水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构

摘要

本发明涉及水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构。所述调整机构包括入射升降机构和反射升降机构；沿着入射中子的光路方向，第一入射狭缝座、入射中子飞行管和第二入射狭缝座依次安装在入射升降机构上；沿着反射中子的光路方向，第一反射狭缝座、反射中子飞行管和第二反射狭缝座依次安装在反射升降机构上。本发明的调整机构能够高精度地调整所述狭缝和中子飞行管的位置，并能够实现高精度改变中子束的入射角和反射角，获取高分辨率的散射矢量，且中子束的入射角范围达-5°～9°，中子束的反射角范围达-5°～9°，使得测量的散射矢量范围加大。同时，在入反射角范围内，样品能够始终对准中子束。

说明书

技术领域

本发明涉及到中子散射领域的中子光路的调整机构，尤其涉及到水平样 品几何中子反射谱仪(Neutron reflectometer-horizontal sample geometry)的中 子光路的调整机构。

背景技术

中子反射是80年代初中期发展起来的中子散射的一个分支。在过去的二 十年，中子反射技术已经成为探测0.1nm～100nm范围内表面和界面结构的一 种强有力的手段，其应用囊括了液体表面和固体薄膜，比如液晶表面、聚合 物薄膜、生物膜和磁性膜等等。中子反射技术通过测量薄膜反射率随垂直薄 膜方向的散射矢量Q的变化关系，反映散射长度密度沿垂直薄膜方向的分布， 通过分析反射率曲线得到薄膜厚度、散射长度密度、表面和界面的粗糙度等 信息，为深入认识薄膜材料的微结构、物理化学性能提供重要的证据。

中子反射技术中的中子光路包括入射中子光路和经样品反射后的反射中 子光路。入射中子光路取决于中子束的入射角，反射中子光路取决于中子束 的反射角。定义θ为中子束的入射角即入射中子束与样品表面的夹角，或者中 子束的反射角即反射中子束与样品表面的夹角，散射矢量Q＝4πsinθ/λ，其中λ 为中子束的波长。中子光路由准直器限定。中子束的入射角由入射准直器限 定，中子束的反射角由反射准直器限定。准直器是由吸收中子的材料做成的 狭缝。因此，通过控制狭缝的中心位置来获取一定入射角或者反射角的中子 束。同时，为了减少中子光路传输过程中空气对中子的吸收及室温空气对中 子的热化，在中子传输的路径上设置真空的中子飞行管。

中子反射谱仪的散射几何有水平散射和垂直散射两种。测量固体样品的 中子反射谱仪通常为垂直样品几何，通过旋转样品来改变中子束的入射角， 同时改变反射准直器来改变中子束的反射角。相对固体材料而言，液体的表 面/界面研究具有如下特点：1)液体的散射长度密度一般较低，导致中子反射 临界角一般较小，且反射率较低，需要高强度、准直性好的中子束；2)由于 重力作用，液体的表面/界面只能保持水平面。因此，测量液体表面的中子反 射谱仪为水平样品几何，不能通过转动样品来改变中子束的入射角，而只能 通过改变入射准直器来改变中子束的入射角，通过改变反射准直器来改变中 子束的反射角。

国际上最先进的是美国国家标准技术研究院(National Institute of  Standards and Technology)中子研究中心的水平样品几何中子反射谱仪。在这 种谱仪中，入射准直器和入射中子飞行管的位置改变机构由两个升降台、圆 弧滑动补偿模块和平移补偿模块组成，圆弧滑动补偿模块固有的回程间隙使 得定位精度不高，造成中子束的入射角精度低；同时，反射准直器和反射中 子飞行管的位置改变机构搭建在入射准直器和入射中子飞行管的位置改变机 构上，造成中子束的反射角精度低。入射角和反射角的定位精度低造成仪器 的分辨率低。另外，这种谱仪所能达到的中子束的入反射角范围-5°～6°，定 义入射角逆时针旋转为正。

发明内容

本发明的目的是为了满足中子反射实验的高分辨率要求，并针对以上所 述的回程间隙问题，从而提出一种水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的 调整机构，以便能够精确地调整狭缝和中子飞行管的位置，并能够独立地改 变中子束的入射角和反射角，且角度精度高，中子束的入射角范围达-5°～9°， 中子束的反射角范围达-5°～9°；同时，在入反射角范围内，样品能够始终对 准中子束。

本发明的水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构，包括沿着 入射中子束的光路方向依次固定安装在平台10上的入射升降机构1和反射升 降机构2。

所述的入射升降机构1包括第一杆端关节轴承对1100、垂直固定在平台10 上的主升降台1200和副升降台1300、Y形支撑臂1400、第一交叉滚柱V型直线 导轨副1500和第二杆端关节轴承1600。

本发明中采用的杆端关节轴承是一种能够实现支撑和转动的滑动轴承结 构；所述的Y形支撑臂1400是在Y形分叉端具有2个支撑轴，另一端是条形状 的支撑板。

所述的第一杆端关节轴承对1100是由两个相同的杆端关节轴承组成，第 一杆端关节轴承对1100的两个杆端关节轴承的杆端垂直固定在所述的主升降 台1200的工作台面1213上，第一杆端关节轴承对1100的2个关节轴承分别与所 述的Y形支撑臂1400的2个支撑轴分别采用过盈配合方式连接；Y形支撑臂 1400的支撑板固定在所述的第一交叉滚柱V型直线导轨副1500上的滑块上；所 述的第一交叉滚柱V型直线导轨副1500的直线导轨固定在所述的第二杆端关 节轴承1600的杆端，所述的第二杆端关节轴承1600的关节轴承与副升降台 1300上的第二滚珠螺母及套筒1304采用销轴过盈配合方式连接。

沿着入射中子束的光路方向，在所述的Y形支撑臂1400的支撑板上依次固 定安装有第一入射狭缝座3，入射中子飞行管4及第二入射狭缝座5。

所述的第一入射狭缝座3上竖直安装有第一正反螺纹杆，所述的第一正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有入射第一挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有入射第二挡光板；所述的入射第二挡光板的下边沿与所述的入射 第一挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第一入射狭缝。所述的入射第一挡光 板和入射第二挡光板的材料均优选为碳化硼；所述第一入射狭缝的缝隙大小 可以在0至20mm之间调节。

所述的入射升降机构1上的入射中子飞行管4是形状为长方形的空心管， 其外形长宽高尺寸为550mm×55mm×55mm，内部方孔尺寸为50mm×50mm。 所述入射中子飞行管4的材料优选采用含硼铝合金材料。

所述的第二入射狭缝座5上竖直安装有第二正反螺纹杆，所述的第二正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有入射第三挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有入射第四挡光板；所述的入射第四挡光板的下边沿与所述的入射 第三挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第二入射狭缝。所述的入射第三挡光 板和入射第四挡光板的材料均优选为碳化硼；所述第二入射狭缝的缝隙大小 可以在0至20mm之间调节。

在进行中子反射实验时，样品9放置在主升降台1200上，并且位于中子束 与主升降台1200的竖直中心线的交点上。上述结构设计的特点是能够保证第 一杆端关节轴承对1100的转动中心与样品始终在同一个高度上。

所述的反射升降机构2包括第三杆端关节轴承2100、第二交叉滚柱V型直 线导轨副2200、垂直固定在平台10上的反射升降台2300、反射支撑臂2400和 带有轴承的轴承支撑座2500。所述的反射支撑臂2400是一端具有转轴，另一 端是平面支持板结构。

所述的反射支撑臂2400上的转轴与所述的轴承支撑座2500上的轴承采用 过盈配合方式连接，所述的反射支撑臂2400的平面支持板结构端与所述的第 二交叉滚柱V型直线导轨副2200上的滑块固定，所述的第二交叉滚柱V型直线 导轨副2200的导轨固定在所述的第三杆端关节轴承2100的杆端，所述的第三 杆端关节轴承2100的关节轴承与所述的反射升降台2300上的第三滚珠螺母及 套筒2304通过销轴过盈配合方式连接；轴承支撑座2500固定在一支撑架上。

沿着反射中子束的光路方向在反射升降机构2上的反射支撑臂2400的上 表面依次固定安装第一反射狭缝座6、反射中子飞行管7和第二反射狭缝座8。

所述的第一反射狭缝座6上竖直安装有第三正反螺纹杆，所述的第三正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有反射第一挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有反射第二挡光板；所述的反射第二挡光板的下边沿与所述的反射 第一挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第一反射狭缝。所述的反射第一挡光 板和反射第二挡光板的材料均优选为碳化硼。所述的第一反射狭缝的缝隙大 小可以在0至10mm之间调节。

所述的反射升降机构2上的反射中子飞行管7是形状为长方台柱形的空心 管，且该长方台柱形的空心管的小端位于所述的第一反射狭缝座6一边；所述 的反射中子飞行管的总长度为1680mm，小端外形宽高尺寸为83mm×58mm， 小端的端口尺寸为75mm×50mm，大端外形宽高尺寸为83mm×120mm，大端 的端口尺寸为75mm×112mm。所述的反射中子飞行管的材料优选采用含硼铝 合金材料。

所述的反射升降机构2上的所述第二反射狭缝座8上竖直安装有第四正反 螺纹杆，所述的第四正反螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有反射第三挡 光板，反螺纹端通过螺纹连接安装有反射第四挡光板；所述的反射第四挡光 板的下边沿与所述的反射第三挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第二反射狭 缝。所述的反射第三挡光板和反射第四挡光板的材料均优选为碳化硼。所述 的第二反射狭缝的缝隙大小可以在0至20mm之间调节。

所述的挡光板的宽高尺寸均为165mm×50mm，厚1.5mm。为了保证本发 明中的所述的各个狭缝的宽度一致性，上述所有挡光板的上下边沿的直线度 为0.01mm。

所述的正反螺纹杆是指一端外圆表面加工有正螺纹，而另一端外圆表面 加工有反螺纹的圆杆结构件。

所述的入射升降机构1和反射升降机构2在入射角度为零度时，由安装精 度保证第一入射狭缝、入射中子飞行管4、第二入射狭缝、样品9、第一反射 狭缝、反射中子飞行管7、第二反射狭缝等的中心高度一致性误差不大于 0.1mm。

在所述的入射升降机构1中，所述的样品9的中心到中子光源11的水平距 离为2000mm；从所述的样品9的中心到所述的第二杆端关节轴承1600的轴承 中心的水平距离为734mm；从所述的入射中子飞行管4的中心线到所述的第二 杆端关节轴承1600的轴承中心的垂直距离为394mm。

在所述的反射升降机构2中，所述的样品9的中心到所述的轴承支撑座 2500的转轴中心的水平距离为2000mm；从所述的第三杆端关节轴承2100的轴 承中心到所述的轴承支撑座2500的转轴中心的水平距离为1508mm。从所述的 反射中子飞行管7的中心线到所述的第三杆端关节轴承2100的轴承中心的垂 直距离为347mm。

本发明的水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构，由于采用 了上述合理的结果及尺寸，能够实现中子束的入射角和反射角的改变，且中 子束的入射角范围达-5°～9°，中子束的反射角范围达-5°～9°。同时，在入反 射角范围内，样品能够始终对准中子束。

所述的主升降台1200、副升降台1300和反射升降台2300都是由步进电机 驱动的蜗轮蜗杆机构和滚珠丝杠副组成的具有上升和下降动作功能的机械结 构；选择具有上述机械结构及功能的升降台进行有序的升降运动，可以实现 高精度改变中子束的入射角和反射角。为了能够更好的实现本发明的目的， 本发明还提供了如下结构的升降台。

所述的主升降台1200包括第一步进电机1201、第一蜗轮蜗杆减速机1202、 第一滚珠丝杠1203、第一滚珠螺母及套筒1204、第一线性滚珠导轨1205、第 一线性滚珠导轨滑块1206、第二线性滚珠导轨1207、第二线性滚珠导轨滑块 1208、第三线性滚珠导轨1209、第三线性滚珠导轨滑块1210、第四线性滚珠 导轨1211、第四线性滚珠导轨滑块1212、工作台面1213、机座1214、第一光 栅尺主体1215、第一光栅读数头1216、第一上限位开关1217、第一下限位开 关1218和第一零位开关1219。

所述的第一蜗轮蜗杆减速机1202固定在所述的机座1214上，所述的第一 蜗轮蜗杆减速机1202的输入轴与所述的第一步进电机1201的输出轴在轴向固 定连接；所述的第一蜗轮蜗杆减速机1202的输出轴与所述的第一滚珠丝杠 1203轴向固定连接；与所述的第一滚珠丝杠1203配合使用的所述的第一滚珠 螺母及套筒1204垂直固定安装在所述的工作台面1213的底部；所述的第一线 性滚珠导轨1205、所述的第二线性滚珠导轨1207、所述的第三线性滚珠导轨 1209、所述的第四线性滚珠导轨1211分别平行地固定安装在工作台面的底部； 所述的第一线性滚珠导轨滑块1206、所述的第二线性滚珠导轨滑块1208、所 述的第三线性滚珠导轨滑块1210、所述的第四线性滚珠导轨滑块1212分别平 行安装在机座1214上，并且所述的第一线性滚珠导轨1205、所述的第二线性 滚珠导轨1207、所述的第三线性滚珠导轨1209、所述的第四线性滚珠导轨1211 分别安装在所述的第一线性滚珠导轨滑块1206、所述的第二线性滚珠导轨滑 块1208、所述的第三线性滚珠导轨滑块1210、所述的第四线性滚珠导轨滑块 1212中；所述的第一光栅尺主体1215垂直固定安装在所述的工作台面1213的 底部，与所述的第一光栅尺主体1215配合使用的所述的第一光栅读数头1216 固定在所述的机座1214上，并与所述的第一光栅尺主体1215面对面安装；所 述的第一上限位开关1217固定在所述的机座1214的顶部，所述的第一下限位 开关1218固定在所述的机座1214的底部，所述的第一零位开关1219固定在所 述的机座1214的中间。

所述的副升降台1300包括第二步进电机1301、第二蜗轮蜗杆减速机1302、 第二滚珠丝杠1303、第二滚珠螺母及套筒1304、第一圆柱滚珠导轨1305、第 一圆柱滚珠滑块1306、第二圆柱滚珠导轨1307、第二圆柱滚珠滑块1308、第 一移动导向块1309、副机座1310、第二光栅尺主体1311、第二光栅读数头1312、 第二上限位开关1313、第二下限位开关1314和第二零位开关1315。

所述的第二蜗轮蜗杆减速机1302垂直固定在所述的副机座1310上，所述 的第二蜗轮蜗杆减速机1302的输入轴与所述的第二步进电机1301采用轴向固 定连接，所述的第二蜗轮蜗杆减速机1302的输出端与所述的第二滚珠丝杠 1303采用轴向固定连接；所述的第二滚珠丝杠1303安装在所述的第二滚珠螺 母及套筒1304中；所述的第一圆柱滚珠导轨1305和所述的第二圆柱滚珠导轨 1307平行的固定安装在所述的副机座1310上；并且所述的第一圆柱滚珠导轨 1305和所述的第二圆柱滚珠导轨1307分别安装到所述的第一圆柱滚珠滑块 1306和所述的第二圆柱滚珠滑块1308中；所述的第一圆柱滚珠滑块1306和所 述的第二圆柱滚珠滑块1308固定在所述的第一移动导向块1309上；所述的第 一移动导向块1309固定在所述的第二滚珠螺母及套筒1304上；所述的第二光 栅尺主体1311安装在所述的副机座1310上，与所述的第二光栅尺主体1311配 合使用的所述的第二光栅读数头1312固定在所述的第一移动导向块1309上， 并与所述的第二光栅尺主体1311面对面安装；所述的第二上限位开关1313固 定在所述的副机座1310的顶部，所述的第二下限位开关1314固定在所述的副 机座1310的底部，所述的第二零位开关1315固定在所述的副机座1310的中间。

所述的反射升降台2300包括第三步进电机2301、第三蜗轮蜗杆减速机 2302、第三滚珠丝杠2303、第三滚珠螺母及套筒2304、第三圆柱滚珠导轨2305、 第三圆柱滚珠滑块2306、第四圆柱滚珠导轨2307、第四圆柱滚珠滑块2308、 第二移动导向块2309、反射机座2310、第三光栅尺主体2311、第三光栅读数 头2312、第三上限位开关2313、第三下限位开关2314和第三零位开关2315。

所述的第三蜗轮蜗杆减速机2302垂直固定在所述的反射机座2310上，所 述的第三蜗轮蜗杆减速机2302的输入轴与所述的第三步进电机2301采用轴向 固定连接，所述的第三蜗轮蜗杆减速机2302的输出轴与所述的第三滚珠丝杠 2303采用轴向固定连接；所述的第三滚珠丝杠2303安装在所述的第三滚珠螺 母及套筒2304中；所述的第三圆柱滚珠导轨2305和所述的第四圆柱滚珠导轨 2307平行的固定安装在所述的反射机座2310上；并且所述的第三圆柱滚珠导 轨2305和所述的第四圆柱滚珠导轨2307分别安装到所述的第三圆柱滚珠滑块 2306和所述的第四圆柱滚珠滑块2308中；所述的第三圆柱滚珠滑块2306和所 述的第四圆柱滚珠滑块2308固定在所述的第二移动导向块2309上；所述的第 二移动导向块2309固定在所述的第三滚珠螺母及套筒2304上；所述的第三光 栅尺主体2311安装在所述的反射机座2310上，与所述的第三光栅尺主体2311 配合使用的所述的第三光栅读数头2312固定在所述的第二移动导向块2309 上，并与所述的第三光栅尺主体2311面对面安装；所述的第三上限位开关2313 固定在所述的反射机座2310的顶部，所述的第三下限位开关2314固定在所述 的反射机座2310的底部，所述的第三零位开关2315固定在所述的反射机座 2310的中间。

本发明的调整机构能够高精度地调整所述狭缝和中子飞行管的位置，所 述的入射升降机构1和反射升降机构2在上述主升降台1200、副升降台1300和 反射升降台2300的上下移动过程中能够实现高精度改变中子束的入射角和反 射角，获取高分辨率的散射矢量，且中子束的入射角范围达-5°～9°，中子束 的反射角范围达-5°～9°，使得测量的散射矢量范围加大。同时，在入反射角 范围内，样品能够始终对准中子束。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构的中 子束入射角为0°时的结构示意图，A是主视图，B是俯视图。

图2是本发明的水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构的中 子束入射角改变Δθ时的结构示意图，A是主视图，B是俯视图。

图3是图2所示的主升降台结构示意图，A是右视图，B是主视图，C是左 视图。

图4是图2所示的副升降台结构示意图，A是右视图，B是主视图。

图5是图2所示的反射升降台结构示意图，A是主视图，B是左视图。

图6是本发明的电控流程说明图。

附图标记

1.入射升降机构        2.反射升降机构      3.第一入射狭缝座

4.入射中子飞行管      5.第二入射狭缝座    6.第一反射狭缝座

7.反射中子飞行管      8.第二反射狭缝座    9.样品

10.平台11.中子光源    12.检测单元

1100.第一杆端关节轴承对         1200.主升降台

1300.副升降台                   1400.Y形支撑臂

1500.第一交叉滚柱V型直线导轨副  1600.第二杆端关节轴承

2100.第三杆端关节轴承           2200.第二交叉滚柱V型直线导轨副

2300.反射升降台                     2400.反射支撑臂

2500.轴承支撑座                     1201.第一步进电机

1202.第一蜗轮蜗杆减速机           1203.第一滚珠丝杠

1204.第一滚珠螺母及套筒           1205.第一线性滚珠导轨

1206.第一线性滚珠导轨滑块         1207.第二线性滚珠导轨

1208.第二线性滚珠导轨滑块         1209.第三线性滚珠导轨

1210.第三线性滚珠导轨滑块         1211.第四线性滚珠导轨

1212.第四线性滚珠导轨滑块         1213.工作台面

1214.机座                         1215.第一光栅尺主体

1216.第一光栅读数头               1217.第一上限位开关

1218.第一下限位开关               1219.第一零位开关

1301.第二步进电机                 1302.第二蜗轮蜗杆减速机

1303.第二滚珠丝杠                 1304.第二滚珠螺母及套筒

1305.第一圆柱滚珠导轨             1306.第一圆柱滚珠滑块

1307.第二圆柱滚珠导轨             1308.第二圆柱滚珠滑块

1309.第一移动导向块               1310.副机座

1311.第二光栅尺主体               1312.第二光栅读数头

1313.第二上限位开关               1314.第二下限位开关

1315.第二零位开关                 2301.第三步进电机

2302.第三蜗轮蜗杆减速机           2303.第三滚珠丝杠

2304.第三滚珠螺母及套筒           2305.第三圆柱滚珠导轨

2306.第三圆柱滚珠滑块             2307.第四圆柱滚珠导轨

2308.第四圆柱滚珠滑块             2309.第二移动导向块

2310.反射机座                     2311.第三光栅尺主体

2312.第三光栅读数头               2313.第三上限位开关

2314.第三下限位开关               2315.第三零位开关

具体实施方式

请参见图1～6。水平样品几何中子反射谱仪的中子光路的调整机构包括 沿着入射中子束的光路方向依次固定安装在平台10上的入射升降机构1和反 射升降机构2。下面将通过中子光路的调整机构的具体操作来描述中子束的入 射角和反射角的调整过程。

(1)中子束的入射角为0°的调整过程

所述的入射升降机构1包括具有能够实现支撑和转动的滑动轴承结构的 第一杆端关节轴承对1100、垂直固定在平台10上的主升降台1200和副升降台 1300、Y形支撑臂1400(在Y形分叉端具有2个支撑轴，另一端是条形状的支 撑板)、第一交叉滚柱V型直线导轨副1500和第二杆端关节轴承1600。

所述的第一杆端关节轴承对1100是由两个相同的杆端关节轴承组成，第 一杆端关节轴承对1100的两个杆端关节轴承的杆端垂直固定在所述的主升降 台1200的工作台面1213上，第一杆端关节轴承对1100的2个关节轴承分别与所 述的Y形支撑臂1400的2个支撑轴分别采用过盈配合方式连接；Y形支撑臂 1400的支撑板固定在所述的第一交叉滚柱V型直线导轨副1500上的滑块上；所 述的第一交叉滚柱V型直线导轨副1500的直线导轨固定在所述的第二杆端关 节轴承1600的杆端，所述的第二杆端关节轴承1600的关节轴承与副升降台 1300上的第二滚珠螺母及套筒1304采用销轴过盈配合方式连接。

沿着入射中子束的光路方向，在所述的Y形支撑臂1400的支撑板上依次固 定安装有第一入射狭缝座3，外形长宽高尺寸为550mm×55mm×55mm，内部 方孔尺寸为50mm×50mm的形状为长方形的空心管的入射中子飞行管4及第 二入射狭缝座5。

所述的第一入射狭缝座3上竖直安装有一端外圆表面加工有正螺纹，而另 一端外圆表面加工有反螺纹的圆杆结构的第一正反螺纹杆，所述的第一正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有入射第一挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有入射第二挡光板；所述的入射第二挡光板的下边沿与所述的入射 第一挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第一入射狭缝。所述第一入射狭缝的 缝隙大小可以在0至20mm之间调节。

所述的第二入射狭缝座5上竖直安装有一端外圆表面加工有正螺纹，而另 一端外圆表面加工有反螺纹的圆杆结构的第二正反螺纹杆，所述的第二正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有入射第三挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有入射第四挡光板；所述的入射第四挡光板的下边沿与所述的入射 第三挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第二入射狭缝。所述第二入射狭缝的 缝隙大小可以在0至20mm之间调节。

所述的反射升降机构2包括第三杆端关节轴承2100、第二交叉滚柱V型直 线导轨副2200、垂直固定在平台10上的反射升降台2300、反射支撑臂2400和 带有轴承的轴承支撑座2500。所述的反射支撑臂2400是一端具有转轴，另一 端是平面支持板结构。

所述的反射支撑臂2400上的转轴与所述的轴承支撑座2500上的轴承采用 过盈配合方式连接，所述的反射支撑臂2400的平面支持板结构端与所述的第 二交叉滚柱V型直线导轨副2200上的滑块固定，所述的第二交叉滚柱V型直线 导轨副2200的导轨固定在所述的第三杆端关节轴承2100的杆端，所述的第三 杆端关节轴承2100的关节轴承与所述的反射升降台2300上的第三滚珠螺母及 套筒2304通过销轴过盈配合方式连接；轴承支撑座2500固定在一支撑架上。

沿着反射中子束的光路方向在反射升降机构2上的反射支撑臂2400的上 表面依次固定安装第一反射狭缝座6、形状为长方台柱形的空心状反射中子飞 行管7(总长度为1680mm，小端外形宽高尺寸为83mm×58mm，小端的端口 尺寸为75mm×50mm，大端外形宽高尺寸为83mm×120mm，大端的端口尺寸 为75mm×112mm)，且所述的反射中子飞行管7的小端位于所述的第一反射狭 缝座6一边、和固定安装第二反射狭缝座8。

所述的第一反射狭缝座6上竖直安装有一端外圆表面加工有正螺纹，而另 一端外圆表面加工有反螺纹的圆杆结构的第三正反螺纹杆，所述的第三正反 螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有反射第一挡光板，反螺纹端通过螺纹 连接安装有反射第二挡光板；所述的反射第二挡光板的下边沿与所述的反射 第一挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第一反射狭缝。所述的第一反射狭缝 的缝隙大小可以在0至10mm之间调节。

所述的反射升降机构2上的所述第二反射狭缝座8上竖直安装有一端外圆 表面加工有正螺纹，而另一端外圆表面加工有反螺纹的圆杆结构的第四正反 螺纹杆，所述的第四正反螺纹杆的正螺纹端通过螺纹连接安装有反射第三挡 光板，反螺纹端通过螺纹连接安装有反射第四挡光板；所述的反射第四挡光 板的下边沿与所述的反射第三挡光板的上边沿之间形成的狭缝为第二反射狭 缝。所述的第二反射狭缝的缝隙大小可以在0至20mm之间调节。

上述的挡光板的宽高尺寸均为165mm×50mm，厚1.5mm；上述所有挡光 板的上下边沿的直线度为0.01mm。

将样品9放置在主升降台1200上，并且位于中子束与主升降台1200的竖直 中心线的交点上。当中子束的入射角为0°时，要求第一入射狭缝、入射中子飞 行管4、第二入射狭缝、第一反射狭缝、反射中子飞行管7、第二反射狭缝和 样品在同一高度。通过主升降台1200、副升降台1300和反射升降台2300的上 下移动，同时利用光学准直的原理，实现第一入射狭缝、入射中子飞行管4、 第二入射狭缝、第一反射狭缝、反射中子飞行管7、第二反射狭缝和样品处于 同一高度。如图1所示即为中子束的入射角度为0°时的中子光路的调整机构的 视图。图1所表示的位置也是本发明中水平样品几何中子反射谱仪的中子光路 的调整机构的零位。调整其它中子入射角度时都是以上述零位作为参考进行 调整而获得的。

(2)中子束的入射角为9°的调整过程

下面(a)和(b)两组关于入射升降机构1和反射升降机构2的部件尺寸及相互 距离是入射角度调整过程中的计算依据：

(a)在入射升降机构1中，所述的样品9的中心到中子光源11的水平距离为 2000mm；从所述的样品9的中心到所述的第二杆端关节轴承1600的轴承中心 的水平距离为734mm；从所述的入射中子飞行管4的中心线到所述的第二杆端 关节轴承1600的轴承中心的垂直距离为394mm。

(b)在反射升降机构2中，所述的样品9的中心到所述的轴承支撑座2500的 转轴中心的水平距离为2000mm；从所述的第三杆端关节轴承2100的轴承中心 到所述的轴承支撑座2500的转轴中心的水平距离为1508mm。从所述的反射中 子飞行管7的中心线到所述的第三杆端关节轴承2100的轴承中心的垂直距离 为347mm。

对于非0°的中子束的入射角，第一入射狭缝和第二入射狭缝限定的入射中 子束经过入射中子飞行管4入射到样品上，反射中子束由第一反射狭缝和第二 反射狭缝限定经由反射中子飞行管7到达指定的检测单元12。

如图2所示，令Δθ＝9°。中子束的入射角改变Δθ＝9°，中子束的反射角也 改变Δθ＝9°，才能使中子束正确地反射进入检测单元12。因此水平样品几何 中子反射谱仪将通过两个步骤的操作过程来完成中子光路的调整。

首先讲述改变入射中子束的入射升降机构1的调整。为使中子束的入射角 改变Δθ＝9°，根据运动轨迹方程计算可以确定主升降台1200需降低 Δh₁＝316.97mm，副升降台1300需降低Δh₂＝205.43mm。

主升降台1200的结构如图3所示，具体电控框图见图6所示。所述的主升 降台1200包括第一步进电机1201、第一蜗轮蜗杆减速机1202、第一滚珠丝杠 1203、第一滚珠螺母及套筒1204、第一线性滚珠导轨1205、第一线性滚珠导 轨滑块1206、第二线性滚珠导轨1207、第二线性滚珠导轨滑块1208、第三线 性滚珠导轨1209、第三线性滚珠导轨滑块1210、第四线性滚珠导轨1211、第 四线性滚珠导轨滑块1212、工作台面1213、机座1214、第一光栅尺主体1215、 第一光栅读数头1216、第一上限位开关1217、第一下限位开关1218和第一零 位开关1219。

所述的第一蜗轮蜗杆减速机1202固定在所述的机座1214上，所述的第一 蜗轮蜗杆减速机1202的输入轴与所述的第一步进电机1201的输出轴在轴向固 定连接；所述的第一蜗轮蜗杆减速机1202的输出轴与所述的第一滚珠丝杠 1203轴向固定连接；与所述的第一滚珠丝杠1203配合使用的所述的第一滚珠 螺母及套筒1204垂直固定安装在所述的工作台面1213的底部；所述的第一线 性滚珠导轨1205、所述的第二线性滚珠导轨1207、所述的第三线性滚珠导轨 1209、所述的第四线性滚珠导轨1211分别平行地固定安装在工作台面的底部； 所述的第一线性滚珠导轨滑块1206、所述的第二线性滚珠导轨滑块1208、所 述的第三线性滚珠导轨滑块1210和所述的第四线性滚珠导轨滑块1212分别平 行安装在机座1214上，并且所述的第一线性滚珠导轨1205、所述的第二线性 滚珠导轨1207、所述的第三线性滚珠导轨1209和所述的第四线性滚珠导轨 1211分别安装在所述的第一线性滚珠导轨滑块1206、所述的第二线性滚珠导 轨滑块1208、所述的第三线性滚珠导轨滑块1210和所述的第四线性滚珠导轨 滑块1212中；所述的第一光栅尺主体1215垂直固定安装在所述的工作台面 1213的底部，与所述的第一光栅尺主体1215配合使用的所述的第一光栅读数 头1216固定在所述的机座1214上，并与所述的第一光栅尺主体1215面对面安 装；所述的第一上限位开关1217固定在所述的机座1214的顶部，所述的第一 下限位开关1218固定在所述的机座1214的底部，所述的第一零位开关1219固 定在所述的机座1214的中间。

在主升降台1200调整过程中，首先是工控机通过驱动器I对第一步进电机 1201发出指令，第一步进电机1201旋转，驱动第一蜗轮蜗杆减速机1202转动。 第一蜗轮蜗杆减速机1202的输出轴带动第一滚珠丝杠1203转动。导致与第一 滚珠丝杠1203配合的第一滚珠螺母及套筒1204及工作台面1213向下运动，平 行安装在工作台面1213下方的第一线性滚珠导轨1205、第二线性滚珠导轨 1207、第三线性滚珠导轨1209和第四线性滚珠导轨1211分别沿着平行安装在 机座1214上的第一线性滚珠导轨滑块1206、第一线性滚珠导轨滑块1208、第 三线性滚珠导轨滑块1210和第四线性滚珠导轨滑块1212向下运动。

主升降台1200向下运动的过程中，第一光栅尺读数头1216沿着第一光栅 尺主体1215进行位移读数实时反馈给工控机，实现闭环控制，精确定位，精 度±3μm；第一上限位开关1217和第一下限位开关1218将信号及时反馈给工控 机，对运动行程进行自动保护；第一零位光电开关1219用于对零位记录，并 且实现多次往返运动之后的回程间隙消除。

副升降台1300的结构参见图4。所述的副升降台1300包括第二步进电机 1301、第二蜗轮蜗杆减速机1302、第二滚珠丝杠1303、第二滚珠螺母及套筒 1304、第一圆柱滚珠导轨1305、第一圆柱滚珠滑块1306、第二圆柱滚珠导轨 1307、第二圆柱滚珠滑块1308、第一移动导向块1309、副机座1310、第二光 栅尺主体1311、第二光栅读数头1312、第二上限位开关1313、第二下限位开 关1314和第二零位开关1315。

所述的第二蜗轮蜗杆减速机1302垂直固定在所述的副机座1310上，所述 的第二蜗轮蜗杆减速机1302的输入轴与所述的第二步进电机1301采用轴向固 定连接，所述的第二蜗轮蜗杆减速机1302的输出端与所述的第二滚珠丝杠 1303采用轴向固定连接；所述的第二滚珠丝杠1303安装在所述的第二滚珠螺 母及套筒1304中；所述的第一圆柱滚珠导轨1305和所述的第二圆柱滚珠导轨 1307平行的固定安装在所述的副机座1310上；并且所述的第一圆柱滚珠导轨 1305和所述的第二圆柱滚珠导轨1307分别安装到所述的第一圆柱滚珠滑块 1306和所述的第二圆柱滚珠滑块1308中；所述的第一圆柱滚珠滑块1306和所 述的第二圆柱滚珠滑块1308固定在所述的第一移动导向块1309上；所述的第 一移动导向块1309固定在所述的第二滚珠螺母及套筒1304上；所述的第二光 栅尺主体1311安装在所述的副机座1310上，与所述的第二光栅尺主体1311配 合使用的所述的第二光栅读数头1312固定在所述的第一移动导向块1309上， 并与所述的第二光栅尺主体1311面对面安装；所述的第二上限位开关1313固 定在所述的副机座1310的顶部，所述的第二下限位开关1314固定在所述的副 机座1310的底部，所述的第二零位开关1315固定在所述的副机座1310的中间。

在副升降台1300的调整过程中，工控机通过驱动器II对第二步进电机1301 发出指令，第二步进电机1301转动，驱动第二蜗轮蜗杆减速机1302转动。第 二蜗轮蜗杆减速机1302的输出轴带动第二滚珠丝杠1303转动。导致与第二滚 珠丝杠1303配合的第二滚珠螺母及套筒1304向下运动，从而带动第一移动导 向块1309向下运动。固定在第一移动导向块1309上的第一圆柱滚珠滑块1306、 第二圆柱滚珠滑块1308分别沿着第一圆柱滚珠导轨1305、第二圆柱滚珠导轨 1307向下运动。

所述的副升降台1300向下运动过程中，第二光栅尺读数头1312沿着第二 光栅尺主体1311进行位移读数实时反馈给工控机，实现闭环控制，精确定位， 精度±3μm；第二上限位开关1313和第二下限位开关1314将信号及时反馈给工 控机，对运动行程进行自动保护；第二零位光电开关1315用于对零位记录， 并且实现多次往返运动之后的回程间隙消除。

在主升降台1200和副升降台1300向下运动过程中，Y形支撑臂1400沿着垂 直安装在工作台面1213上的第一杆端关节轴承对1100的转动中心转动，同时 沿着中子光源11的中心旋转，第一交叉滚柱V型直线导轨副1500在水平方向做 伴随移动，带动与第一交叉滚柱单元1500垂直的第二杆端关节轴承1600实时 地转动。当主升降台1200和副升降台1300运动到位后，Y形支撑臂400旋转Δθ， 第一入射狭缝和第二入射狭缝限定的中子束的入射角改变Δθ＝9°，入射中子 飞行管4旋转Δθ＝9°。至此为止，完成了入射升降机构的1的入射角度调整。

下面开始描述改变反射中子束的反射升降机构2的操作。详细过程如下所 示：

对应于中子束的入射角改变Δθ＝9°，中子束的反射角改变Δθ＝9°，根据 运动轨迹方程可以确定，反射升降台2300需降低Δh₃＝243.17mm。反射升降台 2300的结构如图5所示。电控框图参考图6所示。所述的反射升降台2300包括 第三步进电机2301、第三蜗轮蜗杆减速机2302、第三滚珠丝杠2303、第三滚 珠螺母及套筒2304、第三圆柱滚珠导轨2305、第三圆柱滚珠滑块2306、第四 圆柱滚珠导轨2307、第四圆柱滚珠滑块2308、第二移动导向块2309、反射机 座2310、第三光栅尺主体2311、第三光栅读数头2312、第三上限位开关2313、 第三下限位开关2314和第三零位开关2315。

所述的第三蜗轮蜗杆减速机2302垂直固定在所述的反射机座2310上，所 述的第三蜗轮蜗杆减速机2302的输入轴与所述的第三步进电机2301采用轴向 固定连接，所述的第三蜗轮蜗杆减速机2302的输出轴与所述的第三滚珠丝杠 2303采用轴向固定连接；所述的第三滚珠丝杠2303安装在所述的第三滚珠螺 母及套筒2304中；所述的第三圆柱滚珠导轨2305和所述的第四圆柱滚珠导轨 2307平行的固定安装在所述的反射机座2310上；并且所述的第三圆柱滚珠导 轨2305和所述的第四圆柱滚珠导轨2307分别安装到所述的第三圆柱滚珠滑块 2306、所述的第四圆柱滚珠滑块2308中；所述的第三圆柱滚珠滑块2306和所 述的第四圆柱滚珠滑块2308固定在所述的第二移动导向块2309上；所述的第 二移动导向块2309固定在所述的第三滚珠螺母及套筒2304上；所述的第三光 栅尺主体2311安装在所述的反射机座2310上，与所述的第三光栅尺主体2311 配合使用的所述的第三光栅读数头2312固定在所述的第二移动导向块2309 上，并与所述的第三光栅尺主体2311面对面安装；所述的第三上限位开关2313 固定在所述的反射机座2310的顶部，所述的第三下限位开关2314固定在所述 的反射机座2310的底部，所述的第三零位开关2315固定在所述的反射机座 2310的中间。

工控机通过驱动器III对第三步进电机2301发出指令，第三步进电机2301 转动，驱动第三蜗轮蜗杆减速机2302转动。第三蜗轮蜗杆减速机2302的输出 轴带动第三滚珠丝杠2303转动。导致与第三滚珠丝杠2303配合的第三滚珠螺 母及套筒2304向下运动，带动第二移动导向块2309向下运动。同时，固定在 第二移动导向块2309上的第三圆柱滚珠滑块2306、第四圆柱滚珠滑块2308分 别沿着第三圆柱滚珠导轨2305、第四圆柱滚珠导轨2307向下运动。

所述的反射升降台2300向下运动的过程中，第三光栅尺读数头2312沿着 第三光栅尺主体2311进行位移读数及时反馈给工控机，实现闭环控制，精确 定位，精度±3μm；第三上限位开关2313和第三下限位开关2314将信号及时反 馈给工控机，对运动行程进行自动保护；第三零位光电开关2315用于对零位 记录，并且实现多次往返运动之后的回程间隙消除。

随着反射升降台2300向下运动，反射支撑臂2400绕着轴承支撑座2500的 转动端(即检测单元的中心)转动，在反射支撑臂2400下方平行安装的第二 交叉滚柱V型直线导轨副2200在水平方向做伴随运动，带动与第二交叉滚柱V 型直线导轨副2200垂直安装的第三杆端关节轴承2100实时地转动。反射升降 台2300运动到位后，反射支撑臂2400绕着轴承支撑座2500的转动端旋转Δθ＝ 9°，第一反射狭缝和第二反射狭缝限定的中子束的反射角改变Δθ＝9°，反射 中子飞行管7旋转Δθ＝9°。

(3)中子束的入射角为-5°的调整过程

当中子束的入射角/反射角改变Δθ＝-5°，即Δθ＜0，根据运动轨迹方程可以 确定主升降台1200上升Δh₁＝174.98mm、副升降台1300上升Δh₂＝109.26mm和反 射升降台2300向上的位移量为Δh₃＝130.61mm。调整过程和前面的入射角度为 正的实施例子基本相同，仅仅是改变了控制电机转动方向来实现各个升降台 向上运动，最终实现-5°的中子束入射角的调整。

(4)入射和出射狭缝的调整过程

以第一入射狭缝大小的调整过程为例来说明其调整过程。水平样品几何 中子反射谱仪的中子光路的调整机构的第一入射狭缝座3上竖直安装有第一 正反螺纹杆。在第一正反螺纹杆的正螺纹端利用螺纹连接方式安装有入射第 一挡光板。第一正反螺纹杆的反螺纹端利用螺纹连接方式安装有入射第二挡 光板。入射第二挡光板的下边沿与入射第一挡光板的上边沿之间形成所述的 第一入射狭缝。入射第一挡光板和入射第二挡光板的材料均优选为碳化硼； 入射端四个挡光板和反射端四个挡光板的宽高尺寸均为165mm×50mm。为了 保证本发明中的所述的各个狭缝的宽度一致性，上述所有挡光板的上下边沿 的直线度为0.01mm。

当需要调大第一入射狭缝时，以第一正反螺纹杆的正螺纹端为参考，让 第一正反螺纹杆顺时针转动。此时，入射第一挡光板会向下移动，而入射第 二挡光板会向上移动，导致第一入射狭缝变大，直至到达最大间距20mm。反 之，让第一正反螺纹杆逆时针转动，导致第一入射狭缝变小，直至入射第一 挡光板上沿接触入射第二挡光板下沿，此时窄缝宽度为0mm。可见，第一入 射狭缝的大小可以在0至20mm之间可调。

第二入射狭缝、第一反射狭缝和第二反射狭缝的大小调节过程和第一入 射狭缝相同。