设计方法做了改进。利用这种改进的方法设计的m=3的Ni/Ti超反射镜所需要的膜对数从原方法的567减小到389，降低了中子超反射镜的制备难度。讨论了多层膜界面粗糙度和材料的相互扩散对中子多层膜反射特性的影响。模拟计算了实际镀膜过程中膜层厚度控制的系统误差和随机误差对中子周期多层膜和超反射镜的反射特性的影响。为了提高中子多层膜单色器的信噪比，本文采用两块相互平行的周期多层膜反射镜结合中子滤光片的单色器设计方案。采用直流磁控溅射方法实现中子周期多层膜和超反射镜的制作。通过调整溅射靶枪到基底的距离和溅射功率，优化了到达基底时膜层原子的能量，确定了Ni/Ti周期和非周期多层膜的较优的制备工艺参数。设计了非周期多层膜的膜层沉积速率的标定方法，实现了具有不同厚度膜层的沉积速率的精确定标。为了提高现有设备制作多层膜的膜层厚度均匀区域，本文采用掩模板的方法提高多层膜沉积均匀区域。使用自制的掩模板，在Ф=100mm的磁控溅射靶枪的基础上，制作的W/B4C周期多层膜在Ф=90mm范围内的周期误差不超过1.5％;制备的Ni单层膜和Ti单层膜，在Ф=80mm范围内，膜层的厚度误差不超过2％。为了防止由于多层膜的应力造成基板的变形，本文使用了厚度为4mm的国产浮法玻璃做为中子多层膜元件的基板。利用X射线衍射仪对镀制在浮法玻璃和超光滑加工的Si基板上的Ni/Ti多层膜结构进行测量，测量数据表明，所使用的浮法玻璃的表面粗糙度小于2.0nm，Si基板的表面粗糙度小于0.5nm，镀制在两种基板上的具有相同周期和膜对数的Ni/Ti多层膜的平均界面粗糙度的拟合值相差0.02nm。说明可以采用浮法玻璃作为中子多层膜的基底材料。采用X射线衍射仪测量中子单色器和超反射镜的结构。在德国柏林中子散射中心(Berlin Neutron Scattering Center，BENSC)的V14中子束线上实现中子多层膜单色器和超反射镜的反射特性测量。讨论了测量数据的处理方法，采用两种测量数据处理方法所得到的超反射镜的反射临界角与设计值一致，但是，在反射临界角以内，两种方法得到的反射率相差14％。周期多层膜的测量反射率的反射峰位置和角分辨率变化趋势与设计值相一致，但是，反射峰相对于设计值有一定的展宽。关键词:中子，周期多层膜，超反射镜，掩模板

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论文说明：图表索引

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第1章 引言

1.1概述

1.2中子检测技术的基础：中子源

1.3多层膜中子光学元件的发展与应用(一)—多层膜单色器

1.4多层膜中子光学元件的发展与应用(二)—超反射镜

1.5小结

第2章 中子多层膜工作原理

2.1中子与物质的相互作用——中子折射率

2.2中子在理想多层膜中的反射

2.3中子在非理想表(界)面多层膜系中的反射

2.4小结

第3章 中子多层膜单色器和超反射镜设计

3.1中子多层膜膜层材料选取

3.2中子多层膜单色器的设计

3.3中子超反射镜设计

3.4小结

第4章 中子周期多层膜和超反射镜的制备

4.1引言

4.2溅射原理及磁控溅射设备简介

4.3中子多层膜制备工艺参数的确定

4.4中子多层膜膜层沉积速率的精确定标

4.5拓展多层膜沉积均匀区域方法研究

4.6基板的表面粗糙度对Ni／Ti多层膜的影响

4.7小结

第5章 中子周期多层膜和超反射镜的检测

5.1引言

5.2中子周期多层膜和超反射镜的结构测试

5.3中子周期多层膜和超反射镜反射特性的测试

5.4小结

第6章 全文总结

6.1主要研究成果

6.2论文主要创新点

6.3需要进一步解决的问题

参考文献

致谢

作者简介及发表论文