《中子衍射简介》PPT课件
【天文PPT课件】中子星科普PPT.
• 脉冲星的空间运动速度: 高速运动。
• 大多数: V ≈(200 –500)km/s ; 5个: V >1000km/s • 通常恒星(包括产生中子星的前身星): 20-50 km/s
中子星强磁场和磁星超强磁场的物理原因?
R 2 B const
B(0) 1012 Gauss
中子星的初始本底磁场: 通过超新星核心坍缩过程中，由于磁通量守恒:
高速脉冲星的直接观测证据
Guitar PSR B2224+65
由于脉冲星相对于 Guitar星云 (超音速)运动 而形成的弓形激波 V > 1000 km/sec
(Cordes, Romani and Lundgren 1993)
94颗脉冲(单)星的空间速度
• V (km/s) • • > 100 所占百分比 • • > 100 • > 300 • > 500 • > 1000 • • • 脉冲星数 71 71 36 14 5 3/4 38% 15% 5% 所占百分比 3/4V (km/s) 脉冲星数
• 质量 ≈ (0.2-2.5)M⊙
• 半径 ≈ (10-20) km
• 自转周期 P ≈ 1.4 ms – 8s (己发现的范围) 中子星大气层厚度 ≈ 10 cm • 表面磁场: 1010-1013 Gauss (绝大多数脉冲星) • 磁星: 1014-1015 Gauss • 表面温度:105-106K— 非脉冲(软)x射线热辐射 • 脉冲星同超新星遗迹成协(?) 发现10个
• (B(0)为中子星的初始本底磁场)。天文观测表明:（除AP星以外) 上半主序星表面磁场低于太阳型恒星的表面磁场 (它由光球下面 有表层对流区),低于1-10 gauss。通过坍缩难以获得通常中子星 (1011-1013) gauss的磁场强度与磁星(1014-1015) gauss的磁场强度。
中子衍射谱仪的原理和应用
中子衍射谱仪的原理和应用1. 概述中子衍射谱仪是一种用于研究材料结构的仪器。
它利用中子的波动性和衍射现象，通过分析衍射图案来了解材料的晶体结构、局部有序性以及相互作用等信息。
本文将介绍中子衍射谱仪的基本原理以及其在材料科学、物理学以及生命科学等领域的应用。
2. 中子衍射谱仪的原理中子衍射谱仪的核心原理是布拉格衍射。
当入射中子束射到晶体表面时，由于晶格的周期性结构，中子束会发生衍射现象。
衍射角度和入射角度之间满足布拉格方程：nλ = 2d sinθ，其中n为衍射阶数，λ为中子波长，d为晶格间距，θ为衍射角。
中子衍射谱仪通常采用洛仑兹衍射几何。
它可以通过旋转晶体、调节入射中子束的角度和晶体的内部结构来控制衍射图案的特征。
通过测量衍射角度和衍射强度，可以得到材料的结构信息。
3. 中子衍射谱仪的应用3.1 材料科学中子衍射谱仪在材料科学领域中有着广泛的应用。
它可以用于研究晶体结构、相变行为、晶体缺陷以及材料的磁性等。
通过分析衍射图案可以确定晶体的晶胞参数和晶格对称性。
此外，中子衍射谱仪还可以用于研究材料的微观形变、应力分布以及材料的热胀缩行为。
3.2 物理学研究除了材料科学领域，中子衍射谱仪在物理学研究中也发挥着重要作用。
例如，在粒子物理学中，中子衍射谱仪可以用于研究元素的核结构、研究中子之间的相互作用等。
此外，中子衍射谱仪还可以用于研究凝聚态物理学中的许多现象，如低温物理学中的超导性和磁性材料中的自旋排列等。
3.3 生命科学在生命科学领域，中子衍射谱仪可以用于研究生物大分子的结构和动力学行为。
它可以通过衍射图案的解析来确定生物大分子的原子排列和水合状态。
这对于理解生物大分子的功能以及药物设计具有重要意义。
4. 总结中子衍射谱仪是一种重要的研究工具，可以用于研究材料结构、物理学和生命科学等领域。
通过衍射图案的解析，可以获得材料的晶胞参数、晶体结构以及物质的相互作用等信息。
中子衍射谱仪在材料科学、物理学和生命科学等领域的应用具有广泛的前景，并为相关研究提供了重要的数据支持。
《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。
中子的发现过程ppt课件
中子概念的提出
但是，自从这次演讲之后，卢瑟福再也没有继续对于 这一想法进行阐述。
卢瑟福认为中子是质子和电子的复合体，并非是一个 单独的粒子，这将导致很多的问题。
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寻找中子的早期实验
1920年贝克里安演讲演讲之后，卢瑟福曾请格拉森（J.L.Glasson） 在氢气中放电时寻找中子，不久又请罗伯兹（J.K.Roberts）也做 了类似的实验。
首先, 有了关于原子结构的新概念。
第二, 人们对原子量与原子序数的关系, 以及原子核的 自旋、 稳定性等原子核的特性问题, 有了新的认识。
第三, 人类对于中子的研究和应用推动了核物理的飞速 发展, 开创了新的时代。
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感谢感谢杨建邺老师的著作以及百科的大力支持15谢谢大家！
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1923年查德威克在得到卢瑟福的赞同后，用游离室和点计数器作 为检测手段,尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射。
1928年起，玻特和他的学生贝克尔（H.Becker）用钋（po）发 射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发 射穿透能力极强的中性射线，强度比其它元素所得要大过十倍。 用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬。 1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿 辐射是一种特殊的γ射线。
——汤姆逊枣糕式无核模型
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背景
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中子概念的提出
卢瑟福提出了原子结构的行星式有核模型，并且指出 原子可能是“பைடு நூலகம்正电的氢原子”（1920年正式取名质 子）和电子组成。
但是，如果仅有质子和电子，质量数并不守恒。
1920年，卢瑟福在一次著名的演讲中——皇家学会贝 克里安演讲（Bakerian Lecture）中，首次提到中子存 在的可能。
《中子衍射简介》课件
中子衍射是一项重要的材料研究技术。它利用中子的波动性和与物质相互作 用的特性，揭示了物质的内部结构和性质。
什么是中子衍射
中子衍射是通过探测中子的散射行为，来研究物质的结晶结构和分子结构。它可以提供高分辨率的结构信息， 对材料研究具有重要价值。
中子衍射的基本原理
中子衍射源
产生高能中子束的装置，如核反应堆或加速器。
中子衍射的精度和分辨率
中子衍射具有较高的精度和分辨率，可以揭示物质的微观结构和性质。随着 技术的发展，中子衍射的验可以研究材料在高温条件下的结构和性能变化，对高温材 料的研究和应用提供重要支持。
中子衍射在半导体研究中的应 用
中子衍射技术可以用于研究半导体材料中的晶格缺陷、杂质分布等问题，为 半导体的研究和应用提供重要参考。
产生能量较高的中子，适用于研究原子核、核材 料等。
中子衍射实验装置的组成
• 入射系统：将中子束引导到样品。 • 样品环境：为样品提供适宜的环境条件。 • 衍射仪：用于测量中子的散射角度和强度。 • 探测器：将中子散射转化为电信号。
标准中子衍射实验的步骤
1
样品制备
准备符合实验要求的样品。
散射实验
2
样品
需要研究的物质样品，通常为结晶或粉末样品。
衍射仪器
用来测量中子衍射图样的装置，如衍射仪。
数据分析
通过对衍射图样的分析，得到物质的结晶结构 信息。
中子衍射与X射线衍射的区别
中子衍射相比于X射线衍射具有独特的优势，如对轻元素更敏感、更适用于研究磁性材料等。同时，中子和X 射线的相互作用方式也不同，为不同类型的研究提供了多种选择。
中子衍射在物质研究中的应用
1
结晶学
研究晶体的结构信息，揭示材料的性质。
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
中子衍射技术在材料科学中的应用
中子衍射技术在材料科学中的应用中子衍射技术是一种基于物质与中子之间的相互作用，在材料科学中广泛应用的方法。
它可以探测材料中原子的位置、晶体结构、磁性等信息，是研究材料性能、制造高性能材料的重要手段。
本文将从中子衍射的基本原理、应用领域和技术进展三个方面，介绍中子衍射技术在材料科学中的应用。
一、中子衍射的基本原理中子衍射是指通过中子在晶体中的衍射现象来探测晶体的结构信息。
中子具有中性、质量较重、波长较短等特点，与物质直接相互作用，可以穿透元素吸收率大的物质（如铁、铅等），与元素的原子核、电子发生作用。
当中子穿过晶体时，会发生衍射作用，从而形成衍射图案，而衍射图案中的强弱和位置与晶体的原子位置、晶体结构等性质密切相关。
二、中子衍射的应用领域1.材料结构：中子衍射技术可以确定材料的晶体结构，以及晶体中原子的位置和排布等信息，对于优化材料性能和改进材料制造工艺具有重要意义。
2.材料动力学：中子衍射技术可以通过探测晶体内的原子运动情况，研究材料的力学性质、磁性、电性和热传导性等基本性质。
3.新材料研发：中子衍射技术可以帮助开发新的材料，为合成和制造新材料提供必要的信息和依据。
4.生命科学：中子衍射技术可以应用于生物大分子的结构分析，有助于研究生命科学问题和开发新药。
5.环境科学：中子衍射技术可以应用于环境污染监测和处理，研究材料表面和界面反应等。
三、中子衍射技术的进展1.同步辐射中子衍射技术：同步辐射中子衍射技术是一种新兴的中子衍射技术，它通过同步辐射源产生的中子束来进行材料表面的非破坏性探测，具有高分辨率、高灵敏度的特点，可以广泛应用于材料科学领域。
2.非弹性中子散射技术：非弹性中子散射技术是另一种应用于材料科学领域的先进技术，它可以通过探测弹性散射与非弹性散射衍射图案的差异，获得更加准确、丰富的材料信息。
3.离子-中子反冲法：离子-中子反冲法（IBAD）是一种补充中子衍射技术的方法，可将离子束轰击晶体表面，使表面原子重新排布为有序结构，然后利用中子束来测量晶体的结构信息。
《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。
X射线衍射图谱分析——介绍 ppt课件
六、X射线衍射仪组成：
带有稳压稳流装置的X射线发生器 精密的测角仪系统
控制及数据处理系统
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（利用单色器得到特征X射线）
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七、数据分析方法
X射线物相分析 晶胞参数的确定 晶粒尺寸的计算 结晶度的测量 晶粒取向测定 ……
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X射线物相分析
① 粉末衍射图谱的获得 ② d 值的测量： 2θ →d 2dsinθ=nλ ③ 相对强度的测量
各衍射线的峰高比——最强线为100 ④ 查阅索引 ⑤ 核对卡片
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1、晶体不同晶面“反射”衍射强度不同,测得的衍射线强度是一组晶 面（hkl）反射的X射线总量，即积分强度。
2、入射X射线不是严格平行而是有一定散度的光束，晶体也非严整的 格子，一组晶面反射的X射线是在θ附近一个小的角度范围内
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二、晶胞参数测定方法
• 间接方法；直接测量某一衍射线的θ 角，然后通 过晶面间距公式、布拉格公式计算出晶格常数。
• 以立方晶体为例，其晶面间距公式为：
•
a d H 2 K 2 L2
• 根据布拉格3 方程2dsinθ =λ，则有：
•
H 2 K 2 L2
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1 横坐标：衍射角2θ 单位 °
2 纵坐标：强度标值 I 单位cps(记数/秒)
3 峰顶标值：网面间距d 单位埃
4 基线：BL
5 衍射强度：去背景后的峰高h 单位cps
可用相对强度 峰值最大为100
6 半高宽：峰高的1/2宽度（表示某些晶体的
结晶度）单位 °
x射线衍射、电子衍射、中子衍射
物质结构的解析，准确说是晶体的结构解析，不可避免需要使用X射线衍射(XRD),中子衍射或电子衍射三种技术当中的一种。
三者各有优缺点，面对具体问题，一般只有一种技术是最有说服力的最佳选择，但是具体什么样的问题使用哪一种技术最有说服力？很多结构分析的朋友认识的不透彻，我经常看见有些人使用不是很有说服力的技术去尝试解决实际问题而闹出笑话而自己不自知：比如声称使用XRD精确确定氧、炭或氢的原子位置；比如认为中子衍射得到的晶格常数最可信；又比如以为选区电子衍射(TEM-SAD)的标定能精确得到晶格常数信息，等等。
所以这里笔者在这里抛砖引玉式的尝试探讨：哪一种衍射技术对于什么样的解结构问题最有说服力？为什么？在对这些问题展开讨论之后，小结在最后将会被给出。
希望大家在我的话题后面踊跃发表不同观点，如果我有什么疏漏、错误之处，还望不吝指教，笔者这里先多谢了！首先来谈谈X-射线、中子、和电子衍射的源-- X-ray,中子和电子的同和异。
最为突出的相同点，搞晶体结构分析的人都非常清楚，即他们都具有波动性，满足基本的波动规律--布拉格公式(Bragg Law)：2d*sinθ=nλ(n是自然数)。
前面已经明确本文的动机，所以这里着重分析它们的差异。
i)表观上的差异，X-ray是光子(电磁波)、不带电没有磁性，电子带负电，中子不带电、质量较大而且具有磁性，这些是显而易见的常识，不多说。
ii)本质上的差异，参考图1所示：X射线是电磁波，没有静止质量，均匀介质中速度不变，波动行为在时空上的dispersion呈现简单的线性关系；而电子、中子是物质波，具有质量，均匀介质中运动速度可以变化，时空上的dispersion呈现平方项。
正是这样的本质差别导致波长(动量)与频率(能量)之间的关系在电磁波(这里是X-ray)和物质波(这里是电子、中子)之间的截然不同。
当然，物质波在运动速度接近光速的时候其dispersion会发生本质的转变，转变点如图1所示，不过这样的情况在实际的结构分析中碰不到，所以不用担心电子/中子在和光子的dispersion完全一致时的异常，反正迄今还没有见过这样的实验。
电子衍射和中子衍射110315
众所周知，电子的波长可以用改变其速度的办法 来调节。当电子波长和晶体 dhkl 相当时，这样的电子 流照射晶体时也能发生衍射，所得的图像和 X 光衍射 是十分相似的。和 X 光衍射相比，电子衍射有如下不 同之处：
1）由于晶体强烈吸收电子波，它只能深 入到 20～25 个平面点阵，这也是电子衍射多数 用于表面结构分析的原因。
与X射线衍射相似，电子衍射也遵循布拉格方程，即 波长为λ的入射电子束与间距为d的点阵面之间的夹角θ满 足布拉格方程时，就会在与入射线成2θ角的方向上产生衍 射。晶体的各组衍射面产生的衍射斑构成了有一定规律的 衍射花样。单晶试样产生的衍射图样是按一定周期规则排 布的斑点，多晶试样则产生若干半径不等但同心的衍射环， 而非晶体物质的衍射花样只有一个漫散的中心斑点。
一、电子衍射基本原理
1、德布罗意波
1924年德布罗意提出：运动的实物粒子(如电子、质子等) 都有一种波与之对应，并认为粒子的特征波长与动量(p) 之间的关系应当与光子的相同，联系这种波的关系式是:
h h
(1)
p mv
式中是物质波的波长，h是普朗克常数，p是粒子的动量， m是运动粒子的质量，v是它的速度。(1)式称为德布罗意 波的关系式。
电子衍射有许多重要应用。通常将电子衍射分 为高能电子衍射和低能电子衍射。前者所需的电压 高达几十万、甚至几百万伏，后者所需加速电压则 低于1000 V。
单晶薄片的高能电子衍射图呈点状分布，分析 衍射图，可获得晶体的对称性、晶胞大小和形状、 单晶缺陷及相变等信息。多晶样品的高能电子衍射 图是一系列同心圆，根据实验条件＆衍射图给出的 数据，利用有关公式，即可求得晶体的面间距。
• 2、将dEi与卡片上或d值表中查得的dTi比较，如吻合记下相应 的{hkl}i
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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。
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。
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。
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
E h2 / 2m2
式中，h为普朗克常量（h=6.626176×10-34J·S）
4 (b2 p2q2 )
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。
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。
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。
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
中子探测器工作原理
第十一章 中子衍射简介
11.1、中子散射原理 11.2、中子源及衍射装置 11.3、中子衍射技术在材料科学中的应用
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
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术、测C出a3其Al各2(O温4D度4)下3的的结T构OF分中析子，谱利，用再中用子Ri粉etv末el衍d方射法技精 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。
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。
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
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。
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