(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211030012.X (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市虹口区四平路1239号 (72)发明人 张众　伊圣振　王占山　齐润泽　 (74)专利代理 机构 上海邦德专利代理事务所 (普通合伙) 31312 专利代理师 梁剑 (51)Int.Cl. G01N 23/20008(2018.01) G01N 23/207(2006.01) G02B 27/00(2006.01) G02B 5/08(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种具有高通 量的小焦斑中子聚焦系统 (57)摘要 本发明公开了一种具有高通量的小焦斑中 子聚焦系统， 包括： 将八个Montel型中子超镜进 行环形布置， 共焦点精密对准， 使不同的物有共 同的像； 与中子超镜间隔设置的非球面反射镜基 板； 还包括以下步骤： S1、 利用Zmax光学系统设计 软件， 构建拓展发散光源和聚焦系统的光学模 型； S2、 用光学追迹软件模拟计算光学系统的聚 焦性能； S3、 将光学元件的面形误差、 反射率因素 引入系统光学模型； S4、 通过光学追迹， 研究系统 像差来源， 结合实际应用需求， 优化系统结构和 器件尺寸， 确定器件加工要 求。 根据本发 明， 具有 高通量、 小焦斑等优点， 填补了中子聚焦在小尺 寸高强度方面的空缺， 实现了宽谱的适用于散裂 中子源的聚焦。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 115389537 A 2022.11.25 CN 115389537 A 1.一种具有高通 量的小焦斑中子聚焦系统， 其特 征在于， 包括： 将多个Mo ntel型中子超镜进行环形布置， 共焦点精密对准， 使不同的物有共同的像； 与中子超镜间隔设置的非球面反射镜基板； 还包括以下步骤： S1、 利用Zmax光学系统设计软件， 构建拓展发散光源和聚焦系统的光学模型； S2、 用光学追迹软件 模拟计算 光学系统的聚焦性能； S3、 将光学 元件的面形误差、 反射 率因素引入系统光学模型； S4、 通过光学追迹， 研究系统像差来源， 结合实际应用需求， 优化系统结构和器件尺寸， 确定器件加工要求。 2.如权利要求1所述的一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系统， 其特征在于， 所述非球 面反射镜基板制作方法包括： 1)采用精密机 械加工的方法获取凹凸 匹配的两个金属椭圆柱面镜毛坯件； 2)利用超精密金刚石车床对金属椭圆柱面镜的反射面进行精密车削， 获得高面型精度 的凹凸匹配的金属模具； 3)利用具有超光滑表面的超薄浮法玻璃， 厚度≤0.3mm,， 经过凹凸两个模具的夹持， 使 其可以复制凸面金属模具的面形； 4)同时对镜 子的侧面和反射 面进行精密抛光； 5)采用环氧树脂粘结的方法， 将超薄玻璃与凹面金属模具粘结。 3.如权利要求2所述的一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系统， 其特征在于， 所述步骤 5)中采用条 形涂胶， 在玻璃和金属模具中间留出尺寸经 过优化的孔道。 4.如权利要求3所述的一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系统， 其特征在于， 所述中子 超镜的制作方法包括： 引入数值优化方法， 采用反射率和膜层数相结合的评价函数， 寻找最优设计参数， 同时 获得最优的反射特性和最少的膜层数； 用X射线小角反射、 X射线衍射、 透射电子显微镜物 理测量手段， 表征薄膜微结构的产生 与演变规 律， 调控多层膜微结构； 在磁控溅射过程中， 引入氮气反应气体。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115389537 A 2一种具有高通量的小 焦斑中子聚焦系统 技术领域 [0001]本发明涉及 光学系统的技术领域， 特别涉及一种具有高通量的小焦斑中子聚焦系 统。 背景技术 [0002]中子聚焦光学系统主 要分衍射式、 透射式、 反射式三种。 [0003]衍射式聚焦光学系统对中子输出光束的利用率高， 但是系统存在严重 的色差， 难 以应用在基于时间飞行法的散裂中子源束线， 主要表现形式为波带片等光学元件。 国内关 于此种方式的发明有 ——专利1:一种具有长焦深的冷中子聚焦波 带片及其制备方法(申请 号： CN201911044886.9)通过设计波带片波带面积的特殊变化实现中子 聚焦且具有长焦深 的特点， 但是适用范围局限于波长在2.6埃～26.1埃的冷中子。 专利2:一种单色中子聚焦 装 置(申请号： CN201811272458.7)根据布拉格定律将反应堆的白光中子经过锗镶嵌晶体反 射， 使特定波长的单能中子偏转出来， 满足中子衍射的需要。 设计了一种单色中子聚焦装 置， 对大尺寸的白光中子束进行单色化， 聚焦到样品位置， 形成汇 聚的单色中子束， 提高中 子强度和利用率。 但是聚焦技术上的缺点导致中子强度低， 而且中子束斑面积增大， 对谱仪 信噪比也有很大影响， 另外这种方式 需要人工手动操作较多， 对调试 人员存在较大辐射。 [0004]透射式中子聚焦系统主要指磁透镜， 可以通过调节磁场来控制不 同速度的中子， 从而减少色差。 然而这种透镜只适用于 极化的中子， 将损失一半的中子通量， 并且磁透镜中 复杂的磁体需要经常维修和保养， 这些都不利于磁透镜的使用。 国内关于此种 方式的发明 有——专利3:一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法(申请号： 202010352004.1)设计出一种用于中子小角散射谱仪聚焦的菲涅尔透镜组的制备方法， 可 以与反应堆和散裂中子源的中子小角散射谱仪联用， 在中子小角散射谱仪最小Q布局下增 强样品位置中子通 量， 但是制作困难也限制其进一 步发展。 [0005]反射式中子聚焦系统， 从理论上不存在色差， 适用于散裂中子源和反应堆中子源， 是中子聚焦光学系统的主要模式， 在国际先进中子源的束线上得到了广泛应用。 反射式中 子聚焦光学系统， 从原理上主要分为两类： 基于单次反射的聚焦系统和基于两次反射的聚 焦系统。 国内关于此种方式的发明有 ——专利4:一种中子传输多通道聚焦导管装置及中子 衍射谱仪(申请号： CN201911017445.X)公开了一种中子传输多通道聚焦导管装置， 通过在 导管水平方向上 的第二镀层对中子的吸收限制中子发散角， 进而提高中子束流分辨率， 但 是中子的通 量也降低了 。 [0006]目前的对于中子衍射实验， 需要样品的焦斑小于1mm， 从而具备微区分析的能力， 能够测试非常小的样品， 降低环 境的影响； 同时要求中子的注量率 非常高， 单一KB系统虽然 分辨率高， 但是无法满足高注 量率的要求。 由于 分辨率范围在0.1 ‑1mm的中子聚焦系统是一 处空白， 所以为了提高小尺寸中子散射实验的效率和精度， 所用聚焦系统必须具有合适的 两维空间分辨率(0.5mm左右)和尽可能大的集光面积。 申请人通过深入研究大集光面积中 子聚焦系统设计与模拟方法， 大尺寸非球面反射镜基板制作技术， 大m值、 高反射率中子超说　明　书 1/4 页 3 CN 115389537 A 3