阅读说明：本技术 一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置 (Precession magnetic field generating device for spin echo small-angle neutron scattering spectrometer ) 是由 屠小青 王燕 孙光爱 黄朝强 庞蓓蓓 吴瞻宇 王云 王宗悦 曹晓峰 潘建 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置,该装置包括电磁铁线圈、电磁铁磁极、电磁铁磁轭及线圈出线盒。所述装置采用大型直流电磁铁和极板台阶结构,生成了高均匀性的方形磁场；极板边缘设计了与极板一体化加工制成的台阶,此设计在减小极板整体尺寸的同时提高了整个装置中心处磁场的均匀性。本发明配合自旋回拨小角中子散射谱仪使用,用于提供极化中子进动所需磁场,可用于测量材料内部纳米至微米尺度位错、孔洞、析出相等微结构,也可用于强中子吸收材料的测量,弥补中子散射技术在此方面的不足。(The invention provides a precession magnetic field generating device for a spin echo small-angle neutron scattering spectrometer. The device adopts a large-scale direct current electromagnet and a polar plate step structure to generate a square magnetic field with high uniformity; the step integrally processed with the polar plate is designed at the edge of the polar plate, and the design improves the uniformity of a magnetic field at the center of the whole device while reducing the overall size of the polar plate. The invention is used by matching with a spin-reverse small-angle neutron scattering spectrometer, is used for providing a magnetic field required by polarized neutron precession, can be used for measuring microstructures such as dislocation, holes and precipitation in nano-to-micron-scale inside materials, can also be used for measuring strong neutron absorbing materials, and makes up the defects of the neutron scattering technology in the aspect.)

一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置

技术领域

本发明属于小角中子散射技术领域，具体涉及一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置。

背景技术

用于给自旋回波小角中子散射装置提供极化中子进动所需的高均匀度进动磁场，可用于测量高分子材料、胶体、复杂流体、合金、纳米复合材料、有机薄膜等材料内部纳米至微米尺度的如空隙、位错、裂纹、结晶等微结构信息，对材料选择、加工工艺、损伤老化等方面的研究起到指导性作用。自旋回波小角中子散射谱仪利用两组进动磁场，将散射角信息转化为极化中子在磁场中的进动信息，因此用于生成进动磁场的装置是整台谱仪的核心部件。该进动磁场生成装置的性能直接关系到整台谱仪的探测性能，具体反应在以下两个方面：①进动磁场的大小决定谱仪的测量尺度；②进动磁场的均匀度决定谱仪的探测精度。当前，现有的自旋回波小角中子散射谱仪进动磁场生成装置为了保证中心处磁场均匀度达到使用要求，通常需要极板在中子束流方向长度大于300mm，这样导致整个进动磁场生成装置的体积较大，不便于安装放置，且逸散场过大，影响中子极化率；若极板长度过小，则极板中心处磁场均匀度较差，进而使中子极化率降低，影响谱仪整体性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的高均匀度进动磁场生成装置，可实现为极化中子提供进动所需的高均匀度磁场。

本发明具体采用如下方案：

一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置，其特征在于，所述进动磁场生成装置包括电磁铁线圈、电磁铁磁极、电磁铁磁轭、线圈出线盒；其连接关系是：所述的电磁铁线圈紧密包覆于电磁铁磁极中段，所述的电磁铁磁极后端端面固定于电磁铁磁轭上，所述的出线盒固定在电磁铁磁轭外侧。其中电磁铁磁极包括铁芯、极板、极板台阶；其连接关系是：所述极板台阶一体成型于极板一端面四周，极板另一端面与铁芯一体成型。极板边缘超出铁芯从而起到固定电磁铁线圈的作用。

进一步，所述的电磁铁磁极与电磁铁磁轭的接触面使用高精度磨床打磨光滑后相贴，再使用螺栓固定。

进一步，所述的电磁铁线圈包括线圈、冷却水套、冷却水管道、水套盖板；其连接关系是：所述的线圈包裹在铁芯外侧，冷却水套包覆于线圈外侧，冷却水管道位于冷却水套内部，冷却水管道两端固定水套盖板，在冷却水套内部构成循环水回路。

进一步，所述的电磁铁磁轭包括端板、轭板、出线孔道；其连接关系是：所述的端板和轭板各两个通过螺丝固定连接构成整个方形电磁铁磁轭，出线孔道位于端板中段内部线圈接线盒位置处，用于线圈出线。

进一步，所述的线圈出线盒包括出线盒盖、出线盒体、绝缘板、电缆固定头、接线柱，其中，出线盒盖与出线盒体构成线圈出线盒外壳，电缆固定头固定在出线盒体上，绝缘板固定在出线盒体与接线柱之间，线圈的引出线从电缆固定头引出。

进一步，所述的端板、轭板、铁芯、极板、极板台阶材料均为高磁导率金属材料，外表面涂覆防锈底漆。

进一步，所述的线圈采用高导电率、高导热率铜线或铜带。

进一步，所述的线圈外侧紧密涂覆一层灌封胶，如，可填充704硅胶。

进一步，所述的冷却水套、水套盖板采用高导热率铜板，表面采用阳极氧化处理。

进一步，所述的接线柱采用高电导率铜。

本发明的有益效果在于：本发明是一种用于自旋回波中子小角散射谱仪的高均匀度磁场生成装置，具有结构简单、性能可靠、体积较小的特点。装置采用电磁线圈加极板的方式，生成所需的方形磁场，在极板四周添加极板台阶，在不增加极板尺寸的情况下有效的提升了电磁铁中心处磁场均匀度。本发明适用于自旋回波小角中子散射谱仪，能够满足高如分子材料、胶体、复杂流体、合金、纳米复合材料、有机薄膜等材料内部纳米至微米尺度的如空隙、位错、裂纹、结晶等微结构信息的测量需求，对材料选择、加工工艺、损伤老化等方面的研究起到指导性作用。

附图说明

图1为本发明的用于自旋回波小角中子散射谱仪的高均匀性进动磁场生成装置的结构示意图；

图2为本发明的用于自旋回波小角中子散射谱仪的高均匀性进动磁场生成装置的剖视图；

图3为本发明的用于自旋回波小角中子散射谱仪的高均匀性进动磁场生成装置的右视图；

图4为本发明的用于自旋回波小角中子散射谱仪的高均匀性进动磁场生成装置的线圈出线盒的结构示意图；

图中，1.电磁铁线圈 2.电磁铁磁极 3.电磁铁磁轭 4.线圈接线盒 5.铁芯 6.极板 7.极板台阶 8.线圈 9.冷却水套 10.冷却水管道 11.水套盖板 12.端板 13.轭板 14.出线孔道 15.盒盖 16.盒体 17.绝缘板 18.电缆固定头 19.接线柱。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

图1为本发明的用于自旋回波小角中子散射技术的进动磁场生成装置的结构示意图，图2和图3为本实例的侧视图和右视图，图4为本实例的出线盒结构示意图。

一种用于自旋回波小角中子散射谱仪的进动磁场生成装置，所述磁场生成装置包括电磁铁线圈1、电磁铁磁极2、电磁铁磁轭3、线圈出线盒4；其连接关系是：所述的电磁铁线圈1紧密包覆于电磁铁磁极2中段，所述的电磁铁磁极2与电磁铁磁轭3的接触面使用高精度磨床打磨光滑后相贴，再使用螺栓固定，所述的出线盒4固定在电磁铁磁轭3外侧。

其中电磁铁磁极2包括铁芯5、极板6、极板台阶7；其连接关系是：所述极板台阶7一体成型于极板6一端面四周，极板6另一端面与铁芯5一体成型。极板6边缘超出铁芯5从而起到固定电磁铁线圈1的作用。

本发明用于自旋回波小角中子散射技术的高均匀度进动磁场生成装置，用于生成极化中子进动所需的高均匀度磁场，并通过磁场编码中子进动，从而解析出材料样品的内部微结构信息。所述装置中的铁芯、极板与极板台阶采用高磁导率金属材料一体加工成型，避免因使用连接器件导致的磁场不均匀。极板四周加高的台阶结构能够有效提高装置中心区域的磁场均匀度，同时减小极板尺寸，减小逸散磁场。装置中的磁轭材料同样选取高磁导率金属材料装置中的线圈采用强制水冷，保证在长时间、大电流、高功率情况下能够控制线圈温升，从而保证磁场稳定性。本发明配合中子极化方向翻转装置，可用于表征高分子聚合物、流体、溶胶、合金、生物大分子等材料内部的如空洞、缺陷、磁结构等纳米至微米尺度的亚微观结构信息，对材料特性的基础研究等方面起到指导性作用。

进一步，所述的电磁铁磁极2与电磁铁磁轭3的接触面使用高精度磨床打磨光滑后相贴，再使用螺栓固定。

进一步，所述的电磁铁线圈1包括线圈8、冷却水套9、冷却水管道10、水套盖板11；其中，所述的线圈8包裹在铁芯5外侧，冷却水套9包覆于线圈8外侧，冷却水管道10位于冷却水套9内部，冷却水管道10两端固定水套盖板11，在冷却水套9内部构成循环水回路。

进一步，所述的电磁铁磁轭3包括端板12、轭板13、出线孔道14；其中，所述的端板12和轭板13各两个通过螺丝固定连接构成整个方形电磁铁磁轭3，出线孔道14位于端板12中段内部线圈接线盒4位置处，用于线圈8出线。

进一步，所述的线圈出线盒4包括出线盒盖15、出线盒体16、绝缘板17、电缆固定头18、接线柱19，其中，出线盒盖15与出线盒体16构成线圈出线盒4外壳，电缆固定头18固定在出线盒体16上，绝缘板17固定在出线盒体16与接线柱19之间，线圈8的引出线从电缆固定头19引出。

进一步，所述端板12、轭板13、铁芯5、极板6、极板台阶7材料均为高磁导率金属材料，外表面涂覆防锈底漆。

进一步，所述线圈8采用高导电率、高导热率铜线或铜带。

进一步，所述线圈8外侧紧密涂覆一层灌封胶，如，可填充704硅胶。

进一步，所述冷却水套9、水套盖板11采用高导热率铜板，表面采用阳极氧化处理。

进一步，接线柱17采用高电导率铜。

本发明的进动磁场生成装置采用大型直流电磁铁和极板台阶结构，生成了高均匀性的方形磁场；极板边缘设计了与极板一体化加工制成的台阶，此设计在减小极板整体尺寸的同时提高了整个装置中心处磁场的均匀性。本发明配合自旋回拨小角中子散射谱仪使用，用于提供极化中子进动所需磁场，可用于测量材料内部纳米至微米尺度位错、孔洞、析出相等微结构，也可用于强中子吸收材料的测量，弥补中子散射技术在此方面的不足。

实施例1

本实施例中，所述的铁芯5、极板6与极板台阶7采用整块高磁导率DT4不锈钢一体加工成型。所述的铁芯5与端板12的接触面使用高精度磨床打磨光滑后相贴，再使用螺栓固定。所述的线圈8与铁芯5中添加绝缘层，使二者充分隔绝，绝缘接缝处填充704硅胶补充绝缘。所述的线圈8与极板6之间添加绝缘层，使用5层合成云母片叠加制成。所述的线圈8与冷却水套10之间使用BT116P灌封胶填充。所述的冷却水套10端面的冷却水管道11开口处加盖水套盖板12，水套盖板12与冷却水套10使用焊接连接，再在冷却水套10端面涂抹704硅胶进行密封。所述的线圈出线盒4共两个，分别固定在左右两个端板12上，端板12与线圈出线盒4的接触面、出线盒盖15与出线盒盖16的接触面涂抹704硅胶密封处理。

本实施例1中，端板共两个，选用高磁导率不锈钢材料，外形尺寸为240mm(长)×50mm(宽)×460mm(高)；轭板共两个，选用高磁导率不锈钢材料，外形尺寸为240mm(长)×630mm(宽)×50mm(高)；铁芯共两个为长方体，外形尺寸为230mm(长)×220mm(宽)×230mm(高)；极板共两个，外形尺寸为260mm(长)×30mm(宽)×260mm(高)；极板台阶外圈外形尺寸为260mm(长)×2.9mm(宽)×260mm(高)，内圈尺寸为220mm(长)×2.9mm(宽)×200mm(高)；单个铁芯外层线圈绕制尺寸为230mm(长)×220mm(宽)×230mm(高)，绕制厚度50mm。两极板间距80mm。线圈采用截面面积为1mm²的铜导线绕制，每个线圈绕制匝数为2200匝。经过上述实施后，本发明可在该高均匀度磁场生成装置两极板间中心区域120mm(长)×20mm(宽)×60mm(高)的范围内生成＞2600Gs的磁场，同时磁场均匀度优于1.4Gs，积分均匀度为1.37×10^-6T·m，波长为0.4nm的极化中子在本装置生成的均匀磁场区域内进动58105圈，进动角度差值最大为14.56°。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是轭板外形尺寸为240mm(长)×580mm(宽)×50mm(高)；铁芯为圆柱形，外形尺寸为115mm(半径)×220mm(高)。经过上述实施后，本发明可在该高均匀度磁场生成装置两极板间中心区域120mm(长)×20mm(宽)×60mm(高)的范围内生成＞2550Gs的磁场，同时磁场均匀度优于0.9Gs，积分均匀度为2.91×10^-6T·m，极化中子在本装置生成的均匀磁场区域内进动56758圈，进动角度差值最大为30.8°。