專利名稱：中子顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種中子顯微鏡，特別是涉及到中子物理成像的中子顯微鏡。
背景技術(shù)：
自從1932年發(fā)現(xiàn)中子以來(lái)，中子已經(jīng)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。并且已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等許多方面獲得了應(yīng)用，也取得了引人注目的成果。這些都是和中子的基本特性分不開(kāi)的。
1.中子具有一定的靜止質(zhì)量，m0＝1.674920×10-24g，根據(jù)物質(zhì)波動(dòng)理論，由德布羅意公式可以得到中子的波長(zhǎng)λ=81.8E]]>例如一個(gè)熱中子其能量E＝25meV，它的波長(zhǎng)為0.181nm，該值接近于原子大??；又如一個(gè)共振中子E＝1MeV，它的波長(zhǎng)λ＝2.86×10-5nm。通常探測(cè)儀器的分辨率和它的波長(zhǎng)成反比，因此，當(dāng)用中子作為顯微鏡的照明源時(shí)，極限分辨率為波長(zhǎng)的1/2，足以觀察原子核內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)其誘惑力是多么大。
2.中子不帶電荷，因此它射入物質(zhì)時(shí)不僅不與核外電子相互作用，不需要克服核庫(kù)侖力的障礙，因而即使是低能粒子，也能進(jìn)入原子核內(nèi)，引起各種核反應(yīng)。
3.除了氫、鋰、硼等個(gè)別元素外，中子質(zhì)量吸收系數(shù)遠(yuǎn)比X射線小，特別是在重元素里，中子的穿透能力很強(qiáng)，在輕元素里，穿透能力較差，其行為正好與X射線相反。
X射線透射顯微術(shù)的襯度機(jī)制是當(dāng)X射線和物質(zhì)相互作用時(shí)在入射方向上光子數(shù)減少并遵從比爾定律。而中子也具有這種特性。
從上面介紹可以看出，假如中子和顯微技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于超微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，洞察自然界的奧秘，將提供一個(gè)有效的工具。
在先技術(shù)中，1997年，在帕諾斯蓋仁研究所提供了一種中子透射射線照相裝置，此儀器分辨率最高為2微米，但它還不是一臺(tái)中子顯微鏡，不能觀察原子核內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種中子顯微鏡，如圖1所示，它包括兩大部分第一部分是準(zhǔn)直單色中子源系統(tǒng)包括中子源1、準(zhǔn)直器2、單色器3、狹縫4；第二部分是記錄系統(tǒng)，包括波帶片5、待測(cè)樣品6、樣品臺(tái)7、正比計(jì)數(shù)器8、計(jì)算機(jī)9和由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)是包括由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11內(nèi)置有中子源1，在屏蔽室11內(nèi)由中子源1發(fā)射的中子束首先經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的中心軸線OO′與中子束中心束軸OO′重合置放的準(zhǔn)直器2，經(jīng)準(zhǔn)直器2準(zhǔn)直的中子束射到入射面與中子束中心束軸OO′的夾角α＝10°～20°置放的，并中點(diǎn)O′在中子束中心束軸OO′上的單色器3，經(jīng)單色器3出射的中子束的中心束軸O′O″與單色器3入射面的夾角α′＝α，經(jīng)單色器3出射的單色中子束經(jīng)過(guò)狹縫4和波帶片5將中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)7上的待測(cè)樣品6上，待測(cè)樣品6產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)正比計(jì)數(shù)器8變成電流信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。
所說(shuō)的中子源1是裂變反應(yīng)堆中子源，或者是加速器中子源。
其中裂變反應(yīng)堆中子源是把鈾和钚等裂變材料作燃料，而以中子為媒介維持可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置，稱為裂變反應(yīng)堆，這種裝置可獲得高通量的中子輻射，可達(dá)1013～1020中子數(shù)/秒，可以長(zhǎng)期運(yùn)行，并且已研究出多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)中子單色化。
其中加速器中子源采用各類加速器加速帶電粒子去轟擊某些靶核，產(chǎn)生中子。中子的單色性取決于帶電粒子的單色性，因此加速器中子源的最大優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生單能中子。
所說(shuō)的準(zhǔn)直器2通常由一個(gè)具有矩形或圓形截面的鋼管或鋼筒構(gòu)成，從準(zhǔn)直器2中出射中子，其發(fā)散度等于孔徑和長(zhǎng)度的比值，顯然只要縮小孔徑，增加長(zhǎng)度可以大大改善發(fā)散度，這樣做將損失出射中子的通量。
所說(shuō)的單色器3為使中子單色化，通常選用一塊較大的單色晶體，用衍射方式，使不同波長(zhǎng)的中子產(chǎn)生角色散進(jìn)行單色化。其原理和光柵譜儀相類似。本發(fā)明的單色器3是由金屬晶體構(gòu)成的，是由鉛晶體構(gòu)成，或者由銅晶體構(gòu)成，或者由鈹晶體構(gòu)成。被單色器3反射的中子數(shù)N為N=2N1λ(EKT)e-E/KT2dcosθRθ]]>式中N1為每秒鐘入射到單色器3上的所有速度的中子總數(shù)E波長(zhǎng)為λ的中子能量；θ布喇格角；d晶格常數(shù)；Rθ旋轉(zhuǎn)晶體積分反射率。
K玻爾茲曼常數(shù)T絕對(duì)溫度所說(shuō)的狹縫4，在中子工作中，通常選鎘作為狹縫，因?yàn)樵谝阎母鞣N材料中，鎘對(duì)中子的透射系數(shù)最低，趨近于零，所以鎘是最佳候選者。
所說(shuō)的波帶片5是一種衍射透鏡，可以看成是一個(gè)線密度沿徑向遞增的圓形光柵，利用它的效率較高的一級(jí)衍射，幾乎可以對(duì)所有波長(zhǎng)的輻射成像，本發(fā)明中用的是菲涅爾波帶片，它是由一系列環(huán)帶組成，用于將中子聚焦成極細(xì)小的焦斑(焦斑小于5nm)，以便在待測(cè)樣品6上進(jìn)行掃描。本發(fā)明中的聚焦元件波帶片，是用電子束制版制作的，分辨率由最外環(huán)波帶寬度決定，目前的最高分辨率已達(dá)5nm。通常是用鉛或鎘作材料。
樣品臺(tái)7可進(jìn)行上下和左右平動(dòng)，它可用壓電陶瓷控制，待測(cè)樣品6放在樣品臺(tái)7上。
所說(shuō)的正比計(jì)數(shù)器8，由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離，沒(méi)有電流輸出，所以本發(fā)明中是采用正比計(jì)數(shù)器8，接收中子數(shù)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出所采用的正比計(jì)數(shù)器8是3He計(jì)數(shù)管，3He計(jì)數(shù)管中的反應(yīng)是 其中 為氦的同位素， 為中子源1發(fā)射的中子符號(hào)， 為氫的同位素。
這樣中子信號(hào)就變成了電流信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變，輸入到計(jì)算機(jī)中，就獲得待測(cè)樣品的圖像信息。
從中子源1發(fā)出的中子經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，發(fā)射一束平行的中子束到單色器3上。經(jīng)單色器3色散，形成單色中子束。再通過(guò)鎘狹縫4濾波后，一平行單色的中子束照射到波帶片5上。中子經(jīng)波帶片5聚焦，焦點(diǎn)落在待測(cè)樣品6上。待測(cè)樣品6放置在樣品臺(tái)7上。樣品臺(tái)7作上下左右移動(dòng)掃描。從待測(cè)樣品6處透射的信號(hào)被正比計(jì)數(shù)器8接收，輸出電流信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的中子顯微鏡，由于采用中子源1，有單色器3的單色化、波帶片的聚焦等結(jié)構(gòu)，可以測(cè)量極細(xì)微的結(jié)構(gòu)。分辨率比較高。所以，可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古學(xué)、海洋學(xué)等方面獲得極為廣泛的應(yīng)用。例如中子顯微鏡可以測(cè)定核糖體和染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)。采集少量海水，就可對(duì)海洋沉積物和海底巖石微量元素分布規(guī)律進(jìn)行研究；通過(guò)對(duì)地球和其它外來(lái)宇宙物質(zhì)中稀土元素的豐度和分布分析測(cè)量，研究地球物質(zhì)的演變過(guò)程和自然界元素的合成理論等。再如，用中子顯微鏡能研究農(nóng)藥在農(nóng)作物上的代謝和分解，在土壤中的積累和消失，及其在牲畜產(chǎn)品上的殘留；在物理學(xué)中，可用中子顯微鏡探測(cè)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等。


圖1為本發(fā)明的中子顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的顯微鏡結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的中子顯微鏡如圖1所示，主要包括兩大部分<1>準(zhǔn)直準(zhǔn)單色中子源系統(tǒng)其中中子源1選用裂變反應(yīng)堆；準(zhǔn)直器2選用長(zhǎng)為1.5米，直徑為1.5厘米的鋼管；單色器3采用鉛單晶；狹縫4由厚度為6毫米，孔徑0.3毫米的鎘制成。
從中子源1中出射的中子經(jīng)準(zhǔn)直器2入射到鉛單晶的單色器3上，產(chǎn)生色散，用鎘狹縫4選出部分中子束來(lái)，此時(shí)的中子束無(wú)論在發(fā)散度還是光譜質(zhì)量方面都獲得了極大的改善。
<2>記錄和檢測(cè)系統(tǒng)波帶片5選用菲涅爾波帶片，波帶環(huán)數(shù)大于100；待測(cè)樣品6是生物組織；樣品臺(tái)7是二維移動(dòng)平臺(tái)。正比計(jì)數(shù)器8是3He計(jì)數(shù)管。從狹縫4出射的中子束，照明波帶片5，并被波帶片5聚焦在樣品臺(tái)7上的待測(cè)樣品6上，樣品臺(tái)7載著待測(cè)樣品6先上下移動(dòng)掃描。然后左右移動(dòng)掃描，中子束在待測(cè)樣品6上每掃描一點(diǎn)，需停留1ms時(shí)間。待測(cè)樣品6上每透射一點(diǎn)的中子束，入射到正比計(jì)數(shù)器8上，產(chǎn)生一電流脈沖，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)。由于待測(cè)樣品6上各點(diǎn)的吸收系數(shù)不同，輸入到計(jì)算機(jī)9的信息也各異，因此就可獲得待測(cè)樣品6的清晰圖像。對(duì)于100微米大小的生物樣品的待測(cè)樣品6，空間分辨率能達(dá)到10納米。
本發(fā)明的顯微鏡獲得的中子顯微圖像分辨率取決于菲涅爾波帶片聚焦斑的大小，通常的分辨率可以達(dá)到10nm以下，比在先技術(shù)中用中子照相的最好結(jié)果高200倍以上。
權(quán)利要求
1.一種中子顯微鏡，包括由屏蔽層(10)構(gòu)成的屏蔽室(11)內(nèi)置有中子源(1)，其特征在于在屏蔽室(11)內(nèi)由中子源(1)發(fā)射的中子束首先經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的中心軸線(OO′)與中子束中心束軸(OO′)重合置放的準(zhǔn)直器(2)，經(jīng)準(zhǔn)直器(2)準(zhǔn)直的中子束射到入射面與中子束中心束軸(OO′)的夾角α＝10°～20°置放的并中點(diǎn)(O′)在中子束中心束軸(OO′)上的單色器(3)，經(jīng)單色器(3)出射的中子束的中心束軸(O′O″)與單色器(3)入射面的夾角α′＝α，經(jīng)單色器(3)出射的單色中子束經(jīng)過(guò)狹縫(4)和波帶片(5)將中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)(7)上的待測(cè)樣品(6)上，待測(cè)樣品(6)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)正比計(jì)數(shù)器(8)變成電流信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)(9)內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子顯微鏡，其特征在于所說(shuō)的單色器(3)是由金屬晶體鉛晶體構(gòu)成，或者由銅晶體構(gòu)成，或者由鈹晶體構(gòu)成。
全文摘要
一種中子顯微鏡,包括由中子源發(fā)射的中子束經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的準(zhǔn)直器準(zhǔn)直、再經(jīng)過(guò)單色器變成單色中子束后,通過(guò)狹縫由波帶片將其中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)上的待測(cè)樣品上,待測(cè)樣品產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)正比計(jì)數(shù)器變成電流信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行重構(gòu)處理。與在先技術(shù)相比,具有分辨率高,能夠測(cè)量微細(xì)結(jié)構(gòu)?？梢詮V泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古和海洋學(xué)等方面的微觀結(jié)構(gòu)的觀察測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N23/05GK1385693SQ02111729
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2002年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所