王俊杰++張眾++王占山

摘要：

多層膜極化鏡是構成中子極化裝置的核心元件，為了實現(xiàn)中子多層膜極化鏡的研制，開展了中子多層膜極化鏡的設計方法研究。首先闡述了中子多層膜極化鏡的原理，基于不同材料的光學特性，提出了中子多層膜極化鏡的材料選擇方法；其次，介紹了Mezei設計方法，并針對Mezei設計方法的缺陷，分別通過引入新的膜層結構（亞帽層法）和新的設計參數(shù)（乘系數(shù)法），對原設計方法進行了改進，實現(xiàn)了上旋中子反射率和極化率較為理想的m=2的中子極化超鏡的設計。計算結果表明，兩種方法均可以提升上旋中子反射率，但都會增加極化鏡的膜層數(shù)，其中帽層法增加的膜層數(shù)相對較少。

關鍵詞：

中子極化超鏡； 多層膜； 反射率； 極化率

中圖分類號： 42.79.Wc，O 434.1文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.017

引言

中子多層膜元件是中子光學系統(tǒng)中的關鍵元件之一。極化中子是開展研究磁結構和磁激發(fā)的優(yōu)良探針，極化中子散射和衍射技術在磁性材料和超導材料精細結構研究方面具有獨特的優(yōu)勢，從而得到了廣泛應用。

實現(xiàn)中子極化的方法主要有三種：Heusler 合金，3He旋轉(zhuǎn)濾光鏡和中子多層膜極化鏡。Heusler合金昂貴且在市場上難以得到，主要用于極化熱中子束。3He旋轉(zhuǎn)濾光鏡可以達到非常高的極化率，且對入射角沒有要求，但由于其基于吸收原理，極化中子通量受到影響，同時由于3He未來生產(chǎn)的不確定性，難以獲得廣泛應用。雖然目前只適用于極化冷中子束，但是中子多層膜極化鏡因其擁有中子強度損失小，易于制備等優(yōu)點，廣泛應用于極化中子束線。

中子多層膜極化鏡分為兩種：基于Co和Ti組合的反射式極化鏡以及基于Fe和Si組合的透射式極化鏡。前者的特點是超鏡對下旋中子的散射長度密度（scatter length density，SLD）非常接近于0，使超鏡和真空對于下旋中子的折射率幾乎相同，中子從真空入射到超鏡，僅有上旋中子被反射，從而實現(xiàn)對反射中子（上旋）的極化。后者的特點是超鏡和基底（一般為薄Si晶片）對于下旋中子的折射率相同，中子先入射到基底，再入射到超鏡，下旋中子基本不反射，從而實現(xiàn)透射中子束（下旋）的極化。由于基于CoTi的反射式極化鏡需要在基底和超鏡之間鍍制釓（Gd）吸收層，以吸收未被反射的中子，由于Gd材料價格昂貴，并且吸收中子后放熱，可能導致超鏡膜層破壞?；贔eSi多層膜的透射式中子極化鏡對冷中子的吸收非常小，應用過程中不改變中子束傳輸方向，因此在中子極化鏡中得到了廣泛應用。

Mezei最早提出了中子超鏡。繼Mezei之后，幾種中子超鏡的設計方法先后被提出，如HayterMook（H&M）算法以及RSD （realstructure model）算法等，H&M算法是考慮到膜層結構實際不連續(xù)性的優(yōu)化設計方法，RSD算法基于薄膜實際結構和生長規(guī)律，采用幾個不同周期膜系的堆疊來代替原有的非周期結構的設計方法。在這幾個設計方法中，以Mezei的方法最為簡單而有效，應用最為廣泛。本文針對Mezei算法設計出的膜層結構（m=2，m為超鏡反射臨界角與Ni塊材料的全反射臨界角的比值）對其添加帽層并進行改進，分別通過引入新的膜層結構和設計參數(shù)，克服了Mezei方法原有的缺陷，改善了中子超鏡的反射率和極化率設計曲線。

4結論

本文基于Mezei算法設計出的膜層結構（m=2），對其添加帽層（40 nm FeCo+2 nm Si保護層）并進行優(yōu)化，通過亞帽層法和乘系數(shù)法，對其上旋中子反射率和極化率進行優(yōu)化。通過計算和分析發(fā)現(xiàn)，在亞帽層法中，所添加膜層的γ值為0.6時，達到最優(yōu)效果；在乘系數(shù)中，在一定范圍內(nèi)系數(shù)越大，上旋中子的反射率相對越理想。

兩種方法使用相同膜對數(shù)N所能達到的m值的對比見圖7（乘系數(shù)法以系數(shù)1.15為例）。結果表明，為達到相同的m值，乘系數(shù)法需要更多膜對，且隨著m值或者乘數(shù)系數(shù)的增加，所需膜對數(shù)大大增加。因此，亞帽層法為最佳方法。

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（編輯：程愛婕）