基于Mezei算法的FeCoSi中子多層膜極化鏡優(yōu)化設(shè)計

王俊杰++張眾++王占山

摘要：

多層膜極化鏡是構(gòu)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(shè)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(xué)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(shè)計方法，并針對Mezei設(shè)計方法的缺陷，分別通過引入新的膜層結(jié)構(gòu)（亞帽層法）和新的設(shè)計參數(shù)（乘系數(shù)法），對原設(shè)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(shè)計。計算結(jié)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(guān)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(biāo)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(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一。極化中子是開展研究磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)的優(yōu)良探針，極化中子散射和衍射技術(shù)在磁性材料和超導(dǎo)材料精細結(jié)構(gòu)研究方面具有獨特的優(yōu)勢，從而得到了廣泛應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致超鏡膜層破壞。基于FeSi多層膜的透射式中子極化鏡對冷中子的吸收非常小，應(yīng)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(yīng)用。

Mezei最早提出了中子超鏡。繼Mezei之后，幾種中子超鏡的設(shè)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(jié)構(gòu)實際不連續(xù)性的優(yōu)化設(shè)計方法，RSD算法基于薄膜實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。在這幾個設(shè)計方法中，以Mezei的方法最為簡單而有效，應(yīng)用最為廣泛。本文針對Mezei算法設(shè)計出的膜層結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)和設(shè)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(shè)計曲線。

4結(jié)論

本文基于Mezei算法設(shè)計出的膜層結(jié)構(gòu)（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(jié)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）