中子散射简介
使用散射技术进行材料颗粒形貌分析的方法介绍
使用散射技术进行材料颗粒形貌分析的方法介绍一、引言散射技术是材料科学中常用的一种方法，可以用来研究材料的微观结构和形貌。
本文将介绍使用散射技术进行材料颗粒形貌分析的方法。
二、散射技术原理散射技术基于物质与入射辐射的相互作用。
当入射辐射与物质颗粒相互作用时，会发生散射现象。
根据入射辐射的性质和散射的方式，可以获得物质颗粒的形貌信息。
散射技术主要有两种类型：弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指入射辐射与物质颗粒相互作用时，仅改变其方向和能量，不改变其内部结构。
非弹性散射则会导致能量的转移和改变物质颗粒的内部结构。
三、散射技术在颗粒形貌分析中的应用1. X射线散射(X-ray scattering)X射线散射是一种常用的散射技术，可以用来研究颗粒的形貌。
通过测量散射光线的方向和强度，可以分析物质颗粒的大小、形状以及分布情况。
2. 中子散射(Neutron scattering)中子散射是一种散射技术，适用于研究原子核和颗粒的内部结构。
中子散射可以通过测量散射中子的动量和能量来获得颗粒的形貌信息。
3. 光散射(Light scattering)光散射是一种常用的散射技术，适用于研究微米级颗粒的形貌。
通过测量散射光线的强度和角度分布，可以获得颗粒的大小、分布情况以及形状信息。
四、使用散射技术进行材料颗粒形貌分析的步骤1. 样品制备首先需要制备一定数量的待分析样品。
样品的制备过程需要注意避免产生多余的杂质和不均匀性，以确保分析结果的准确性。
2. 散射实验设置根据不同类型的散射技术，需要进行相应的实验设置。
例如，对于X射线散射，需要选择合适的入射X射线能量和样品-探测器的距离。
3. 数据采集与处理在实验过程中，需要收集散射光线的强度和角度分布数据。
然后，将收集到的数据进行处理和分析，可以利用散射理论和相关软件对数据进行拟合和解析，得到颗粒的形貌信息。
4. 结果验证与解释最后，通过对分析结果进行验证和解释，可以判断样品中颗粒的形貌特征。
中子散射
中子特性—适合的能量范围
波长 X射线 中子 (nm) (eV) (meV) 0.1 12400 82
1 1240 0.82 10 124 0.0082
热中子能量与物质中许多动态过程的激发能量相当
多学科应用平台─散裂中子源
CSNS
2
CSNS
多学科应用平台─散裂中子源
CSNS
多学科应用平台─散裂中子源
3
中子特性—电中性
Charge = 0
CSNS
与物质相互作用时，中子几乎不受原子核外电子的影响，被散射 的可能性主要取决于原子核的性质。这些带来四个优势：
• 中子对轻元素敏感，并可区分同位素。 • 中子的穿透能力较强。研究的是体效应，更容易接近研究 对象的本质；易于开展极端条件下物质结构和动态的研究。 • 中子散射结果可在量子力学一级微扰的框架内得到合理的 解释，便于与分子（晶格）动力学的数值模拟比较。 • 中子对物质的破坏很小，更有利于研究生物活性体系。
CSNS
Al2(PO3CH3)3 (甲基沸石)的结构 红，白色部分分别是X射线，中子散射的结构分析结果
多学科应用平台─散裂中子源
中子探针特性—可区分同位素
We can predict a model for the toxin...
…locate important molecular regions…
Hydrogen contrast method:
Coherent scattering length: bH = -3.742 bD = 6.674
Possible to control the total scattering length of a cluster to
zero
中子散射技术简介
中子与电子的相互作用
磁矩：-1.913 µN ; 自旋： ½ • 与固体中未成对的电子自旋相互作用
• 散射长度与原子核散射长度接近
• 可极化，从而确切判断信号是否来源于磁
TbAgGe
4K 50 K
1000
Counts (arb. unit)
100
0
10
20
30
40
50
60
2θ
中子散射是探测自旋结构和自旋动力学的独特手段
探测器 1994年诺贝尔奖
三轴谱仪
IN8 @ ILL
三轴谱仪
IN22 @ ILL
三轴谱仪
播放三轴谱仪视频
三轴谱仪
一个点一个点的测量 IN22 @ ILL
三轴谱仪
Flatcone@ILL
三轴谱仪
analyser table with 11 single analysers
analyser shielding entrance
detector unit with 11 single detectors
探测器
中子源
样品
重混凝土
屏蔽：中 子和γ
配方：混 凝土、钢、 硼化物等
重量：几 吨至几十 吨
含硼聚乙烯、碳化硼
生物屏蔽墙
其他屏蔽
• 含硼橡胶 易剪切
• 镉板 易剪切
• Gd2O3稀释液 涂抹用
晶体单色器——布拉格散射
Flux
Flux
E
布拉格定律
E
nλ = 2dsinθ
材料： • 热解石墨 （信号强，容易调整，有高阶中子） • 铜 （适合高能 ) • 锗 或 硅 （无高阶中子，信号弱） • heusler合金 （极化中子）
(完整版)中子散射简介
15 – Spin Echo
14B - Hybrid Spectrometer – DOE Funded (SING) – Commission 2011
13 - Fundamental Phy Commission TBD
12 - Single Crystal Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2009
10
中子散射的重要性及国际现状
11
中子散射的重要性及国际现状
2 - Backscattering Spectrometer – SNS Funded – Commission 2006
3 - High Pressure Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2007
11A - Powder Diffractometer – SNS Funded – Commission 2007
12
什么是中子散射?
一束中子被样品散射后，通过测量其能 量和动量的变化来研究在原子、分子尺 度上各种物质的结构和微观运动规律。
在 欧 、 美 等 国 每 年 还 举 办 夏 日 学 校 (summer school)、工作短训班(training course)和研讨会 (workshop), 日本和印尼每年联合举办亚太地区研 究堆利用研讨会，中子散射是其中一项主要内容。 其目的都在于交换信息和培训人才。中子散射有自 己的专业杂志，中子散射的研究成果遍及物理、化 学、生物及材料等各种专业杂志。
3
中子散射的重要性及国际现状
中子散射技术自20世纪50年代奠基以来，一直受到极大 的重视并得到迅速发展。目前，它已广泛用于生物、医 药、物理、化学、高分子、冶金、材料和地矿等各种学 科及工业应用中。如在生命科学中，中子小角散射用来 研究分子尺寸大小、生物膜的结构、核糖体的形状、甚 至流行性感冒病毒的内在结构。化学家用中子散射检验 聚合物链重叠的程度、液晶的结构和行为、分子在自由 表面和液体与固体界面的位置和取向等。物理学家和冶 金学家用中子散射研究凝聚态物理和新型材料等活跃的 基础和应用学科。
中子散射技术简介
中子过滤器—PG过滤器
热解石墨(Pyrolytic Graphite)过滤器
极化中子
中子带有1/2自旋⇒sz的本征值是±1/2ħ 极化中子：所有中子束中中子处于其中一个本征值
定义算符σ = 2s/ħ
对于束流中第j个中子，定义如下矢量
中子的极化
对于α方向的极化，定义 其中n+是+1/2本征态的中子数 因此 0 ≤ |P| ≤ 1
– ~10-15 m << 热中子波长=>“点”相互作用 – 仅存在s波分量，各项同性=>散射可以用一个
参量表示：散射长度b (~ 10-14 m)
散射截面为4πb2
中子 => 足球 门柱 => 原子
两个门柱之间距离将大 于 10,000 m
中子与原子核相互作用
• X射线散射截面随原 子序数增加而增加 • 中子散射截面无规律 • 研究较轻元素时（H、 O、C）更好的选择 • 同位素散射截面不同
guides for detector shielding
+11° +15°PSD detector
16°
0°
Cd guides
-37°
position for the slit system
-90°
analyser crystals
--- schematic drawing of the rays
通量 n/(cm2·s) １.２ × 1015
８ × l014
８ × l014
中国的中子源——中国散裂源
2017.2
中子的慢化
水或重水： ~300 K ⇒ Thermal neutrons
液氢：
中子散射技术
中子散射技术中子散射技术是一种重要的实验方法，广泛应用于材料科学、物理学、化学等领域。
本文将介绍中子散射技术的基本原理、应用和未来发展。
一、基本原理中子散射是一种有力的实验方法，其基本原理是通过用中子轰击样品，利用中子和样品原子之间的相互作用，获取样品结构和性质的信息。
中子是由原子核组成的，具有质量和电荷中性。
由于中子不带电荷，与样品原子的相互作用不受库仑力的干扰，可以直接探测样品内部的结构和性质。
中子散射技术主要包括弹性散射和非弹性散射两种。
弹性散射是指发射中子和散射后的中子具有相同的能量，只改变了方向和动量。
通过分析散射后中子的方向和能量变化，可以得到样品的晶格结构、原子间距离等信息。
非弹性散射是指发射中子和散射后的中子具有不同的能量，中子与样品发生了能量交换。
通过分析散射后中子的能量变化，可以得到样品的元激发、声子谱等信息。
二、应用领域中子散射技术在材料科学、物理学和化学等领域有广泛的应用。
在材料科学中，中子散射技术可以用来研究材料的结构、动力学行为和磁性等性质。
例如，可以通过中子散射技术了解材料的晶格结构、晶格动力学、位错行为等，从而为新材料的设计和合成提供重要的依据。
在物理学中，中子散射技术可以用来研究凝聚态物理的基本问题。
例如，可以通过中子散射技术研究液体的结构、相变机制、超导性和磁性等现象，从而揭示物质的微观性质和相互作用。
在化学领域，中子散射技术可以用来研究化学反应的动力学和机制。
例如，可以通过中子散射技术研究催化剂的活性中心、反应物的吸附和解离过程等，从而提高化学反应的效率和选择性。
此外，中子散射技术还可以应用于生物学、环境科学和地质学等领域。
例如，可以通过中子散射技术研究生物大分子的结构和功能关系，从而为药物设计和疾病治疗提供重要的依据。
三、未来发展中子散射技术在科学研究和工业应用中具有广阔的前景和巨大的潜力。
首先，随着中子源技术的进步，中子束流的强度和亮度将进一步提高。
这将使得中子散射实验的灵敏度和分辨率大幅度提升，从而可以研究更复杂、更细微的材料和系统。
《核反应堆物理分析》名词解释及重要概念整理
第一章—核反应堆的核物理基础直接相互作用：入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使其从核里发射出来，而中子却留在了靶核内的核反应。
中子的散射：散射是使中于慢化(即使中子的动能减小)的主要核反应过程。
非弹性散射：中子首先被靶核吸收而形成处于激发态的复合核，然后靶核通过放出中子并发射γ射线而返回基态。
弹性散射：分为共振弹性散射和势散射。
微观截面：一个中子和一个靶核发生反应的几率。
宏观截面：一个中子和单位体积靶核发生反应的几率。
平均自由程：中子在介质中运动时，与原子核连续两次相互作用之间穿行的平均距离叫作平均自由程。
核反应率：每秒每单位体积内的中子与介质原子核发生作用的总次数(统计平均值)。
中子通量密度：某点处中子密度与相应的中子速度的乘积，表示单位体积内所有中子在单位时间内穿行距离的总和。
多普勒效应：由于靶核的热运动随温度的增加而增加，所以这时共振峰的宽度将随着温度的上升而增加，同时峰值也逐渐减小，这种现象称为多普勒效应或多普勒展宽。
瞬发中子和缓发中子：裂变中，99％以上的中子是在裂变的瞬间(约10-14s)发射出来的，把这些中子叫瞬发中子；裂变中子中，还有小于1％的中子是在裂变碎片衰变过程中发射出来的，把这些中子叫缓发中子。
第二章—中子慢化和慢化能谱慢化时间：裂变中子能量由裂变能慢化到热能所需要的平均时间。
扩散时间：无限介质内热中子在自产生至被俘获以前所经过的平均时间。
平均寿命：在反应堆动力学计算中往往需要用到快中子自裂变产生到慢化成为热中子，直至最后被俘获的平均时间，称为中子的平均寿命。
慢化密度：在r处每秒每单位体积内慢化到能量E以下的中子数。
分界能或缝合能：通常把某个分界能量E c以下的中子称为热中子，E c称为分界能或缝合能。
第三章—中子扩散理论中子角密度：在r处单位体积内和能量为E的单位能量间隔内，运动方向为 的单位立体角内的中子数目。
慢化长度：中子从慢化成为热中子处到被吸收为止在介质中运动所穿行的直线距离。
【中子散射】SANS谱仪及原理
SANS数据处理过程
探测器修正：本底修正后的 数据除以探测器效率修正文 件，即可对探测器各像素单 元完成相对探测效率修正
绝对散射强度校准：常用的 方法有两种，一是标准样品 法，二是直穿束法，
I(q)-q 曲线
数据解析，长征才刚刚开始
SANS曲线上提供的信息
SAS的典型探测尺度
谱仪组成-导管
谱仪组成-探测器
中子是电中性的，不能直接探测。中子与3He反应生成质子 (573KeV)和氚核(191KeV)。质子和氚核向相反的方向发射 ，并使工作气体电离。通过探测质子和氚核电离的重心就可 以得到入射中子的位置。
n+3He→p+3H+764keV
（ISIS Solution 2014 ）
中子小角散射谱仪及原理 Small Angle Neutron Scattering
内容提要
1 CMRR中子科学平台简介 2 中子小角散射原理及谱仪 3 CMRR小角散射谱仪概况
内容提要
1 CMRR中子科学平台简介 2 中子小角散射原理及谱仪 3 CMRR小角散射谱仪概况
绵阳研究堆
China Mianyang Research Reactor
SANS-Sunani谱仪介绍文章
SANS-Sunani谱仪最新参数指标
Neutron flux at the sample position as a function of wavelength
Since 2017
L. Chen et al., 2018_JINST_13_P08025
SANS-Sunani谱仪最新参数指标
Dong Liu*. Polymer 120 (2017) 155-163
中子散射 催化
中子散射催化
中子散射在催化研究中有重要应用，主要涉及以下几个方面：1.物质静态结构和微观动力学性质的研究：中子散射方法具有不带
电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等特点，可以从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性，了解催化剂的结构动力学/演变和相关的表面化学，有助于建立结构-催化关系。
2.中子振动光谱的应用：中子振动光谱是多相催化研究中最常用的
中子散射方法，能够提供关于表面/本体物质和反应化学的化学信息。
3.中子衍射和准弹性中子散射：这些方法可以提供关于催化剂结构
和表面物种动力学的重要信息。
4.小角度中子散射和中子成像：这些技术可以用于研究催化剂的微
观结构和动态行为，对于理解催化反应机理和提高催化剂性能具有重要意义。
总之，中子散射在催化研究中具有广泛的应用，对于深入理解催化反应的微观机制和优化催化剂性能具有重要的科学意义。
如需更多信息，建议咨询相关专家或查阅相关文献资料。
中子散射在基础科学研究中的应用
中子散射在基础科学研究中的应用在探索自然奥秘的征程中，科学家们不断运用各种先进的技术和方法，其中中子散射技术成为了基础科学研究领域中的一把锐利武器。
中子散射，这个听起来有些陌生的名词，却在材料科学、物理学、化学、生物学等众多领域发挥着至关重要的作用。
要理解中子散射，首先得知道中子是什么。
中子是构成原子核的基本粒子之一，它呈电中性，质量略大于质子。
正是由于中子的这些特性，使得它在与物质相互作用时能够提供独特的信息。
在材料科学中，中子散射技术被广泛用于研究材料的微观结构和动态特性。
比如，对于晶体材料，通过中子散射可以精确地确定晶体的晶格结构、原子占位以及原子的热振动等信息。
这对于研发新型高性能材料，如高温超导材料、高强度合金等具有重要意义。
以高温超导材料为例，其超导机制一直是物理学界的一个难题。
利用中子散射技术，科学家能够观测到材料中磁性与超导性之间的相互作用，为揭示高温超导的奥秘提供了关键线索。
在物理学中，中子散射对于理解凝聚态物理中的各种现象也功不可没。
例如，在研究磁性材料时，中子可以直接与材料中的磁矩相互作用，从而揭示磁有序、自旋波等微观磁现象。
想象一下，我们把磁性材料中的原子看作一个个小磁针，中子就像一个敏锐的“观察者”，能够捕捉到这些小磁针的排列和运动方式。
通过对中子散射数据的分析，我们可以了解到材料的磁性来源、磁畴结构以及磁相变等重要物理过程。
化学领域同样离不开中子散射技术。
在化学反应过程中，原子和分子的运动和结构变化对于反应的速率和选择性有着决定性的影响。
中子散射能够帮助化学家们深入了解化学反应的微观机制。
比如，在催化反应中，催化剂的表面结构和吸附分子的行为是决定催化效果的关键因素。
中子散射可以提供有关催化剂表面原子排列、吸附分子的构型以及反应过程中化学键的变化等详细信息，为设计更高效的催化剂提供理论依据。
在生物学领域，中子散射也展现出了巨大的潜力。
生物大分子，如蛋白质、核酸等，其结构和功能的关系一直是生物学研究的核心问题之一。
中子散射法材料科学研究及应用
中子散射法材料科学研究及应用材料科学是一门广泛的学科，它涵盖了从材料的制备到性质及应用的各个领域，这也是一门非常重要的学科，它对人类的现代生活有着非常深远的影响。
在材料科学的研究过程中，探究材料的结构、性能和行为是非常重要的，而中子散射法就是一种非常重要的方法。
中子散射法是在物理学和材料科学领域中广泛应用的一种重要方法。
与其他测量方法不同，中子散射法可以揭示材料内部微观结构，从而了解材料的性质和行为。
目前，中子散射法已经成为研究材料科学中各种问题的一个重要工具。
中子散射是由中子与物质中原子核或电子相互作用产生的散射现象。
中子散射理论研究可用于分析物质结构和相互作用原理，而中子散射实验可用于检验理论推导的结果。
在材料科学领域中，中子散射实验可通过散射中子来探测材料内部结构的变化，从而研究材料的性质和行为。
中子散射技术在材料科学领域中有着广泛的应用。
例如，中子散射法可用于研究液体、晶体、玻璃等材料的结构、动力学、热力学等方面的性质。
在不同类型的材料研究中，中子散射法具有不同的应用。
在材料科学中，中子散射法最常见的应用之一是探究材料的结构性质。
具体而言，中子散射技术可以通过研究材料的散射模式，并利用物理参数分析材料的晶体结构、分子结构等。
例如，通过研究晶体中的中子散射现象，可以得出材料晶体的晶格常数，进而得出材料的结构类型等信息。
此外，中子散射技术还可用于探究材料的磁性质。
中子散射技术常用于研究各种磁性材料的磁性行为。
通过研究材料的中子散射模式，可以了解磁矩的大小、方向等参数，进而分析磁性材料的磁性行为等性质。
除了探究材料的结构和性质外，中子散射技术还可用于探究材料的动力学行为。
中子散射技术可以研究材料的动力学过程，如液体中的粒子扩散、离子导电、玻璃转变、高分子分子运动等等。
而粒子扩散、离子导电、玻璃转变等过程在许多材料行业应用中都有重要作用。
中子散射法在材料科学领域中的应用还有许多，如研究纳米材料、功能材料、超导材料等。
第十一讲中子散射
处于能量为
En 的量 子 态 的 概 率 为
exp( E n ) ， 所 以 温 度 为
k BT
T
时，频率为ω的谐振子的平均能量
E ( )
n0
n exp( n ) k BT
exp( n )
n exp( nx )
n0
exp( nx )
n 0
k BT
n0
这里
x k BT
设中子质量为 m，慢中子，不考虑相对论效应。
入射中子： 散射中子： 产生或吸收声子：
p
k
,
p'
k '
,
q
，
E p2 2k2 2m 2m
E' p'2 2k'2 2m 2m
Ω
能量守恒：
动量守恒： 或
2k 2 2k'2
2m k
k2'mq
k k 'q
- - - (6) - - - (7)
- - - (10)
则散散射射过中程子中能子量的E动' 量转' ，移波为矢为(kk’k，' )
Q
。
散射振幅应由所有原子散射的与位于原点的原子散射的位相差之和来
定，它正比于
A
exp[i(Q • rj t)]
j
- - - (11)
把公式（10）代入：
A exp{i[Q
•
(Rj
c os (q
动量和能量范围相匹配，可测出整个波长范围内的振动谱。 （2）中子不带电荷，很易穿越样品，测到的是真实的体内信息。且
可测量复杂条件下（高温、极低温、高压）的样品。 （3）中子散射对重原子和轻原子组成的固体都适用。 缺点：中子源的设备昂贵；中子通量不易做高；对固态3He不适用。
中子散射简介
中子散射的重要性及国际现状
世界上用于中子散射的反应堆约有50座: 欧 洲有23座，美洲8座，亚太地区16座，俄罗 斯3座。散裂中子源5个。
欧洲一直处于中子散射研究的领先地位，日 本也后起直追发展很快。由丹麦、法国、德 国、瑞士、英国等国联合建造的新的欧洲散 裂源(ESS) 预计到2010年可投入运行。
25
中子与中子源
稳态源: 目前多为反中子阱型反应堆。 通常装有冷中子源 （Cold Neutron Source) 最好还装有烫中子源 (Hot Neutron Source)
脉冲源: 一种是脉冲反应堆，如俄罗斯Dubna的 26
中子与中子源
Fission
• Chain reaction • Continuous flow • 1 neutron/fission
10
中子散射的重要性及国际现状
11
中子散射的重要性及国际现状
2 - Backscattering Spectrometer – SNS Funded – Commission 2006
3 - High Pressure Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2007
中子散射简介
2005.5.17
1
内容
中子散射的重要性及国际现状 中子散射的特点 中子与中子源 中子散射的基本概念 中子散射技术的应用及典型设备 我国中子散射的现状与未来
2
中子散射的重要性及国际现状
当今人类的生活质量极大的依赖于我们对材料性能的了 解和控制, 而材料的性能最终取决于其微观结构。
1B - Disordered Mat’ls Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2010
中子散射
中子散射方法测定结构中子是在二十世纪初被发现的. 中子和质子一样是组成原子核的基本粒子. 中子的质量与质子相近, 中子不带电荷但具有磁矩, 其自旋为1/2. 早在二十世纪三十年代, 就发现中子可以被散射. 但直到二十世纪中期, 核反应堆的建立提供了稳定的强中子源, 使得中子散射研究成为可能. 二十世纪八十年代散裂脉冲中子源的出现使人们可以得到更强的中子流. 由于中子散射研究的迅速发展及其在科学上的重大贡献, 1994年诺贝尔物理奖授予了中子散射领域的两位代表人物 C.G. Shull 和B.N. Brockhouse, 以表彰他们分别在中子弹性散射和非弹性散射领域做出的卓越贡献.3.11.10.1 中子散射的特点热中子(下面一般简称为中子)的波长与一般晶胞的线度相近, 可用来测定晶体结构和磁结构. 与X射线相比, 中子具有如下特点:z X射线的散射体是核外电子, 其相干散射长度与各元素的原子序数成比例; 而中子的散射体是原子核, 其相干散射长度与各元素的原子序数无关, 且各同位素因核结构不同而具有不同的相干散射长度. 因此中子散射可以精确测定较轻原子特别是H的位置, 也可区分元素周期表上的近邻原子, 还可以识别同位素.z中子具有磁矩, 是直接探测磁结构的唯一手段.z中子具有极强的穿透力, 适于研究在各种环境条件, 如高温, 低温及高压等, 下的结构及其变化.3.11.10.2 中子结构分析的基本原理3.11.10.2.1 晶体结构分析中子晶体结构分析的原理与X射线基本相同, 区别仅在于散射体不同.晶体产生中子衍射的条件是布拉格方程2 d Sinθ = λ式中d 为晶面间距, λ 为中子波长, θ 为入射角(=反射角).在此条件下可测到晶面间距为d, 晶面指标为 (hkl ) 的晶面产生的衍射强度I hkl , 它与结构因子F hkl 的模的平方成正比I hkl = k | F hkl |2式中, k 为常数, 其中包括洛伦兹因子, 吸收因子, 消光因子等. 温度因子的影响暂不考虑.结构因子F hkl 是复数, 其相角为 αhklF hkl =| F hkl | exp(i αhkl )结构因子与晶胞内各原子的关系为:F hkl =∑=nj 1b j exp{2π i (hx j +ky j +lz j)} 式中对一个晶胞中的所有原子求和, x j ,y j ,z j 是第 j 个原子在晶胞中的分数坐标, b j 是第 j 个原子的中子相干散射长度. 与X 射线不同, 由于是核散射, 中子的相干散射长度b 是常数, 不随角度或晶面间距而变化.结构因子F hkl 是晶胞内散射长度分布, 即晶体结构, 的傅立叶变换. 此傅立叶变换的反变换为:b j =∑hkl Fhkl exp{-2π i (hx j +ky j +lz j )}此式给出了相干散射长度随晶胞内位置的变化, 即晶体结构.衍射实验给出的是衍射强度. 由此可直接得到结构因子F hkl 的模. 因此寻找F hkl 的相角就成了晶体结构分析的核心内容.对于那些完全未知的结构, 一般需要利用单晶的衍射数据. 因为单晶的衍射数据是完全独立的, 信息量大, 利用直接法(中子散射长度的差别不大, 最适用于直接法)可以通过位相关系得到部分衍射的相角. 以此为基础, 利用傅立叶变换就可以得到部分原子的位置. 利用这些原子位置又可以得到更多的相角. 反复多次就可以得到绝大多数原子的位置. 差傅立叶法可以给出其余的原子位置. 依此为模型进行最小二乘法修正就可得到精确的晶体结构. 散裂脉冲中子源上的高分辨粉末衍射仪的分辨率很高, 其数据也可用来解出较小的未知结构.对于那些基本结构已知部分结构待定的晶体结构, 中子衍射研究的对象大多属于这一范畴, 分析方法较为简单. 在一般情况下, 模型法(基于晶体结构的初步模型, 对其进行修正的方法)可以解出晶体结构.3.11.10.2.2 磁结构分析中子磁矩与原子磁矩间的相互作用导致核散射之外附加的磁散射.正是中子散射揭示了在固体的原子结构中存在磁结构的概念. 由于磁性原子的磁散射长度与原子的核散射长度可以相比, 中子衍射可以精确测定磁结构. 本文简要介绍利用非极化中子测定铁磁和反铁磁材料的磁结构的基本原理.非极化中子使得核散射与磁散射之间不相干. 因此总的散射强度等于核散射强度与磁散射强度之和.| F hkl | 2 = | F hkl cry | 2 + | F hkl mag | 2式中F hkl cry 为(晶体学)结构因子, F hkl mag 为磁结构因子.F hkl mag =∑=nj 1q j p j exp{2π i (hx j +ky j +lz j)} 式中p 为原子的磁散射长度, 其数值与该原子的磁量子数和磁形状因子在该散射角的数值成正比; q 为磁相互作用矢量, 其方向取决于原子磁矩在反射面上投影的方向, 其数值等于原子磁矩与反射面法线间的夹角的正弦.与晶体学中的结构因子不同, 磁结构因子F hkl mag 是一矢量.从实验中得到的衍射强度中减去核散射的贡献就得到了磁散射的强度. 将此磁散射强度的实验数据与根据各种磁结构模型计算出的磁散射强度相比较可以解出磁结构.铁磁体的磁晶胞与晶体学晶胞相同, 因此磁衍射峰的位置与核衍射峰的位置完全重合. 反铁磁体的磁晶胞会在某个方向上为晶体学晶胞的两倍, 因此会出现衍射指标为半整数(如1/2, 3/2, …)的磁衍射峰. 这是由于用较小的晶体学晶胞来描述较大的磁晶胞而引起的.3.11.10.2.3 小角散射小角散射是指在直射束附近的散射. 利用波长为2~30Å的长波(冷)中子可以探测不同尺度上的不均运性, 其中包括缺陷的分布, 磁畴的大小, 聚合物和生物大分子的结构等. 在下文中这些研究对象统称为颗粒.小角散射中包括衍射和折射两部分, 其比率取决于中子穿过颗粒引起的位相变化与中子穿过同样长度的真空引起的位相变化之间的差值Φ,Φ = (4π / λ) (1- n) R p式中λ为中子波长, n 为颗粒的中子折射率, R p 为颗粒的半径.当Φ>>1 时, 折射占主导地位, 散射峰的展宽只与颗粒数相关, 而与颗粒大小无关.当Φ<<1 时, 衍射占主导地位, 散射峰由两部分组成: 一部分是直接穿过的中子, 另一部分是衍射峰. 后者出现的展宽与颗粒的半径相关. 依此可以得到颗粒的大小和形状.衍射峰上每一点的强度I 与峰值强度I0的关系为I = I0 exp (-Q2 R2 / 3 )式中Q = 4π Sinθ / λR 被称为参与散射的颗粒的回旋半径.利用log I - Q2 图可以得到R2. 一个圆球的回旋半径为其半径的5/3倍.R2 定义为每个原子到通过颗粒的重心且与散射矢量平行的轴的距离的平方的散射长度加权平均值.R2 = ∑b i r i2 / ∑b i利用此公式可对颗粒大小及形状的各种模型计算出相应的R2 来与实验值进行比较, 以确定颗粒的结构.3.11.10.3 中子散射实验3.11.10.3.1 中子源(1) 反应堆中子源核反应堆能够提供稳定的热中子流来进行中子散射研究. 反应堆中可以安装冷源和烫源, 他们可以使那些通过他们的中子的波长分布发生变化. 冷源可以增加长波(冷)中子的通量, 烫源可以增加短波中子的通量.(2)散裂脉冲中子源加速器用来加速脉冲质子. 当质子达到一定的能量后, 被用来轰击重金属靶以产生脉冲中子. 经慢化器后, 脉冲中子可用来进行中子散射研究. 通过不同慢化器的脉冲中子的波长分布是不同的, 分别适用于不同的谱仪.3.11.10.3.2谱仪(1)反应堆中子源上的谱仪a.粉末衍射仪对反应堆上的粉末衍射仪而言, 在一次实验中波长λ保持不变. 因此探测器的扫描角度2θ对应于相应的晶面间距d. 当2θ远离衍射峰时, 探测到的是本底; 而2θ在衍射峰上时, 探测到的是衍射峰上一点的中子计数, 一个衍射峰上全部测点的计数之和对应于该峰的衍射强度.中子粉末衍射谱中包含了全部晶体学和磁结构的信息, 但 d 值相同或相近的衍射峰会出现不同程度的重叠, 降低了提取信息的能力. 中子粉末衍射谱能提供基本的晶体学信息, 如晶胞参数和对称性, 也能给出磁结构的基本模型, 为单晶结构分析打下基础. 在结构分析中, 一般用于基本结构已知, 部分参数待定或结构精修的研究.粉末衍射仪要求粉末样品尽可能做到各向同性, 以保证衍射峰强度比的真实性和结构的可靠性. 圆柱形样品管有利于做到这一点. 现在各结构分析程序都能对各相异性做出修正, 但只是某种程度上的近似. 对于那些特殊形状的样品, 如针状或片状, 无法做到各向同性, 只能依靠程序来修正. 样品量要求较大, 一般为几个立方厘米, 这取决于谱仪和样品种类.基本构件:z单色器用来选择所需波长的中子. 通常采用提高单晶嵌镶度的方法, 适当牺牲分辨率来提高中子通量. 近来聚焦单色器得到广泛应用.z准直器用来选择合格的中子, 提高谱仪的分辨率;z计数器用来接收中子. 为了提高计数效率, 多探头探测器(包括准直器) 得到广泛应用. 位置灵敏计数器的计数率较高, 但分辨率较低.b.单晶衍射仪单晶的优点在于可以单独测量每个衍射峰, 没有粉末衍射中的重叠现象. 单晶中子衍射中影响强度的主要因素是次级消光. 通常要求单晶的大小适中(取决于谱仪和样品种类), 线度一般为几个毫米, 且三个方向上差别不要太大. 要求单晶的嵌镶度较大. 这可以通过在液氮中急冷等方法来实现. 单晶衍射仪的特点是它的样品架可以绕几个轴旋转, 使得单晶的一些晶面分别转到特定的方位来观测其衍射峰. 例如四园衍射仪, 欧拉环可将单晶的所有晶面自动就位进行测量. 由于每个衍射峰都是单独测量的, 因此精度高, 信息量大. 可以精确测定晶体结构和磁结构. 特别适于测定未知的晶体结构.c.小角衍射仪基本构件:z冷源用于得到长波(冷)中子.z中子导管避开直射束, 截断热中子, 使冷中子无损失的传输.z机械速度选择器选出所需波长的中子.z探测器目前通用二维位置灵敏探测器.(2)散裂脉冲中子源上的谱仪飞行时间法经加速器加速到一定能量的脉冲质子轰击重金属靶可以产生脉冲中子. 每个脉冲都是由各种波长的中子组成的. 慢化器用来改变中子的波长分布, 以适应各种研究的需要. 不同波长的中子具有不同的速度, 因此不同波长的中子从慢化器出发经样品散射到计数管所用的时间不同. 这种利用测量从慢化器到计数器中子飞行的时间来得到波长的方法被称作飞行时间法. 飞行时间法的主要优点是分辨率高, 且一个脉冲中的中子基本上(除去两端的延伸部分, 特别是特短波长部分)都可以得到利用.a. 粉末衍射仪根据布拉格方程, 对于一个固定的θ角, 晶面间距d与波长λ成正比. 因此, 利用固定的探测器, 通过测量中子的飞行时间就可以得到对应于晶面间距d值的中子衍射谱. 粉末衍射仪一般装有三组固定的探测器, 每一组都由多个探测器组成以提高计数率. 背散射探测器可得到最高的分辨率, 90ο探测器适用于有环境条件的测量. 低角度探测器适于较大分子的测量. 散裂脉冲中子源上的粉末衍射仪的主要优点是高分辨率和高通量. 高分辨衍射仪需要较长的中子飞行距离, 谱仪需要安置在距中子靶站较远的地方. 目前最高的分辨率达到∆d/d=4x10-4, 且不随d 值而变化. 这样的高分辨率不但能提供更多的更高精度的结构参数, 而且能解决一些原先只有单晶才能解决的问题, 例如解出完全未知的晶体结构. 高通量衍射仪距靶站较近. 由于每一个脉冲的中子基本上都得到利用, 样品处得到较高的中子通量. 这种衍射仪可以测量较小的样品, 一些衍射仪的样品量可以小於1克. 对于较大的样品测量时间就很短, 这也使得某些实时测量成为可能.基本构件z探测器一般分为三组: 背散射, 90ο, 低角度.z斩波器用来清理本底, 整理每个脉冲和防止相邻脉冲间的重叠.z中子导管一般用于飞行距离较远的高分辨谱仪, 以减小中子的损失.b. 单晶衍射仪散裂脉冲中子源上的单晶衍射仪利用飞行时间劳埃技术, 在一次单独的测量中可以探测到三维倒易点阵的一个很大的部分. 在脉冲中子的波长范围之内, 任何方向的晶面(具有特定的d和θ值) 都会将波长λ符合布拉格方程的中子反射到特定的方向, 并被计数器记录下来. 这样就得到了与每个d值相应的衍射强度. 由于一个脉冲中的中子的波长是连续的, 被探测到的这部分三维倒易点阵中的衍射信息, 如峰的劈裂, 超点阵峰等, 将一览无遗. 这使得散裂脉冲中子源上的单晶衍射仪在涉及到纵观倒易点阵的研究, 例如相变和无公度结构等, 中起到特别重要的作用. 对于那些单晶样品的方向受到限制的结构分析测定, 这种单晶衍射仪是特别适用的.基本构件z样品台可使单晶样品转到任何方向来测量一组劳埃衍射数据.z探测器记录劳埃衍射数据.主要应用z结构测定(包括氢原子定位).z漫散射(高温导致的无序, 缺陷导致的无序, 短程有序的磁结构等. )z相变(包括对称性的变化, 超晶格反射等).z无公度结构.c.小角衍射仪与反应堆上的小角衍射仪相比, 其特点是只采用飞行时间法.3.11.10.4 数据分析结构分析一般需要专业研究人员来进行. 有关知识请见有关专著.参考文献Neutron Diffraction (Third Edition) G.E. Bacon Clarendon Press Oxford 1975。
中子散射技术在材料研究上的应用
中子散射技术在材料研究上的应用中子散射技术是一种应用于材料科学、物理、化学等领域的重要手段。
中子作为原子核的一部分，具有渗透深度大、与原子核复杂相互作用等特点，因此被广泛应用于材料研究中。
本文将从材料的结构、动力学和磁学等方面，详细介绍中子散射技术在材料研究上的应用。
一、材料的结构中子散射技术对材料结构的研究主要体现在晶体结构和非晶结构的分析两方面。
晶体结构分析中子散射技术可通过测量材料中的散射数据，对其晶体结构进行解析。
当中子穿过晶体时，会与晶体中的原子核发生相互作用，使其发生散射。
通过测量散射角度、散射强度等参数，可以计算得到晶格参数、原子位置、晶体对称性等结构信息。
这些信息可用于探究晶体的物理、化学性质，为制备材料提供基础数据。
非晶结构分析非晶态材料不具有明显的长程有序结构，因此晶体结构分析方法无法得到有效的结果。
而中子散射技术能够通过测量中子的散射数据，对其非晶态结构进行分析。
中子穿过非晶材料时，会与其中的原子核发生散射，不同于晶体的散射是满足Bragg定律的，非晶态的散射呈现出较大的角度分散性。
因此，通过测量散射角度的分布，解析非晶材料中存在的短程有序结构及其动力学行为，对于理解非晶态材料的性质有着重要的意义。
二、材料的动力学中子散射技术对材料的动力学研究主要分为两个方面：动力学过程的研究和动力学性质的分析。
动力学过程研究中子散射技术可对材料的动力学过程进行研究，如温度变化、变形及回复等过程。
中子穿过材料时，会与其中的原子核发生相互作用，产生散射。
不同动力学过程导致散射数据的变化，而中子能够不受表面效应影响，探测材料内部的热运动和物质运动，为研究材料的状态变化提供了重要的手段。
动力学性质分析中子散射技术可对材料的动力学性质进行分析。
例如，通过在不同温度下测量多晶材料的粒子动力学行为，可以深入理解其分子间相互作用，从而优化材料的制备工艺；通过测量硬质合金中存在的非晶态区域中原子的振动行为，可以研究硬质合金的弹性模量、强度等力学性能以及制备工艺的优化等。
α粒子散射实验现象
α粒子散射实验现象
中子散射实验是物理学中最重要且令人兴奋的实验之一，它揭示了原子结构和分布，由此改变了人们对原子构造的认识。
一、实验原理
中子散射实验是根据原子物理学和分子物理学的理论，将中子射入原子核，直接射在原子核的基本结构，由此产生的碰撞效应被观测到，分析这种碰撞效应，由此来研究原子核的结构。
二、实验要素
（1）实验装置：散射实验要求要求正确调节实验装置，源和细胞特别是中子源和中子检测器，要求精密，使其准确定位，能够对原子核放出中子进行有效测量。
（2）中子源：散射实验需要使用中子源，在调节中子源前，需将恰当的中子聚集起来，并使其稳定，以保证实验的准确性。
（3）中子检测器：在实验过程中，必须使用检测器，能够准确探测到中子撞击后原子核放出的各种次级粒子，进而计算出原子核大小及种类。
三、实验结果
按照实验原理和设备，我们能够得到实验结果，该实验得出的结果表明，中子碰撞中碰撞次数的增加，次级粒子的数量也会增加，从而推断出原子核的结构。
此外，实验还可以确定原子核的大小范围，同时能够对各种原子核的分布模式有更清晰的了解。
四、实验发展
随着科学技术的发展，中子散射实验也在不断进步。
现今，已经开发出能够在短时间内实施大量实验条件的实验系统，并通过自动控制技术，为实验提供了便利。
此外，通过开发高效的实验装置，也能进一步提高实验的精度，达到更小尺度结构原子核的检测。
中子散射技术在物质研究中的应用
中子散射技术在物质研究中的应用在现代科学研究的广袤领域中，中子散射技术宛如一颗璀璨的明星，为我们揭示物质世界的奥秘提供了独特而强大的工具。
它以其独特的性质和优势，在材料科学、化学、生物学、物理学等众多领域发挥着至关重要的作用。
要理解中子散射技术，首先得知道中子的一些特性。
中子是一种不带电的粒子，质量与质子相近。
这一特性使得中子在与物质相互作用时，能够穿透较厚的样品，并且对原子核的敏感度较高。
与常见的 X射线技术不同，中子能够区分不同的同位素，还能对轻元素（如氢、锂等）进行更精确的探测。
在材料科学中，中子散射技术被广泛应用于研究材料的结构和磁性。
例如，通过中子衍射，我们可以确定晶体材料的原子结构，包括原子的位置、化学键的长度和角度等。
这对于开发新型的合金材料、陶瓷材料等具有重要意义。
而且，对于磁性材料，中子散射能够直接探测到磁矩的排列和分布，帮助我们深入理解磁性的本质和磁性材料的性能。
在化学领域，中子散射有助于研究化学反应的动态过程。
化学反应往往涉及到原子和分子的重新排列，而中子散射能够实时监测这些变化。
比如，在催化反应中，中子可以揭示催化剂表面的吸附和解吸过程，帮助化学家设计更高效的催化剂。
生物学中，中子散射技术也大显身手。
生物大分子如蛋白质和核酸的结构和功能研究是生命科学的重要课题。
中子散射能够提供关于生物大分子在溶液中的结构和动态信息，弥补了传统技术的一些局限性。
例如，通过对比不同条件下蛋白质的中子散射数据，我们可以了解蛋白质的折叠和构象变化，进而揭示其功能机制。
再来说说中子散射技术在能源研究方面的应用。
在电池研究中，中子可以穿透电池的外壳，探测电极材料在充放电过程中的结构变化，为提高电池性能和开发新型电池提供依据。
在氢能源研究中，中子能够准确测量氢在储氢材料中的分布和扩散行为，推动储氢技术的发展。
然而，中子散射技术的应用并非一帆风顺。
中子源的建设和运行需要巨大的投入，包括设施的建设、中子的产生和探测设备的研发等。
物理实验技术中的散射实验方法与技巧
物理实验技术中的散射实验方法与技巧引言：物理实验技术是科学研究的基础，而散射实验在物理实验中占据了重要地位。
散射实验是通过研究物质与辐射或其他粒子之间的相互作用来了解物质的性质和结构。
它被广泛应用于材料科学、粒子物理学、核物理学等领域。
本文将介绍散射实验的基本原理、常用的散射实验方法以及一些技巧。
一、散射实验的基本原理散射实验基于散射现象的研究，散射现象是指粒子在物质中运动时与物质的原子或分子发生碰撞，使得其方向、速度等发生改变的现象。
散射实验通过测量入射粒子的入射方向、速度和出射方向、速度等参数来研究物质的性质和结构。
其基本原理可用散射截面、散射角等物理量来描述。
二、常用的散射实验方法1. 光学散射实验：光学散射实验是利用光与物质的相互作用来研究物质的方法。
常用的光学散射实验有斯托克斯散射实验和拉曼散射实验。
斯托克斯散射实验通过测量入射光的散射角和散射强度来研究物质的结构。
拉曼散射实验则通过测量光子的散射频率和散射角来研究物质的分子谱学特性。
2. X射线散射实验：X射线散射实验是利用X射线与物质的相互作用来研究物质结构的方法。
常用的X射线散射实验有衍射实验和散射衍射实验。
在衍射实验中，通过测量X射线的衍射角和衍射强度来研究物质的晶体结构。
在散射衍射实验中，通过测量X射线的散射角和散射强度来研究物质的非晶态结构。
3. 中子散射实验：中子散射实验是利用中子与物质的相互作用来研究物质结构的方法。
中子散射实验具有渗透力强、灵敏度高等特点，在材料科学和生物科学领域有广泛应用。
常用的中子散射实验有弹性散射实验和无弹性散射实验。
弹性散射实验通过测量入射中子的散射角和散射强度来研究物质的结构。
无弹性散射实验则通过测量入射中子的散射能谱来研究物质的动力学性质。
三、散射实验的技巧1. 样品制备技巧：样品制备对散射实验结果的准确性和可靠性有着重要影响。
在样品制备过程中，需尽量避免杂质的引入和样品的损伤，同时要保证样品的均匀性和稳定性。
中国散裂中子源简介
中国散裂中子源简介韦 杰一、中子散射1932年,查德威克发现了中子,人们认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。
中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。
当一束中子入射到所研究的对象上时,与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用,被散射出来,通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子、分子在哪里,原子、分子在做什么,这种研究手段就叫中子散射技术。
用于中子散射的中子,波长从几埃到几十埃、能量在毫电子伏特到电子伏特之间,分别与物质中原子分子之间的距离和相互作用能量相当。
图1 中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性,使中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。
自1936年成功进行首次中子衍射实验以来,中子散射已广泛用于物理、化学、材料、生物、地质、能源、医疗卫生和环境保护等众多研究领域。
同步辐射产生的高亮度X 射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,从而探知物质的微观信息;而中子是电中性的,它与电子云基本不发生相互作用,而主要与物质中的原子核相互作用。
因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同方面。
这种优势互补已被许多学科用来准确研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等,图1是利用中子散射观察到的含水溶解酵素蛋白和肌红蛋白的结构。
中子散射的作用既与同步辐射互补,又具有独特和不可替代性。
其先进性与优越性表现在:①具有宽泛的波长范围:从零点几埃到亚微米范围内连续可调。
是度量原子、分子和原子分子团簇间距离从埃到纳米范围内的凝聚态物质微观结构最适合的标尺;②有合适的能量覆盖:热中子的能量从微电子伏特到电子伏特,与凝聚态物质中的大部分动态过程的能量相当,适合研究物质中各种不同的相互作用和动态过程;③能精确确定轻原子的位置;④能区分同位素:原子核内中子数的变化可以极大地影响其对中子的散射。
中子散射技术
中子散射技术中子散射技术是一种非常重要的物理分析方法，它可以用于研究物质的结构、物性、动力学等方面。
中子散射技术有很多应用，例如在材料科学、生物医学、化学等领域都有广泛的应用。
本文将介绍中子散射技术的原理、仪器、应用以及未来发展方向。
一、中子散射原理中子是原子核中的一种粒子，它的电荷为零，质量为1.0087u。
中子在物质中的散射过程是由于中子与物质中的原子核相互作用所引起的。
中子散射的过程中，中子会与物质中的原子核发生相互作用，从而改变中子的运动方向和能量。
中子被散射的方向和能量的变化可以反映出物质的结构和运动情况。
中子散射主要有弹性散射和非弹性散射两种。
弹性散射是指中子与物质中的原子核碰撞后，只改变了方向和能量，而没有改变内部结构。
非弹性散射是指中子与物质中的原子核碰撞后，改变了内部结构，从而改变了中子的能量和方向。
这种散射可以用来研究物质的结构和动力学等方面。
二、中子散射仪器中子散射实验需要用到专门的仪器，包括中子源、样品台、散射探测器等。
中子源可以是核反应堆或者加速器，一般使用反应堆中子源。
样品台是用来放置样品的平台，可以旋转或者倾斜，以便于调整散射角度。
散射探测器可以分为时间探测器和空间探测器两种，时间探测器用于测量中子的时间分布，空间探测器用于测量中子的散射角度和位置。
中子散射仪器的性能决定了中子散射实验的精度和分辨率。
目前，国内外已经开发了很多种中子散射仪器，例如旋转散射仪、四面体散射仪、时间飞行散射仪等。
这些仪器可以用于不同类型的中子散射实验，例如结构分析、动力学研究、磁性研究等。
三、中子散射应用中子散射技术在材料科学、生物医学、化学等领域都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用案例。
1、材料科学中子散射技术可以用来研究材料的结构和性质。
例如，可以通过中子散射实验研究材料的晶体结构、分子结构、晶格动力学等方面。
中子散射还可以用来研究材料的磁性、超导性等特殊性质。
中子散射技术在材料科学中的应用非常广泛，可以用于研究各种材料的性质和应用。
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2005.5.17
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内容
中子散射的重要性及国际现状 中子散射的特点 中子与中子源 中子散射的基本概念 中子散射技术的应用及典型设备 我国中子散射的现状与未来
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中子散射的重要性及国际现状
当今人类的生活质量极大的依赖于我们对材料性能的了 解和控制，而材料的性能最终取决于其微观结构。 Χ—射线、光、电子、中子散射等。这些技术中的每一 种都是最适合于探测结构和动力学的某一方面，彼此互 补。 对一些技术上重要的材料如塑料、蛋白质、聚合物、纤 维、液晶、陶瓷、硬磁和超导等的微观结构以及对基础 物理如相变、量子流体和自发有序等方面的研究，中子 散射都做出了重要贡献。
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中子与中子源
稳态源：目前多为反中子阱型反应堆。
通常装有冷中子源 （Cold Neutron Source) 最好还装有烫中子源 (Hot Neutron Source)
脉冲源：
一种是脉冲反应堆，如俄罗斯Dubna的IBR－Ⅱ。 一种是加速器散裂中子源：高能质子束轰击
重金属靶产生散裂中子，然后被慢化。 26
15 – Spin Echo
14B - Hybrid Spectrometer – DOE Funded (SING) – Commission 2011
13 - Fundamental Physics Beamline – IDT Funding TBD – Commission TBD
12 - Single Crystal Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2009
11A - Powder Diffractometer – SNS Funded – Commission 2007
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什么是中子散射?
一束中子被样品散射后，通过测量其能 量和动量的变化来研究在原子、分子尺 度上各种物质的结构和微观运动规律。
即原子、分子在哪里？ 原子 planes) was first demonstrated in 1936 by Mitchel & Powers and Halban & Preiswerk as an exercise in wave mechanics
•The possibility of using the scattering of neutrons as a probe
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中子与中子源
The application of slow neutron scattering to the study of condensed matter had its birth in the work of Wollan and Shull (1948) on neutron powder diffraction.
Neutrons
2d hkl sin hkl nl
Fhkl bj exp 2i hxj / a kyj / b lz j / c
j
l l (Å)
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中子散射的特点
中子不带电荷
具有极强的穿透力，因而中子散射研究的是体 效应，更接近实际。
可以开展极端物理条件下的中子散射实验研究。
其非破坏性，更有利于生物样品的研究。
1B - Disordered Mat’ls Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2010
PROTONS
4A - Magnetism Reflectometer – SNS Funded –
Commission 2006
4B - Liquids Reflectometer – SNS Funded –
中子散射是核散射，散射长度随Z不规 则变化，允许我们去看轻元素尤其是 氢，对鉴别周期表上的近邻元素有利。
H Li C O S Mn Zr Cs X-rays
Neutrons
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中子散射的特点
散射长度随A不规则变化，可鉴别同位 素，对特定的元素能同用位素替代， 以便更仔细地给出结构和动力学信息， 如氘化。
of materials developed with the availability of copious quantities of slow neutrons from reactors after 1945. Fermi's group used Bragg scattering to measure nuclear crosssections
Drawbacks:
– licensing (cost/politics) – no time structure
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中子与中子源
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中子与中子源
•Pulsed spallation source e.g., ISIS (IPNS, KENS, LANSCE)
200 µA, 0.8 GeV, 160 kW;2x1013 n/cm2/s average flux; 8x1015 n/cm2/s peak flux
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中子散射的重要性及国际现状
德国在慕尼黑已经建成一个20MW的用于中子 散射的高通量堆FRM-II。澳大利亚、加拿大 也都在建新的反应堆。
美国已感到了自己在中子散射研究方面的落 后状态，其能源部决定提供经费在ORNL建造 新的散裂中子源(SNS)，由美国六大中子散射 研究中心合作进行，并提出了建造37台谱仪 的方案。
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中子散射的特点
中子具有磁矩，对研究微观磁结构 和磁波动，中子是理想的探针。
中子是个弱探针，对实验系统扰动 很微弱，这有助于理论解释，也常 常意味着，中子散射在许多领域提 供更为可信的结果。
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中子散射的特点
❖ 热中子散射正是充分发挥了中子所具 有的独特性，使之成为在许多科学问 题的探索上用其它技术手段无法替代 的工具。它既有广泛的应用性，又具 有基础研究的能力。
中子与中子源
Fission
• Chain reaction • Continuous flow • 1 neutron/fission
Spallation
• No chain reaction • Pulsed operation • 30 neutrons/proton
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中子与中子源
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中子中子源
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中子散射的缺点
中子源设备庞大，造价高。 强度不够，对小样品或表面的研究困难。
在样品处： 一般中子源的单色中子强度≤108/cm2·s 而同步辐射的光子强度可达≤1017/mm2·s
对特殊的元素中子无鉴别力(当散射长度b 接近时)。
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与光散射和X射线散射的比较
光散射能量转移大，动量转移小，研究的是Q0 性质，只能测S(ω), 是频率变化的分布，是粒 子的时间行为(对空间积分)。
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中子散射的重要性及国际现状
世界上用于中子散射的反应堆约有50座：欧 洲有23座，美洲8座，亚太地区16座，俄罗 斯3座。散裂中子源5个。
欧洲一直处于中子散射研究的领先地位，日 本也后起直追发展很快。由丹麦、法国、德 国、瑞士、英国等国联合建造的新的欧洲散 裂源(ESS) 预计到2010年可投入运行。
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中子散射的重要性及国际现状
中子散射技术自20世纪50年代奠基以来，一直受到极大 的重视并得到迅速发展。目前，它已广泛用于生物、医 药、物理、化学、高分子、冶金、材料和地矿等各种学 科及工业应用中。如在生命科学中，中子小角散射用来 研究分子尺寸大小、生物膜的结构、核糖体的形状、甚 至流行性感冒病毒的内在结构。化学家用中子散射检验 聚合物链重叠的程度、液晶的结构和行为、分子在自由 表面和液体与固体界面的位置和取向等。物理学家和冶 金学家用中子散射研究凝聚态物理和新型材料等活跃的 基础和应用学科。
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中子散射的特点
中子具有波、粒二重性，热中子波 长和能量与凝聚态物质中原子间距 离和一些元激发能相当。其散射强 度能定量的与样品的结构和动力学 性质相关，能研究静态结构和动态 图像。
(300K = 30 meV, 50K = 5 meV) => Inelastic Experiments
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中子散射的特点
Advantages:
–high peak flux
–advantageous time structure for many applications –accelerator based – politics simpler than reactors
–technology rapidly evolving
Commission 2006
5 - Cold Neutron Chopper Spectrometer – IDT DOE Funded – Commission 2007
6 - SANS – SNS Funded – Commission 2007
? – Chemical Spectrometer
在 欧 、 美 等 国 每 年 还 举 办 夏 日 学 校 (summer school)、工作短训班(training course)和研讨会 (workshop), 日本和印尼每年联合举办亚太地区研 究堆利用研讨会，中子散射是其中一项主要内容。 其目的都在于交换信息和培训人才。中子散射有自 己的专业杂志，中子散射的研究成果遍及物理、化 学、生物及材料等各种专业杂志。
X－射线散射能量转移太大，不能分辨ω，所测 是散射矢量的分布S(Q)，测得的是粒子的空间行 为(t＝0的瞬时图像)。
而用中子可测S(Q.ω)，测得粒子的时－空信息。 中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子 磁化强度的分布。
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中子与中子源
•The neutron was discovered in 1932 by Chadwick •Coherent neutron diffraction (Bragg scattering by crystal