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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蘇暉家
研究生(外文):Hui-Chia Su
論文名稱:清華大學水池式反應器W-3中子反射儀之建立
論文名稱(外文):Construction of Neutron Reflecometer at Tsing-Hua Open Pool Reactor W3 Beam Port
指導教授:李志浩李志浩引用關係
指導教授(外文):Chih-Hao Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:中子中子反射儀中子反射率反射率
外文關鍵詞:neutronneutron reflectometerneutron reflectivityreflectivity
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在清大的研究用反應器,選定 W3 中子束進行中子反射儀的建立,利用透過分光器分光之後所得的單一波長來做實驗。此一中子束線為清大反應器運轉四十年來第一條散射中子束。中子反射儀可以被利用在高分子及磁性薄膜的原子縱深分布以及磁縱深分布的研究工作上。中子主要跟原子核與磁矩產生作用,而X光主要是與電子雲發生作用,在凝態物理研究上,為兩大重要且互補的研究工具。非極化中子反射儀已架設完成,而極化中子反射儀之架設正在規劃架設中。在極化中子反射儀架設方面,將採用Heusler晶體進行分光並極化中子束或者使用石墨晶體分光後,再經由Fe/Si超級鏡片 (supermirror) 對中子進行極化。初步結果證實,中子反射儀在樣品旋轉台的最大計數率為每秒 10^5 個中子,背景值為每秒 0.2 個中子,其動態範圍最大可達10^4—10^5。
A neutron reflectometer is installed at Tsing-Hua Open Pool Reactor (THOR) W3 beam port in NTHU (National Tsing Hua University). This is the first neutron scattering beamline at THOR for 40 years operation. The neutron reflectometer can be used to measure the atomic and magnetic depth profiles of the polymer and magnetic thin films. Neutron mainly interacts with the nuclei and magnetic moments; and X-ray interacts with electron clouds, respectively. They are important and complementary tools on the research work of condensed matter physics. The non-polarized neutron reflectometer is finished constructed, and the polarized one is in process currently. For the polarized neutron reflectometer, a Heusler crystal will be used to monochromate and polarize neutron; Or to polarize the neutron by using Fe/Si supermirror after monochromated by the graphite crystal. The preliminary results show that the maximum counting rate is 10^5 cps at the sample stage, the background is 0.2 cps, and the maximum dynamic range can be achieved up to 10^4—10^5.
封面
摘要………………………………………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………………………...ii
誌謝……………………………………………………………………………..iii
目錄……………………………………………………………………………..vi
表目錄………………………………………………………………………….vii
圖目錄………………………………………………………………………….vii
第一章 簡介……………………………………………………………………1
1.1 介紹……………………………………………………………………1
1.2 緣由……………………………………………………………………3
第二章 基本理論…………………………………………………….………...7
2.1 中子特質…………………………………………………….………...7
2.2 中子與X光優缺比較……………………………………….………...8
2.3 分光原理…………………………………………………….……….10
2.4 中子過濾器………………………………………………….……….12
2.5 中子準直器與解析度計算………………………………….……….13
2.6 中子極化原理……………………………………………….……….16
第三章 極化與非極化中子反射率………………………………….……….24
3.1 鏡面反射………………………………………………………………24
3.2 中子反射率曲線………………………………………………………26
第四章 實驗系統…………………………………………………….……….30
4.1 中子源…………………………………………………………………30
4.2 非極化中子反射儀……………………………………………………30
4.3 中子束通量 (未改裝前) ……………………………………………...33
4.4 量測儀器組及控制平台………………………………………………35
4.5 樣品準備………………………………………………………………36
第五章 實驗方法及步驟…………………………………………….……….37
第六章 實驗數據及討論…………………………………………….……….39
6.1 初步測試………………………………………………………………39
6.2 加裝中子過濾器………………………………………………………43
6.3 坡莫合金粉末繞射及SiO2反射率……………………………………45
6.4 石墨晶體與Heusler晶體………………………………………………47
第七章 展望與建議………………………………………………….……….49
第八章 結論…………………………………………………………………..55
參考文獻……………………………………………………………………….56
表目錄
表一、石墨晶體的鑲嵌角及晶面距列表。…………………………………….64
圖目錄
附件一、THOR W3 中子反射儀示意圖………………………………………58
附件二、圖表目錄……………………………………………………………...59
圖一、鑲嵌晶體內部排列結構圖。…………………………………………….59
圖二、水平發散角α1及α2示意圖。…………………………………………..59
圖三、中子過濾器工作情形。………………………………………………….60
圖四、發散角α2與Q解析度的關係圖。………………………………………60
圖五、入射到樣品的角度θs與Q解析度的關係圖。…………………………61
圖六、使用Mezei型磁矩翻轉分析器翻轉中子磁矩的情形。………………61
圖七、中子入射樣品的反射與折射示意圖。…………………………………62
圖八、THOR 爐心的各種波長中子Maxwell分布圖。………………………62
圖九、電動狹縫 (1-4) (a)立體圖 (b)照片。……………………………………63
圖十、手動狹縫 (5-6) (a)立體圖 (b)照片。……………………………………63
圖十一、一環旋轉台 (a)立體圖 (b)照片。……………………………………64
圖十二、二環樣品旋轉台 (a)立體圖 (b) 照片。……………………………65
圖十三、3He偵檢器屏蔽屋的外型。…………………………………………66
圖十四、直射光的角分佈圖。…………………………………………………66
圖十五、編號3L之石墨晶體之繞射圖形。……………………………………67
圖十六、矽晶圓(111)的反射率曲線。…………………………………………67
圖十七、中子以及X光所量測的Ni/Ti 多層膜的反射率圖形。……………68
圖十八、中子波長與不同厚度之sapphire的穿透率關係。…………………69
圖十九、改裝前後之Ni/Ti多層膜反射率圖形比較。…………………………69
圖二十、(a) (b) 分別為實驗室X光及中子束量測坡莫合金 (111) 及 (002) 面時的繞射圖。………………………………………………………...70
圖二十一、利用中子束來量測坡莫合金的粉末繞射時,量測到的 (111)、(002)、及 (220) 三個面的繞射圖形。……………………………….71
圖二十二、SiO2 (25 nm)/Si 的反射率圖形。…………………………………..71
圖二十三、(a) 以同步輻射X光所量測之Heusler (111) 晶體之繞射圖形。(b) 則是以中子分別量測Graphite (002)及Heusler (111)晶體的繞射圖形。…………………………………………………………………...72
圖二十四、(a) 以同步輻射X光量測之Heusler (111) 之 rocking 曲線。(b)圖則為利用中子量測 Heusler及Graphite之rocking曲線。…………………………………………………………………...73
圖二十五、(a)(b)分別為帶(+)、(-)磁矩的中子入射到中子極化晶體的角度與其穿透及反射強度的關係圖。……………………………………...74
圖二十六、中子極化晶體極化率。…………………………………………….74
附件三、分光區屏蔽改裝設計圖。…………………………………………….75
附錄一、THOR W3 輻射安全防護設計報告。
附錄二、使用X光及極化中子反射率研究Py/Co/Mo/Sa薄膜。(投稿中)
附錄三、建造中之極化中子反射儀報告。(磁學會議正文)                     
附錄四、THOR W3 的操作程式。
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