中子衍射技术及其应用_夏元华-2019
《中子衍射简介》PPT课件
11.1 中子散射原理
中子散射或衍射的主要特点： (1) 轻重元素对中子的散射本领的比率远大于X
射线，故中子衍射技术可以较易识别轻元素在 晶胞中的占位。 (2) 中子有磁矩，因而是研究物质构造的理想 工具。 (3) 中子有高的贯穿能力〔可达几毫米至几十 毫米〕，故试样可以较大，使结果更富于统计 性，并可探索材料内某一局域的构造。
中子衍射的时间-飞行衍射仪的设计
设计原理：从减速剂发射出的包括了各种波长〔热中子 谱〕的中子射线，自发射源经由试样布拉格衍射到探测 器的路径是一样的，由于不同波长的中子具有不同速度， 因此不同波长的中子到达探测器的时间是不同的。
时间-飞行衍射仪根据上述原理，通过时间测定绘制成 衍射谱，其横坐标通常是以时间为单位，纵坐标那么以 中子数目〔即强度〕为单位。
4(b 2p 2 q 2)
式中，b为核散射导致的散射长度；P为磁散射导致的散射 长度；q sin，这里α为原子磁矩与散射矢量的角度。
11.2 中子源及衍射装置
中子衍射所需的中子源一般为中子反响堆或蜕变中子源。 中子反响堆是利用235U或239Pu作为核燃料发生裂变
反响产生大量中子，将其导入各种散射〔衍射〕装置。 一个典型的反响堆主要由燃料包、控制棒、减速剂及屏 蔽材料组成。通过减速剂温度的调节可以控制反响堆中 中子波长分布。 另一种蜕变中子源是利用高能质子束轰击某些重金属发 生蜕变反响喷发大量中子，蜕变中子源产生的中子可以 被减速成适于散射或衍射研究所所需波长范围。 这种中子源的最大优点是高脉冲强度并改善了环境。
磁散射依赖于晶质试样中原子核外电子自旋如何排列。 磁散射是通过中子与核外分布的电子作用，作用距离
相当于中子波长，磁散射强度与散射角密切相关。 磁散射随散射角度变化与X射线散射因子随角度变化
中子衍射简介优秀PPT
11
β-Si3N4材料在2θ=153°测得的TOF中子粉末衍射谱， 衍射谱中的时间可以直接转换成面间距。
12
11.3 中子衍射技术在材料科学中的应用
1、晶体结构测量典型实例
利用中子衍射研究MnO的磁结构，确定它在120K发 生反铁磁性转变机制。
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3、应力与织构测量
中子具有较高穿透能力，故中子衍射技术不仅可以测量 试样表面或近表面的应变状态，而且能够给出试样内部 应变分布信息。
根据这些应变值可确定宏观应力与微观应力。 中子衍射应力分析原理与X射线基本相同。 中子源强度较弱，一般中子的衍射体积应在10~30mm3
4、中子衍射可以测定磁性材料的磁织构。
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1
11.1 中子散射原理
中子散射或衍射的主要特点：
(1) 轻重元素对中子的散射本领的比率远大于X射线， 故中子衍射技术可以较易识别轻元素在晶胞中的占位。
(2) 中子有磁矩，因而是研究物质结构的理想工具。 (3) 中子有高的贯穿能力（可达几毫米至几十毫米），
故试样可以较大，使结果更富于统计性，并可探索材料 内某一局域的结构。
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2、磁结构的测量
中子入射到铁磁或反铁磁材料，除了受到通常原子 核产生的核散射外，还受到晶体中原子磁矩有序排 列导致的磁散射。
磁有序导致的中子磁散射，不仅使原有核散射产生 的布拉格衍射峰强度改变，而且出现了附加的超点 阵衍射峰。
引起这种超点阵衍射峰出现的晶体中原子的磁有序 排列称为磁超点阵。
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短 程交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
中子小角度衍射
中子小角度衍射中子小角度衍射（Small Angle Neutron Scattering，简称SANS）是一种用于研究材料的非常强大的技术工具。
它能够提供关于材料结构和形状的信息，帮助科学家们理解材料的微观特性和相互作用。
中子是质量稍大于质子的无电荷粒子，它在物质中的相互作用通常比电子射线更弱。
因此，中子能够穿透较厚的样品，并且对样品的结构和动力学提供更详细的信息。
在SANS实验中，中子通过样品，通过相互散射的方式传播到相探测器。
通过分析中子的散射模式和强度，科学家们能够确定样品的结构和形状。
SANS作为一种静态扫描技术，可以用于研究各种不同类型的材料，包括聚合物、液体晶体、纳米颗粒等。
由于中子在物质中的散射受到原子核的散射和磁偶极散射的双重影响，SANS可以提供对材料的多种信息，例如粒子的尺寸、形状、分布等。
中子小角度衍射的实验通常在中子散射设备上进行。
这些设备通常利用中子源，如核反应堆或加速器产生的中子束。
中子束经过减速器和减震系统，使其成为小角度衍射所需的低分散度和低能量的中子。
样品通常位于一个旋转台上，通过旋转样品可以获得多个角度的散射数据。
相探测器位于样品后方，用于测量散射的中子，从而得到有关样品的结构信息。
分析SANS实验数据需要使用复杂的数学和计算方法。
一种常用的数据分析方法是Guinier分析。
Guinier分析通过绘制散射强度随散射矢量的平方根的对数作为横坐标，从而确定样品中的粒子尺寸。
另一种方法是模型拟合方法，可以根据不同的模型函数对散射数据进行拟合，进一步获得关于样品形状和分布的信息。
SANS技术在材料科学和生物科学领域发挥着重要的作用。
在材料科学中，SANS可以用于研究纳米颗粒、块体材料和液体晶体的结构和形态。
它能够帮助科学家们设计新材料，优化材料性能，并提供有关材料制备、加工和性能之间相互关系的重要信息。
在生物科学中，SANS可以用于研究生物分子的结构和形状，例如蛋白质、核酸和细胞膜。
如何利用中子衍射技术进行材料分析
如何利用中子衍射技术进行材料分析关键信息项：1、中子衍射技术的原理和特点原理：＿___________________________特点：＿___________________________2、材料分析的目标和应用领域目标：＿___________________________应用领域：＿___________________________3、实验设备和设施要求中子源：＿___________________________探测器：＿___________________________样品制备设备：＿___________________________4、实验操作流程和步骤样品准备：＿___________________________实验参数设置：＿___________________________数据采集：＿___________________________数据处理和分析方法：＿___________________________5、数据质量控制和评估标准质量控制措施：＿___________________________评估指标：＿___________________________6、安全注意事项和防护措施安全风险：＿___________________________防护手段：＿___________________________7、知识产权和数据共享政策知识产权归属：＿___________________________数据共享规则：＿___________________________1、引言11 中子衍射技术在材料科学中的重要性中子衍射技术作为一种强大的分析工具，在材料研究中发挥着至关重要的作用。
它能够提供有关材料的晶体结构、磁结构、原子占位等详细信息，为深入理解材料的性能和行为提供基础。
12 本协议的目的和适用范围本协议旨在规范和指导如何有效地利用中子衍射技术进行材料分析，适用于各类材料研究实验室和科研机构。
一种用于中子衍射的原位气氛
专利名称：一种用于中子衍射的原位气氛‑温度加载专用管式炉
专利类型：发明专利
发明人：薛卫东,张媛媛,肖慧敏,陈喜平,谢雷,夏元华,房雷鸣申请号：CN201710611170.7
申请日：20170725
公开号：CN107270712A
公开日：
20171020
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种用于中子衍射的原位气氛‑温度加载专用管式炉，所述专用管式炉包括能放入中子衍射圆柱体测试腔的炉体，所述炉体包括管式炉外壳、设置在管式炉外壳内的炉膛固定盒、设置在炉膛固定盒内的炉膛、横向嵌入在管式炉外壳、炉膛固定盒和炉膛左右侧的石英炉管，所述炉体正面和背面中心区域采用能穿透中子射线的材料形成中子穿透窗口，所述中子穿透窗口与石英炉管内的样品管相对应。
综上，本发明设计的专用管式炉可实现粉状或棒状样品的中子衍射的原位气氛‑温度加载，配合中子测试系统和温度控制系统能在不同气氛和温度条件下进行中子衍射的在线分析测试。
申请人：电子科技大学,中国工程物理研究院核物理与化学研究所
地址：611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
国籍：CN
代理机构：成都弘毅天承知识产权代理有限公司
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《中子衍射简介》PPT课件
中子衍射与X射线比较
A、同X射线一样，中子束 穿过试样可以发生吸收、 散射（及衍射）。
B、中子吸收系数比X射线 小3~4个数量级；中子可以 穿透较厚试样。
从图中可见，大多数元素 的中子吸收系数远低于相 同波长的X射线吸收系数。
氢至铋范围元素对波长为0.108nm 的中子（实线）及CuKαX射线（虚 线）的质量吸收系数
中子的衍射体积是由入射与接收狭缝大小及形状来控制 （如上图），而各种不同衍射体积与形状的选择则由所 测试样应力/应变分布的梯度决定。
中子衍射应变测量衍射几何示意图
从图中可见，通过试样台上试样的移动，可以探测试样内部 不同部位的应变，这一点是X射线所无法达到的。
中子衍射应力分析，对焊接部件的无损检验是十分重要的。
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短程 交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
从图中可见，中子散射长 度随元素原子序数的变化 明显不同于X射线的变化。
自然存在的氢至铋元素 的中子散射长度变化
磁散射
除了核散射外，中子磁矩与未成对自旋电子的作用亦 可导致一种散射，这种散射称为磁散射。
4、中子衍射可以测定磁性材料的磁织构。
中子衍射的时间-飞行衍射仪的设计
设计原理：从减速剂发射出的包括了各种波长（热中子 谱）的中子射线，自发射源经由试样布拉格衍射到探测 器的路径是相同的，由于不同波长的中子具有不同速度， 因此不同波长的中子到达探测器的时间是不同的。
时间-飞行衍射仪根据上述原理，通过时间测定绘制成衍 射谱，其横坐标通常是以时间为单位，纵坐标则以中子 数目（即强度）为单位。
中子衍射织构测量特点：
1、中子衍射吸收系数较小，一般织构测量无需吸收强度 校正，只需将试样制成较规整形状，如正方体、圆柱或 圆球状即可（一般体积为1cm3）。中子衍射体积应覆盖 整个试样。
中子衍射与多晶衍射关系与区别
中子衍射与多晶衍射关系与区别下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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第十一章 中子衍射简介
非极化中子
核散射与磁散射对总散射截面的献为
2 22 4 ( b p q )
式中，b为核散射导致的散射长度；P为磁散射导致的散射 长度；q sin ，这里α为原子磁矩与散射矢量的角度。
11.2 中子源及衍射装置
中子衍射所需的中子源一般为中子反应堆或蜕变中子源。 中子反应堆是利用235U或239Pu作为核燃料发生裂变反应 产生大量中子，将其导入各种散射（衍射）装置。一个 典型的反应堆主要由燃料包、控制棒、减速剂及屏蔽材 料组成。通过减速剂温度的调节可以控制反应堆中中子 波长分布。 另一种蜕变中子源是利用高能质子束轰击某些重金属发 生蜕变反应喷发大量中子，蜕变中子源产生的中子可以 被减速成适于散射或衍射研究所所需波长范围。 这种中子源的最大优点是高脉冲强度并改善了环境。
氢至铋范围元素对波长为0.108nm 的中子（实线）及CuKαX射线（虚 线）的质量吸收系数
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短 程交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
从图中可见，中子散射长 度随元素原子序数的变化 明显不同于X射线的变化。
自然存在的氢至铋元素 的中子散射长度变化
中子衍射的时间-飞行衍射仪的设计
设计原理：从减速剂发射出的包括了各种波长（热中子 谱）的中子射线，自发射源经由试样布拉格衍射到探测 器的路径是相同的，由于不同波长的中子具有不同速度， 因此不同波长的中子到达探测器的时间是不同的。 时间-飞行衍射仪根据上述原理，通过时间测定绘制成 衍射谱，其横坐标通常是以时间为单位，纵坐标则以中 子数目（即强度）为单位。 如果将探测器固定在某一2θ角，可以得到包含满足布 拉格条件的一系列衍射峰的多晶衍射花样，长的飞行时 间对应于面间距大的晶面。
第十一章 中子衍射简介
2、磁结构的测量
中子入射到铁磁或反铁磁材料，除了受到通常原子 核产生的核散射外，还受到晶体中原子磁矩有序排 列导致的磁散射。 磁有序导致的中子磁散射，不仅使原有核散射产生 的布拉格衍射峰强度改变，而且出现了附加的超点 阵衍射峰。 引起这种超点阵衍射峰出现的晶体中原子的磁有序 排列称为磁超点阵。 利用中子衍射研究MnO的磁结构，确定它在120K发 生反铁磁性转变机制。
非极化中子
核散射与磁散射对总散射截面的贡献为
2 22 4 ( b p q )
式中，b为核散射导致的散射长度；P为磁散射导致的散射 长度；q sin ，这里α为原子磁矩与散射矢量的角度。
11.2 中子源及衍射装置
中子衍射所需的中子源一般为中子反应堆或蜕变中子源。 中子反应堆是利用235U或239Pu作为核燃料发生裂变反应 产生大量中子，将其导入各种散射（衍射）装置。一个 典型的反应堆主要由燃料包、控制棒、减速剂及屏蔽材 料组成。通过减速剂温度的调节可以控制反应堆中中子 波长分布。 另一种蜕变中子源是利用高能质子束轰击某些重金属发 生蜕变反应喷发大量中子，蜕变中子源产生的中子可以 被减速成适于散射或衍射研究所所需波长范围。 这种中子源的最大优点是高脉冲强度并改善了环境。
氢至铋范围元素对波长为0.108nm 的中子（实线）及CuKαX射线（虚 线）的质量吸收系数
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短 程交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
从图中可见，中子散射长 度随元素原子序数的变化 明显不同于X射线的变化。
自然存在的氢至铋元素 的中子散射长度变化
《中子衍射简介》课件
详细描述
中子衍射技术能够研究生物大分子在自然状态下的结 、药物设计和生命科学研究提供重要支持。
05
中子衍射技术的挑战与展 望
中子源的稳定性问题
中子源的稳定性是影响中子衍射实验结果的关键因素之一。
稳定的中子源可以提供持续、可靠的中子束流，确保实验数据的准确性和可靠性。
03
中子衍射实验技术
中子衍射实验的样品制备
样品选择
样品保护
选择具有代表性的样品，确保其具有 足够的纯度和结晶度，以满足实验要 求。
在实验过程中，应采取措施保护样品 免受环境因素（如空气、水汽）的影 响，以确保实验结果的准确性。
样品处理
对样品进行适当的研磨、干燥和装载 ，确保其在实验过程中稳定且不会对 中子束产生散射。
中子衍射实验的数据处理与分析
数据处理
对采集到的衍射数据进行整理 、筛选和去噪等处理，提取出
有用的信息。
结构精修
在初步确定结构的基础上，进 一步优化结构参数，提高结构 模型的准确性和可靠性。
结构解析
利用衍射数据，通过计算和分 析，确定样品的晶体结构和原 子排列。
结果解释
结合实验目的和样品特性，对 分析结果进行解释和讨论，为 相关领域的研究提供有价值的
高灵敏度的探测器能够更好地捕捉到 中子信号，降低背景噪声，提高实验 数据的信噪比。
中子衍射技术与其他技术的结合与交叉
01
中子衍射技术可以与其他技术相结合，发挥各自的优势，实现更广泛的应用。
02
例如，将中子衍射技术与X射线衍射技术相结合，可以获得更全面、更准确的结 构信息；将中子衍射技术与核磁共振技术相结合，可以研究分子内部的动态结 构和相互作用。
03
未来，随着科学技术的不断发展，中子衍射技术有望与其他更多技术实现交叉 融合，推动相关领域的发展和进步。
中子衍射简介
一种常用的探头是填充了3He或10BF3气体的正比计数管。
另一种为闪烁计数管，管中含6Li，由于中子与6Li发生 反应，反应后产生的光信号被感光材料接收转变为电信 号，这种计数管更适用于被制成位敏探测器。
中子衍射织构测量特点：
1、中子衍射吸收系数较小，一般织构测量无需吸收强 度校正，只需将试样制成较规整形状，如正方体、圆柱 或圆球状即可（一般体积为1cm3）。中子衍射体积应覆 盖整个试样。
2、中子衍射可用一个试样和一种测量方法测量出一个 完整极图。
3、中子衍射可以确定大晶粒材料（例如某些铸态材料） 的织构，其统计性亦较好。
B、利用中子粉末衍射技术结合Rietveld拟合或Monte Carlo模拟方法，研究高Tc超导材料、某些催化剂材 料、磁性材料及化合物材料的晶体结构，特别是轻元 素的占位。
C、Ca3Al2(O4D4)3的结构分析，利用中子粉末衍射技 术测出其各温度下的TOF中子谱，再用Rietveld方法 精练。结果表明，如果只考虑重元素的分布，计算误 差可达17%；而引入轻元素的分布，计算误差小于 3%。从而定出所有轻元素与重元素的占位。
故的能量
中子质量m为1.675×10-27kg，电荷数为0，自旋量 子数为1/2，磁矩为1.913μN(μN为核磁子，相当于 5.051×10-27A·m2）。表现为中子波，具有波长为 λ的中子的能量为
Eh2/2m2
式中，h为普朗克常量（h=6.626176×10-34J·S）
4(b2p2q2)
式中，b为核散射导致的散射长度；P为磁散射导致的散射 长度；q sin，这里α为原子磁矩与散射矢量的角度。
中子衍射简介优秀PPT
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A、利用中子单晶衍射技术研究大量大分子或小分子 材料中氢原子占位。
B、利用中子粉末衍射技术结合Rietveld拟合或Monte Carlo模拟方法，研究高Tc超导材料、某些催化剂材 料、磁性材料及化合物材料的晶体结构，特别是轻元 素的占位。
C、Ca3Al2(O4D4)3的结构分析，利用中子粉末衍射技 术测出其各温度下的TOF中子谱，再用Rietveld方法 精练。结果表明，如果只考虑重元素的分布，计算误 差可达17%；而引入轻元素的分布，计算误差小于 3%。从而定出所有轻元素与重元素的占位。
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中子衍射织构测量特点：
1、中子衍射吸收系数较小，一般织构测量无需吸收强 度校正，只需将试样制成较规整形状，如正方体、圆柱 或圆球状即可（一般体积为1cm3）。中子衍射体积应覆 盖整个试样。
2、中子衍射可用一个试样和一种测量方法测量出一个 完整极图。
3、中子衍射可以确定大晶粒材料（例如某些铸态材料） 的织构，其统计性亦较好。
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短 程交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
从图中可见，中子散射长 度随元素原子序数的变化 明显不同于X射线的变化。
自然存在的氢至铋元素 的中子散射长度变化
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磁散射
除了核散射外，中子磁矩与未成对自旋电子的作用亦 可导致一种散射，这种散射称为磁散射。
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中子衍射的时间-飞行衍射仪的设计
设计原理：从减速剂发射出的包括了各种波长（热中子 谱）的中子射线，自发射源经由试样布拉格衍射到探测 器的路径是相同的，由于不同波长的中子具有不同速度， 因此不同波长的中子到达探测器的时间是不同的。
中子衍射的应用
中子衍射的应用
中子衍射是一种重要的材料科学研究手段，主要应用于材料的结构分析与性能研究。
以下是中子衍射的一些具体应用：
1.揭示材料晶体结构：中子衍射技术可以揭示材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷和晶体结构的变化等信息，对于探究材料的微观结构和性质有着极为重要的意义。
2.直接测定材料磁结构：中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生特有的磁衍射。
通过磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是直接测定材料磁结构的唯一手段。
3.适应复杂的样品环境：中子强穿透的特性使得它能适应高低温、高压、磁场等各种复杂的样品环境，保证获得的实验数据真实可信。
4.在工业制造、能源材料等领域的应用：目前，中子衍射已经成为新材料开发、工业制造、能源材料等领域的重要技术手段之一。
总的来说，中子衍射在材料科学研究中发挥了重要的作用，对于揭示材料结构，理解材料性能以及推动新材料研发等方面都有重要的贡献。
中子衍射特点
中子衍射特点《聊聊中子衍射的那些特点》嘿，大家好啊！今天咱来聊聊这个有点高大上的“中子衍射特点”。
我跟你们说，这玩意儿可有意思啦！先来说说，这中子衍射就像是个神秘的窥视镜。
它能穿过好多东西，直接看到物质内部的结构。
你想啊，就好像它有一双超级透视眼，能把那些我们平常看不到的微观世界给展示出来。
这多厉害呀，感觉就像能揭开物质的神秘面纱一样。
中子衍射还有个特点，那就是它特别“专一”。
它对原子的位置和运动那可是情有独钟，专门去探测这些信息。
就像是个执着的侦探，非要把这些原子的小秘密都给挖出来不可。
而且啊，它还不只是简简单单地看，它还能分析出各种细节，真的是超级厉害。
还有啊，它还有点“挑剔”呢。
可不是所有物质都能让它好好发挥作用的，它对样品还是有一定要求的。
要是样品不符合它的“口味”，它可就不太乐意好好工作啦。
但一旦条件合适，它就能大显身手，把那些隐藏的结构都给显示出来。
你知道吗，每次想到中子衍射，我都觉得它像是个微观世界的超级英雄。
它总能在我们不知道的领域里默默战斗，为科学家们提供宝贵的信息。
它就像个无私的奉献者，虽然我们普通人可能不太了解它，但它却在科学的舞台上发挥着巨大的作用。
比如说在研究新材料的时候，中子衍射就能派上大用场。
它能帮忙找出材料的结构秘密，让科学家们更好地了解材料的性质和特点，为研发新的、更好的材料打下基础。
总之呢，中子衍射这玩意儿虽然听起来挺深奥，但它真的是超级有趣又超有用的。
它有着那些独特的特点，让我们能更好地探索和理解这个奇妙的微观世界。
我觉得啊，我们真应该对这些科学技术多一些了解，这样才能感受到科学的魅力和伟大呀！希望大家以后听到“中子衍射特点”这个话题的时候，也能像我一样，觉得有趣又有意思呢！。
《中子衍射简介》PPT课件
中子的能量
中子质量m为1.675×10-27kg，电荷数为0，自旋 量子数为1/2，磁矩为1.913μN(μN为核磁子，相 当于5.051×10-27A·m2〕。表现为中子波，具有 波长为λ的中子的能量为
Eh2/2m 2
式中，h为普朗克常量〔h=6.626176×10-34J·S〕
中子衍射与X射线比较
11.1 中子散射原理
中子散射或衍射的主要特点： (1) 轻重元素对中子的散射本领的比率远大于X
射线，故中子衍射技术可以较易识别轻元素在 晶胞中的占位。 (2) 中子有磁矩，因而是研究物质构造的理想 工具。 (3) 中子有高的贯穿能力〔可达几毫米至几十 毫米〕，故试样可以较大，使结果更富于统计 性，并可探索材料内某一局域的构造。
4、中子衍射可以测定磁性材料的磁织构。
表现为中子波具有波长为的中子的能量为式中h为普朗克常量h66261761034js中子衍射与x射线比较氢至铋范围元素对波长为0108nm的中子实线及cukx射线虚线的质量吸收系数从图中可见大多数元素的中子吸收系数远低于一样波长的x射线吸收系数
《中子衍射简介》PPT课 件
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中子衍射装置
主要包括：单晶衍射台、粉末衍射台、小角度散射台、 时间-飞行谱衍射台及织构与应力测量台。
图中主要由初始准直器α1、 单色器、试样台、探测准直 器α3及探测器组成。如果特 殊需要，可以在试样台上安 装某些如高温、高压或低温 等环境装置。
高分辨率恒波长中子粉末衍 射台示意图
?氢的移动方式在高压下发生各种异常——利用中子衍射实验揭开冰之谜
氢的移动方式在高压下发生各种异常——利用中子衍射实验揭开冰之谜本文4189字，阅读约需10分钟摘要：研究小组通过低温高压环境下的中子衍射实验，发现在10GPa左右的压强下冰的相变速度最慢的异常现象，从微观晶体结构的角度证实了以往提出的设想，而且基于这种原理解释了各种实验结果，具有重要的科学意义。
关键字：氢的移动方式、冰的变体、中子衍射实验、拉曼散射、X 线衍射、氢扩散系数发表者小松一生（东京大学大学院理学系研究科附属地球化学研究所副教授）S. Klotz（巴黎第一大学/法国国立科学研究中心教授）町田真一（综合科学研究机构中子科学中心研究员）佐野亚沙美（日本原子能研究开发机构J-PARC中心副主任研究员）服部高典（日本原子能研究开发机构J-PARC中心主任研究员)键裕之（东京大学大学院理学系研究科附属地球化学研究所教授)发表要点➤通过低温高压环境下的中子衍射实验，发现在10GPa左右的压强下冰的相变速度最慢的异常现象。
➤这个异常现象可以解释为，加压导致水分子的旋转运动变慢，同时氢原子向相邻氧原子的移动速度加快。
➤研究小组认为，本研究所提出的这一氢的移动方式的变化，是目前为止在各种实验中报告的10GPa左右的压强下冰VII相发生异常的原因，今后有可能在含有氢键的其他物质中观察到同样的现象。
发表概要在不同温度和压力下，冰具有多种不同晶体结构的变体（注1），目前已确认至少存在19种。
但是当压强高于2GPa时，冰的变体种类就变得越来越少，乍一看好像失去了结构的多样性（图1）。
然而，在拉曼散射（注2）、X线衍射（注3）、导电率（注4）、氢扩散系数（注5）、X线照射下水分子的分解速度（注6）等实验中，都报告了在2GPa压强以上时广泛存在且稳定的冰VII相，当压力接近10GPa 压强附近时表现出异常现象。
此次，东京大学研究生院理学研究系科小松一生副教授与键裕之教授领导的研究小组与法国巴黎第一大学、综合科学研究机构中子科学中心以及日本原子能研究开发机构J-PARC中心开展合作研究，通过低温高压环境下的中子衍射实验（注7），发现冰VII-VIII相变中氢原子有序化（注8）的速度在10GPa压强附近最慢。
中子衍射简介
β-Si3N4材料在2θ=153°测得的TOF中子粉末衍射谱， 衍射谱中的时间可以直接转换成面间距。
11.3 中子衍射技术在材料科学中的应用
1、晶体结构测量典型实例
A、利用中子单晶衍射技术研究大量大分子或小分子 材料中氢原子占位。
工作原理主要是：根据中子与探测器中所包含的高中子 吸收物质反应产生的γ射线量或发射的重粒子的能量。
一种常用的探头是填充了3He或10BF3气体的正比计数管。
另一种为闪烁计数管，管中含6Li，由于中子与6Li发生 反应，反应后产生的光信号被感光材料接收转变为电信 号，这种计数管更适用于被制成位敏探测器。
磁散射依赖于晶质试样中原子核外电子自旋如何排列。 磁散射是通过中子与核外分布的电子作用，作用距离
相当于中子波长，磁散射强度与散射角密切相关。 磁散射随散射角度变化与X射线散射因子随角度变化
类似，只不过随角度增加，这种散射本领下降得更快， 这是由于磁散射主要是原子外层电子的贡献。
非极化中子
核散射与磁散射对总散射截面的贡献为
中子衍射与X射线比较
A、同X射线一样，中子束 穿过试样可以发生吸收、 散射（及衍射）。
B、中子吸收系数比X射线 小3~4个数量级；中子可以 穿透较厚试样。
从图中可见，大多数元素 的中子吸收系数远低于相 同波长的X射线吸收系数。
氢至铋范围元素对波长为0.108nm 的中子（实线）及CuKαX射线（虚 线）的质量吸收系数
4(b2p2q2)
式中，b为核散射导致的散射长度；P为磁散射导致的散射 长度；q sin，这里α为原子磁矩与散射矢量的角度。
第十一章中子衍射简介
2、磁结构的测量
中子入射到铁磁或反铁磁材料，除了受到通常原子 核产生的核散射外，还受到晶体中原子磁矩有序排 列导致的磁散射。
磁有序导致的中子磁散射，不仅使原有核散射产生 的布拉格衍射峰强度改变，而且出现了附加的超点 阵衍射峰。
引起这种超点阵衍射峰出现的晶体中原子的磁有序 排列称为磁超点阵。
利用中子衍射研究MnO的磁结构，确定它在120K发 生反铁磁性转变机制。
中子衍射与X射线比较
C、中子主要与原子核发生作用，这种作用属于一种短 程交互作用，作用范围一般在万分之一波长尺度内。
从图中可见，中子散射长 度随元素原子序数的变化 明显不同于X射线的变化。
自然存在的氢至铋元素 的中子散射磁矩与未成对自旋电子的作用亦 可导致一种散射，这种散射称为磁散射。
3、应力与织构测量
中子具有较高穿透能力，故中子衍射技术不仅可以测量 试样表面或近表面的应变状态，而且能够给出试样内部 应变分布信息。
根据这些应变值可确定宏观应力与微观应力。 中子衍射应力分析原理与X射线基本相同。 中子源强度较弱，一般中子的衍射体积应在10~30mm3
以上。
通过入射与衍射狭缝调整来改变中子衍射应 变测量的空间分辨率示意图
B、利用中子粉末衍射技术结合Rietveld拟合或Monte Carlo模拟方法，研究高Tc超导材料、某些催化剂材 料、磁性材料及化合物材料的晶体结构，特别是轻元 素的占位。
C、Ca3Al2(O4D4)3的结构分析，利用中子粉末衍射技 术测出其各温度下的TOF中子谱，再用Rietveld方法 精练。结果表明，如果只考虑重元素的分布，计算误 差可达17%；而引入轻元素的分布，计算误差小于 3%。从而定出所有轻元素与重元素的占位。
第十一章 中子衍射简介
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典型波长的中子与X射线对应的能量比较
波长/nm 0.1 1.0 10.0
中子能量/meV 8.18×101 8.18×10-1 8.18×10-3
X射线能量/meV 1.24×107 1.24×106 1.24×105
热中子能量与物质中许多动态过程的激发能量相当
中子散射的特点—设备庞大，造价和运行费用高
Scattered Neutrons
Incident Beam
kf
Scattering Angle 2
ki
Sample
Non-Scattered Beam
Q
Measure scattered neutrons as a function of Q and S(Q,). = 0 elastic ≠ 0 inelastic near 0 quasielastic
国内中子源现状
目前国内的中子散射技术蓬勃发展。 中国原子能科学研究院中国先进研究堆（CARR） 中国工程物理研究院绵阳研究堆（CMRR） 中国科学院中国散裂中子源（CSNS）
HANARO反应堆上中子散射谱仪布局图
中子散射的重要性
H2 H2
H
H
Fe Nb
H H
Fe
Modification of the exchange coupling via hydrogen absorption
2800 2400 2000 1600 1200
800 400
0
8
+ Observed Nuclear Magnetic
12
16
20
24
28
32
国外中子源现状
反应堆中子源约50座（其中欧洲26座，美洲8座，亚太地区16座），如法国Grenoble的HFR堆、 Saclay的ORPHEE堆、美国Oak Ridge的HFIR堆、俄罗斯Dubna的IBR-2堆、日本JRR-3M堆、澳大利 亚ANSTO的OPAL堆、韩国KAERI的HANARO堆等；一些散裂中子源，如美国Argonne的IPNS源、Los Alamos的LANSCE源、英国Rutherford实验室ISIS源、日本KEK的J-PARC源、欧洲ESS源等。
中子衍射技术及应用
报告人： 夏元华 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所
2019.07 绵阳
报告目录
1
中子散射原理及特点
2
中子衍射原理及技术
3
CMRR中子衍射谱仪
4
中子衍射技术应用实例
报告目录
1
中子散射原理及特点
2
中子衍射原理及技术
3
CMRR中子衍射谱仪
4
பைடு நூலகம்
中子衍射技术应用实例
中子散射
。
C.G.Shull，美国物理学家，中子晶 体学和中子磁性散射的奠基者、开拓 者。获1994年诺贝尔物理奖—“帮助 解答了原子在哪里的问题”。
36
40
2 theta (deg)
Log. Neutron Reflectivity (a.u.) Intensity at Antiferromagnetic Peak (a.u.)
Counts
[26 ? Fe / X ? Nb] x n
8.0 ? Nb 15.1 ? Nb 18.4 ? Nb
24.0 ? Nb
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
q (? -1)
[2.6 nmFe / 1.5 nmNb]x18
Fe Fe
Fe
Hydrogen
Fe
charging
Fe
Fe
Hydrogen
Outgasing
Fe
Fe
10-5 100
101
102
103
p (mbar) H2
中子是研究材料中磁结构和磁涨落的特有工具
利用中子散射对飞机涡轮机和石油管道进行应力及微裂纹分析
中子散射的特点—核散射
核散射—对轻元素灵敏，可以分辨邻近元素和同位素
中子与原子核作用，散射截面随Z无规则变化。（X光子与核外电子作用，灵敏度∝Z2） H、C、N、O，生命物质；氢键；储氢材料。 Mn、Fe、Co合金；超离子导体β-氧化铝，测定其中Mg和Al的位置。 16O和18O；H-D标记分辨（生物、医学）。
氢 锂 碳 氧 硫 锰锌 铯
中子与X射线散射截面比较
中子散射的特点—有磁矩
中子有磁矩，与磁性物质有较强的相互作用，形成中子特有的磁散射，是获取 磁性材料磁结构信息直接有效的方法，在磁结构分析方面处于几乎垄断的地位。
Pd Nb Fe
...
Nb Fe Nb Fe Cr Si
Exchange coupling energy J ~ sin (2 kF tNb)
B.N.Brockhouse，加拿大物理学家，中子非 弹性散射和晶体动力学奠基人，第一台三轴 谱仪的设计者。获1994年诺贝尔物理奖— “帮助解答了原子在做什么的问题”。
中子散射基本原理
中子散射：泛指中子与物质相互作用后中子的出射效应，包括核散射与磁散射两类。 核散射：原子核对中子的散射（弹性、非弹性） 磁散射：磁性原子的磁矩与中子固有磁矩相互作用产生的散射
中子散射的特点—波长、能量适当
波长、能量适当—用于“静态”和“动态”结构测量的理想探针
用于中子散射的低能中子波长约0.1-1nm，能量约1-100meV，与凝聚态物质中原子间距和一 些元激发能相当，是一种理想的探针(波长、能量均匹配），研究静态（空间结构与位置） 和动态（能量和动量的传递与转换）特性。
k 2
Energy E k 2
2mn
Q ki k f Energy Transfer Ei E f
中子束被物质散射 后，通过测量其能 量和动量的变化来 研究物质的微观结 构和运动规律。
中子散射的特点
中子不带电荷，非破坏性，有利于生物样品的研究； 中子具有极强的穿透力，研究的是体效应，适合于极端条件下的原位观测； 中子散射是核散射，散射长度随Z不规则变化，对轻元素和序数相近元素原子敏感； 中子能量与晶格振动能量相当，可获得固体的声子谱特性； 中子具有磁矩，对磁结构和磁激发的探测有独特优势。
中子散射的特点—电中性
电中性—无库仑位垒，非破坏性，穿透能力强。 Cu Steel
Hexan.
Ti
利于加载高低温、高压及强场等极端条件设备。可对较
Teflon Mg
大的部件进非破坏性测量；探测容器内样品材料信息。
Si Al
非破坏性，有利于生物样品的研究.
0 1 2 3 4 5 6 7 cm
低温下的中子散射实验； 高压下的中子散射实验组装。