面向中子散射装置应用非周期多层膜中子聚焦镜设计、制备与检测方法研究

Neutron is the perfect probe to analyze the microstructure and dynamic information of various materials. The requirement for improving the experiment accuracy and volume resolution drives the development of neutron focusing technology to focusing the neutron beam size from the millimeter to micrometer. The aperiodic multilayer focusing mirror is the key component to realize high fluence and small size neutron beam focusing for neutron scattering facility. In the project, the aperiodic multilayer focusing mirror working in the 0.15nm~2nm neutron wavelength range will be developed to achieve broad critical total reflective angle (m≥3) and keep high reflectance Rc by magnetron sputtering aperiodic multilayer method. The design, fabrication and measurement of this aperiodic multilayer focusing mirror will be investigated, which will provide the technology support for neutron scattering facility and its applications.

中子是探究材料的理想探针，利用中子散射技术获得材料的微观结构和动力学信息具有重要的理论与实践意义。随着材料科学的发展，针对材料原位中子散射测量的实验精度、体积分辨等要求越来越高，急需发展中子聚焦技术实现从毫米级束斑到微米量级束斑的中子束聚焦。非周期多层膜中子聚焦镜是聚焦系统中的关键元件，是实现高通量、小尺寸的中子微束聚焦的核心部件。本项目拟采用磁控溅射非周期镀膜方法，实现0.15nm~2nm中子波长范围m≥3条件下维持较高临界全反射率Rc的中子聚焦镜。研究非周期多层膜中子聚焦镜设计、制备与检测方法，为我国中子散射装置及其应用研究提供技术支撑和元件储备。

随着材料科学的发展，针对材料原位中子散射测量的实验精度、体积分辨等要求越来越高，急需发展中子聚焦技术实现从毫米级束斑到微米量级束斑的中子束聚焦。非周期多层膜中子聚焦镜是聚焦系统中的关键元件，是实现高通量、小尺寸的中子微束聚焦的核心部件。本项目研究m=3的非周期多层膜中子聚焦镜的设计、制备与检测方法，完成了中子超镜多层膜的程序编写，并基于实际粗糙度进行多层膜性能模拟，实现m=3的多层膜的优化设计。建立了磁控溅射薄膜沉积与界面扩散理论模型模型，采用分子动力学的方法探索了Ni/Ti多层膜的界面形成机制，结果表明，界面扩散机制主要源于Ni和Ti金属材料的晶格差异，并且存在溅射能量阈值，原子半径差异导致了Ni/Ti多层膜界面呈现不对称性。研究了基于C共溅射的方法，实现了“面型补偿”，进一步优化了界面，采用C共溅射解决了多层膜应力和界面问题。最后，用磁控溅射镀膜研制成功了m=3，Rc~77.5%的非周期中子多层膜聚焦镜，并离线测试获得初步聚焦结果。本项目为我国中子散射装置及其应用研究提供技术支撑和元件储备。