基于表层析镍纤维玻璃管阵列的冷中子聚焦光学关键技术研究

Neutron depth profiling and neutron activation analysis are widely used in physics, chemistry, materials, archaeology and other fields. At present, the neutron flux of reactor or spallation neutron source cannot meet the actual needs of the fast, high-accuracy and low-detection-limit measurements. It is of great significances to research and develop neutron focusing technology. Nickel alloy film was formed on the inner wall of Ni-Si-B-Al-K glass tube array by hydrogen reduction method to improve the neutron transmission efficiency of the glass capillary array focusing lens. The specific research contents include: (1) Research of the effect of nickel oxide content on the static mechanical properties of Ni-Si-B-Al-K glass system, and to optimize the glass compositions; (2) Explore the optimum conditions of hydrogen reduction reaction, and obtain the thickness and surface roughness of nickel alloy film; (3) Develop a simulation model to analyze the neutron transmission in the nickel-precipitated glass tube array according to the ray tracing theory and lay a foundation for the application the nickel-precipitated glass capillary array focusing lens.

中子深度分析、中子活化分析等无损检测技术广泛用于物理、化学、材料、考古等领域。当前反应堆与散裂中子源的中子通量密度往往不能满足快速、高精度、低探测下限的实际需求，开展高性能中子聚焦技术以提高中子通量密度尤为重要。本项目基于毛细管光学原理，利用高温氢还原法在镍-硅-硼-铝-钾玻璃纤维管阵列的内壁形成镍合金膜，提高纤维玻璃管阵列的中子传输效率，进而提高其中子聚焦能力。具体研究内容包括：（1）研究氧化镍的掺入量对于镍-硅-硼-铝-钾玻璃系统静态力学的影响，得出最优玻璃系统组分。（2）探索镍-硅-硼-铝-钾玻璃系统的最佳氢还原条件及形成镍合金膜厚度及表面粗糙度等信息。（3）根据光线追迹原理，建立冷中子在表层析镍玻璃管阵列中传输的计算模型，为表层析镍纤维玻璃管中子聚焦技术的应用奠定理论基础。

毛细管中子聚焦技术利用中子在毛细管内部的多次全反射达到聚焦目的，能够有效提升小范围样品处的中子通量，减小测量时间，并在中子活化分析、中子深度分析等分析技术领域有广阔地应用前景。受限于毛细管聚焦光学元件自身材料特性，束流接收角低于中子束流发散角，接受效率不高，且由毛细管内部狭长的结构限制，无法通过溅射等方法进行镀膜，束流收集效率仍需提升。本项目通过组分设计和样品熔制，成功研制出了用于毛细管聚焦光学元件的新型镍硅酸盐玻璃，该玻璃氧化镍的最大可掺入范围为19%，且其具有较好的热稳定性，其ΔT（玻璃化转变温度Tx与析晶起始温度Tg的差值）为160~270°C；中子反射临界角为11.1~11.4mrad/nm；线膨胀系数为83.6~92.4×10E（-7）/℃，且不含硼等高中子吸收材料。验证了高温氢还原反应在镍硅酸盐玻璃表面生成镍合金膜可行性。明确了还原温度、时间、氢气浓度对镍合金膜的生成规律，镍合金膜主要成分为镍单质和二氧化硅，其中子反射临界角为12.48mrad/nm，相比于铅硅、硼硅玻璃其中子反射性有明显提升，且氢还原过程对玻璃表面粗糙度影响不大。基于光线追迹原理，建立了中子在镍硅酸盐玻璃管阵列中传输模型，为了后续高性能中子聚焦光学元件的设计奠定基础。本项目开发的硅酸镍玻璃和镍合金薄膜的生成方法，可以有效地中子毛细管聚焦光学元件的效率，为高性能中子聚焦光学元件研制和应用提供新的选择。