上海交通大学钟圣怡教授团队依托中国绵阳研究堆自主研发冷中子工程应力谱仪“河图”与超长多模式小角散射谱仪“洛书”，用于推动前沿科学研究和解决工程技术难题。其中“洛书”谱仪的设计可为材料、物理、化学、生物等领域中纳米结构的表征提供宽探测范围、可调分辨率与充足中子通量。近期在“洛书”建设方面取得新进展，通过蒙特卡洛模拟，对“洛书”谱仪各部分参数进行优化及验证，获得谱仪样品台处最优中子束流注量率和发散度。相关工作以《Monte Carlo simulations of LUOSHU: a new 46-meter small-angle neutron scattering instrument in China》为题，发表于期刊《Journal of Instrumentation》上。
该研究论文以上海交通大学巴黎卓越工程师学院、材料科学与工程学院钟圣怡教授为通讯作者，博士研究生汤逸飞为第一作者。此研究获得了国家重点研发计划（2021YFA1600900）的支持。
文章在“洛书”谱仪整体物理设计的基础上，为了得到更加优异的谱仪性能，开展了蒙特卡洛模拟，进一步优化了中子源至样品台各部件参数，性能指标预计可达到国内外同类研究装置先进水平，可满足各类实验需求。目前“洛书”已启动建设，预计2024年完工投入使用。
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高分辨/高通量可切换速度选择器
精准高效测试
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波长分辨率决定了谱仪对研究对象的分辨能力，“洛书”谱仪将设置两台不同波长分辨率的速度选择器，实现在3.5-17 Å波长范围内的使用。速度选择器的波长分辨率不仅由其初始分辨率决定，在本身结构不改变的情况下，可改变速度选择器转子轴线与中子束流间夹角，以改变转子有效螺旋角，从而改善波长分辨率。因此所配置的两台可切换速度选择器可使“洛书”谱仪提供9-25%灵活可调的波长分辨率（高分辨：9-16%；高通量：17-25%），实现对不同粒径分布的材料体系进行测量。
可切换速度选择器不同倾角下波长分辨率
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超长准直，精确回位
提升传输效率
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在实际中子小角实验过程中，针对不同粒径分布的材料体系，常常需要调整探测距离以提供更加精确的探测区间，因此相对应的准直系统中的中子导管也需要切入或切出，使准直距离与探测距离尽量相等，以达到最佳的Q值分辨率。而实际切换过程中，由于机械控制设置或其他因素可能导致导管回位产生一定误差，最终影响准直部分的中子传输效率。实际上，水平方向的误差更易出现，包括调整尺寸误差与调整角度误差。通过模拟不同调整尺寸误差与调整角度误差下准直系统的中子传输效率，可以得到在调整尺寸误差需不超出0.1 mm，确保中子传输损耗率限制在8.5%内；调整角度误差需小于0.01°，以确保中子传输损耗率不超过10%。在实际操作中可以依照该标准尽可能控制误差范围。
不同调整尺寸误差与调整角度误差下准直系统中子传输效率
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中子注量率与发散度
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作为衡量小角谱仪性能的重要指标之一，样品处中子注量率决定了照射到样品上的中子数量，对应着实验中散射信号的强度。中子注量率与准直系统中导管数量密切相关，导管数量越多，准直距离越短，对应中子注量率越高，但束流发散度越差。因此需要根据研究体系选择不同准直距离，以获得足够的中子计数。
为了更好衡量“洛书”小角谱仪的性能，与绵阳堆另一台运行中的小角谱仪“狻猊”样品台处的中子注量率与发散度进行了对比。“洛书”谱仪在5.3 Å波长下，采用最短准直距离1.5 m的高Q设置下，样品位置处的中子注量率为1.01×107 N•s-1•cm-2，此时束流发散度为0.63。该高通量设置适用于1 nm附近尺寸的颗粒测量，原位实验及弱散射信号样品测试。当准直距离增大时，中子注量率与束流发散度均随之减小。在应用最长准直距离19.5 m下，其中子注量率最低为1.94×105 N•s-1•cm-2，对应有最低角发散度为0.08，与法国劳厄-朗之万研究所（ILL）等国际中子机构同类中子小角谱仪中子注量率相当，因此对于含有较大至次微米尺寸颗粒的材料体系，“洛书”谱仪也可以提供充足的中子通量。
“洛书”与“狻猊”不同准直距离下中子注量率与发散度
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团队近期小角散射相关研究
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中子科学实验室｜SJTU-neutron
撰稿：汤逸飞
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