一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器

摘要

本发明提出一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器，包括水平绕向线圈、圆弧绕向线圈、射频翻转线圈、射频接口、水平绕向线圈骨架、圆弧绕向线圈骨架、射频线圈骨架，每两个圆弧绕向线圈骨架与一个水平绕向线圈骨架相连成C字形骨架，两个C字形骨架的开口处与同一个射频线圈骨架相连成镜像对称骨架，所述线圈分别绕制到对应线圈骨架上后连接射频接口。水平及圆弧绕向线圈采用阳极氧化铜线，射频翻转线圈采用阳极氧化铝带，射频翻转线圈骨架中间留有中子束斑通过窗口，以提高中子透过率。该装置可以通过在射频接口馈入射频信号，实现中子共振自旋翻转。若配合相应谱仪使用，可实现材料动力学特性高能量分辨率和短动力学时间的探测。

说明书

技术领域

本发明涉及中子自旋回波散射谱仪技术领域，具体涉及一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器。

背景技术

自旋回波准弹中子散射谱仪可以实现对材料动力学特性实现高能量分辨率和短动力学时间探测，从而对相关的材料研究起到指导性的作用。但目前用在自旋回波准弹中子散射谱仪中的中子共振型翻转器结构复杂，无法高精度任意方向极化中子极化方向，并在工作时翻转器中的线圈容易产生杂乱的逸散场，引入了不必要的磁场路径积分，导致中子出现退极化现象，从而降低了谱仪的探测精度及效率，无法最大限度发挥自旋回波准弹中子散射谱仪的综合性能。

因此亟需设计一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器，该翻转器不仅结构简单，而且可以通过在中子路径上产生均匀的射频场实现中子自旋翻转，并通过调节输入射频信号的频率和强度实现任意波长中子自旋翻转，从而实现用于对材料动力学特性实现高能量分辨率，短动力学时间的探测。

发明内容

为达此目的，提出了一种自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器。

一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器，所述装置包括水平绕向线圈、圆弧绕向线圈、射频翻转线圈、射频接口、水平绕向线圈骨架、圆弧绕向线圈骨架、射频线圈骨架；其连接关系是：每两个圆弧绕向线圈骨架与一个水平绕向线圈骨架组成C字形骨架，两个C字形骨架开口相对并与射频线圈骨架相连形成镜像对称的8字形骨架；所述水平绕向线圈、圆弧绕向线圈、射频翻转线圈分别绕制在水平绕向线圈骨架、圆弧绕向线圈骨架、射频线圈骨架上，并且水平绕向线圈、圆弧绕向线圈、射频翻转线圈首尾串联，线圈绕线最后经绕线引出口引出后与射频接口相连；所述水平绕向线圈、圆弧绕向线圈的截面形状相同皆为矩形截面，所述射频翻转线圈也为矩形截面，且为其他两个线圈截面形状的两倍大小；所述水平绕向线圈、圆弧绕向线圈采用阳极氧化纯铜圆线进行绕制，所述射频翻转线圈采用阳极氧化铝带进行绕制，所述射频线圈骨架上开设有用于中子束斑通过的通道。

可选的，所述水平绕向线圈骨架、圆弧绕向线圈骨架、射频线圈骨架为耐热聚四氟乙烯材料，所述水平绕向线圈骨架上加工有等间距排布的等宽度第一布线槽用于绕制水平绕向线圈，圆弧绕向线圈骨架上加工有等弧度间距的第二布线槽用于绕制圆弧绕向线圈，所述射频线圈骨架顶部和底部均开设一字槽用于绕制射频翻转线圈。

可选的，所述装置圆弧绕向线圈紧贴射频翻转线圈，用以约束射频线圈工作时杂乱的逸散场。

可选的，所述圆弧绕向线圈通过射频线圈骨架上的穿线孔与射频翻转线圈通过焊接的方式进行串联。

可选的，所述射频接口包括线圈正极接头、接地外壳、固定螺纹，所述正极接头与线圈绕线一端焊接连接，接地外壳与线圈另一端焊接连接，通过固定螺纹与外部射频源进行连接，实现射频信号的馈入。

可选的，水平绕向线圈、圆弧绕向线圈、射频翻转线圈与水平绕向线圈骨架、圆弧绕向线圈骨架、射频线圈骨架的接触面之间采用密封胶进行绝缘。

本发明的有益之处在于：本发明一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器具有结构简单，性能可靠的优点。本装置可以通过在中子路径上产生均匀的射频场实现中子自旋翻转，且可以通过调节输入射频信号的频率和强度实现中子自旋的任意波长的翻转。可用于自旋回波准弹中子散射谱仪中实现中子的180度翻转，从而实现用于对材料动力学特性实现高能量分辨率，短动力学时间的探测，对相关的材料研究起到指导性的作用。本装置中所有线圈均在其支撑结构上采用机加工的方式加工出了等间距的布线槽，保证了线圈绕组位置精度以及长期使用的可靠性，此外在射频翻转线圈外分别串联了对称的弧形线圈，用以约束射频线圈工作时杂乱的逸散场，避免在路径上引入不必要的磁场路径积分，导致中子的退极化。装置在射频线圈骨架中留出了用以中子通过的孔道，且射频翻转线圈采用阳极氧化铝带进行绕制，保证了装置对中子的高透过率。本装置发明能够采用射频的方式实现任意波长的中子自旋翻转，本装置配合自旋回波准弹中子散射谱仪使用可以用做180°中子自旋翻转器，从而可以实现用于对材料动力学特性实现高能量分辨率，短动力学时间的探测，从而对相关的材料研究起到指导性的作用，在生命科学，材料科学中具有重大的应用场景。且可以用于任何需要中子自旋进行翻转的相关极化中子谱仪中。

附图说明

图1为用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器整体结构示意图；

图2为未绕线时的骨架结构示意图；

图3为圆弧绕向线圈骨架结构示意图。

图4为水平绕向线圈骨架结构示意图。

图5为射频线圈骨架结构示意图；

图6为射频接口结构示意图。

图中1.水平绕向线圈，2.圆弧绕向线圈，3.射频翻转线圈，4.射频接口，5.水平绕向线圈骨架，6.圆弧绕向线圈骨架，7.射频线圈骨架，8.销孔，9.绕线引出口，10.矩形轴，41.接地外壳，42.正极接头，43.固定螺纹，51.第一布线槽，61.第二布线槽，62.矩形孔，71.一字槽，72.穿线孔，73.中子束斑通过窗口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。

图1-图6展示了一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器。

实施例1

图1和图2分别展示了用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器的整体结构，以及未绕线时的骨架结构。图3～图5展示了不同类型骨架的结构细部。图6为射频接口结构示意图。

由图可知，一种用于自旋回波准弹中子散射谱仪的中子共振型翻转器，包括2个水平绕向线圈1、4个圆弧绕向线圈2、1个射频翻转线圈3、1个射频接口4、2个水平绕向线圈骨架5、4个圆弧绕向线圈骨架6、1个射频线圈骨架7。每两个圆弧绕向线圈骨架6通过骨架上的矩形孔62与一个水平绕向线圈骨架5上的矩形轴10插接在一起，使圆弧绕向线圈骨架6是的销孔8和矩形轴10上的销孔对齐，通过聚四氟乙烯销子连接在一起形成C字形骨架。两个C字形骨架开口相对并与射频线圈骨架7上的4个矩形轴10插接，通过聚四氟乙烯销子固定相连形成镜像对称的8字形骨架。从图2中可以看出，圆弧绕向线圈骨架6和水平绕向线圈骨架5的截面为矩形且尺寸基本相等。而射频线圈骨架7的截面也为矩形，为两倍圆弧绕向线圈骨架6的截面大小，同时射频线圈骨架7的长度同水平绕向线圈骨架5相等。

水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2、射频翻转线圈3分别紧密绕制在水平绕向线圈骨架5、圆弧绕向线圈骨架6、射频线圈骨架7上，并且水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2、射频翻转线圈3首尾串联，线圈绕线最后经绕线引出口9引出后与射频接口4相连；以图2为例，具体为：从右侧C字形骨架上依次绕圆弧绕向线圈2、水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2，将圆弧绕向线圈2的接头通过射频线圈骨架7上的穿线孔72与阳极氧化铝带焊接串联，接着用铝带绕制射频翻转线圈3，再接着在另一穿线孔72处与阳极氧化纯铜圆线焊接，纯铜圆线继续在左侧C字形骨架上依次绕圆弧绕向线圈2、水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2，最好纯铜圆线从其他未穿线的穿线孔72经绕线引出口。绕线的两个接头与射频接口4相连。

水平绕向线圈骨架5、圆弧绕向线圈骨架6、射频线圈骨架7为耐热聚四氟乙烯材料。水平绕向线圈骨架5上加工有等间距排布的等宽度第一布线槽51用于绕制水平绕向线圈1，圆弧绕向线圈骨架6上加工有等弧度间距的第二布线槽61用于绕制圆弧绕向线圈2，在射频线圈骨架7顶部和底部均开设一字槽71用于排布阳极氧化铝带绕制射频翻转线圈3。骨架上的线槽均是通过机床进行精密加工而得，确保尺寸精度，优化磁场分布。

同样容易知道，水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2的截面形状相同皆为矩形截面，所述射频翻转线圈3也为矩形截面，且为其他两个线圈截面形状的两倍大小；所述水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2采用阳极氧化纯铜圆线进行绕制，所述射频翻转线圈3采用阳极氧化铝带进行绕制，以保证整个装置对中子的高透过率。所述射频线圈骨架7上开设有用于中子束斑通过的中子束斑通过窗口73，窗口大小不得小于中子束斑大小，最大程度提高中子的透过率。

所述装置圆弧绕向线圈2紧贴射频翻转线圈3，用以约束射频线圈工作时杂乱的逸散场，避免在路径上引入不必要的磁场路径积分，导致中子退极化。

所述圆弧绕向线圈2通过射频线圈骨架7上的穿线孔72与射频翻转线圈3通过焊接的方式进行串联。

所述射频接口4包括接地外壳41、正极接头42、固定螺纹43，所述正极接头41与线圈绕线一端焊接连接，接地外壳42与线圈另一端焊接连接，通过固定螺纹43与外部射频源进行连接，实现射频信号的馈入。

水平绕向线圈1、圆弧绕向线圈2、射频翻转线圈3与水平绕向线圈骨架5、圆弧绕向线圈骨架6、射频线圈骨架7的接触面之间采用密封胶进行绝缘。

本实施例中，水平绕向线圈骨架尺寸80mm×16mm×31mm。水平绕向线圈紧贴水平绕向骨架绕制，绕线尺寸80mm×16mm×31mm，圆形绕向线圈骨架内圈半径10mm，外径33mm，线圈厚度16mm。水平绕向线圈与圆形绕向线圈都采用直径1mm的纯铜线绕制而成。水平绕向线圈绕线匝数30匝，电流大小1A，圆形绕向线圈匝数15匝，电流大小1A。射频翻转线圈采用阳极氧化绝缘的铝带绕制而成，铝带截面大小3mm×0.2mm，绕线尺寸80mm×16mm×64mm，绕线匝数25匝，电流大小2A。装置生成的中心处磁场强度为7.36Gs，在中心区域20mm×20mm的范围内，磁场均匀度达到2.1％。线圈在所通电流频率达2MHz，大小5A的情况下仍能正常工作。

另外，本发明用于中子自旋回波散射谱仪使用，在外部磁场强度100GS下，馈入幅值720mV，频率为219KHZ的正弦信号时，对7.5埃中子的极化翻转效率实测为98％，中子极化率损失1％。在此状态下，改变馈入射频信号幅值10g0mV，频率219KHZ，实测该装置对5埃中字极化翻转效率99％，极化率基本无损失。证明该装置可以通过改变馈入的幅值实现对任意波长中子的有效翻转。配合自旋回波准弹中子散射谱仪使用可以用做180°中子自旋翻转器，从而可以实现用于对材料动力学特性实现高能量分辨率，短动力学时间的探测，从而对相关的材料研究起到指导性的作用，在生命科学，材料科学中具有重大的应用场景。且可以用于任何需要中子自旋进行翻转的相关极化中子谱仪中，具有重要的应用前景。