第一讲中子散射与散裂中子源

第一讲中子散射与散裂中子源 散裂中子源与中子散射应用专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 3 第一讲 中子散射与散裂中子源 11 , †111 王芳卫 殷雯 张泮霖严启伟 梁天骄 22211 综傅世年 唐靖宇方守贤章张杰 ( ) 1 中国科学院物理研究所 北京 100080 ( )2 中国科学院高能物理研究所 北京 100049 摘 要中子散射是研究物质微观结构和动态的理想工具之一 ,广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学 科领域. 散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源 ,能为中子散射提供高通量的脉冲中子. 文章简明地介绍了中子散射的特点和它作为物质结构和动态探针的优越性 ,以及散裂中子源的基本原理 、发展状况和多学科的应用 优势. 我国 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 建设的散裂中子源 CSN S中 ,靶站将由多片钨靶 、铍 /铁反射体和铁 /重混凝土生物屏蔽体组成. 质子 16 2 束功率 100 kW 下 ,脉冲中子通量约为 2. 4 ×10n / cm/ s. 第一期将 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 建造高通量粉末衍射仪 、高分辨粉末衍射 仪 、小角散射仪 、多功能反射仪和直接几何非弹性散射仪等五台典型的中子散射谱仪 ,以覆盖大部分的中子散射研 究领域. 关键词中子散射 ,散裂中子源 ,靶站 ,中子谱仪 Neutron sca tter ing and spa lla tion neutron sources 11111, †YAN Q i2W ei L IAN G Tian2J iao Y IN W en ZHAN G Pan2L in WAN G Fang2W e i 22211FU Sh i2N ian TAN G J ing2Yu FAN Shou2X ian ZHAN G ZongZHAN G J ie ( )1 Institu te of Physics, C h inese A cadem y of S ciences, B eijing 100080, C h ina ( )2 Institu te of H igh Energy Physics, Ch inese A cadem y of S ciences, B eijing 100049, Ch ina Ab stra ct N eu tron scattering as a p robe of m icro scop ic struc tu re and dynam ics is a powerfu l too l fo r resea rch in a w ide variety of fie ld s, and an acce le rato r2based sp allation neu tron sou rce can supp ly h igh flux p u lses fo r neu tron sca tte ring. The charac teristic s of neu tron sca tte ring, the p rincip le and developm en t of sp allation neu tron sou rce s, and their advan tage s in m u ltid iscip linary app lication s are summ a rized. In the p ropo sed p ro jec t of the Ch inese Sp a lla tion N eu tron Sou rce the ta rget station w ill con sist of a p iece - stacked tungsten targe t, a B e / Fe 16 reflec to r and an Fe / heavy conc rete b io2p ro tec ted shelter. The p u lsed neu tron flux w ill be up to 2. 4 ×10n / 2 cm/ s under a nuclea r power of 100 kW. F ive neu tron sca tte ring in strum en ts ——— a h igh flux powde r d iffrac2tom e te r, a h igh reso lu tion powde r d iffrac tom eter, sm all angle d iffrac tom ete r, m u lti2functional reflec tom eter and d irect geom etry inelastic sp ec trom eter, w ill be con structed as the first step to cove r mo st neu tron scattering ap 2 p lica tion s. Keyword s neu tron sca tte ring, sp a lla tion neu tron sou rce, ta rget station, neu tron in strum en ts 发展. 今天人类生活质量的提高更紧密地依赖于各 1 引言 (3 中国科学院知识创新工程重要方向性项目 批准号 : KJXC2 2SW 2 () ) W 07 ,科技部国际合作重点项目 批准号 : 2002CB913903 和国 人类的文明史可以说是人类对自然资源的开发()家自然科学基金 批准号 : 10375088 资助项目 2004 - 10 - 28 收到初稿 , 2005 - 01 - 06 修回 和利用的历史 ,新兴的高性能材料的发现和相应技 通讯联系人. Em a il: fwwang@ ap hy. ip hy. ac. cn 术的广泛使用通常带来人类社会的革命性的飞跃和 † 种体积更小、效率更高 、反应更快的高性能材料. 科较低的动态特征 ; 破坏生物样品的活性等. 中子散 学研究表明 ,原子、分子和原子分子团簇等的微观结 射 ,这项新的技术可以弥补 X射线的上述缺陷.构和动态与物质的宏观性质紧密相连. 人们在探索 热中子的波长与物质中原子的间距相当 ,可以 新物质的性能特征时 ,首先要回答的就是物质的结 像 X射线一样用来探测物质的微观结构. 但是 ,与 X [ 2 ] 构问题. 物质微观结构的表征成为理解物性的基础 射线相比 ,中子具有以下明显的特点 : ( )1 中子不带电荷 ,是一中性粒子. 与物质相互 和出发点. 人们已发展了多种了解物质微观结构和动态的 作用时 ,中子几乎不受原子核外电子的影响 ,被散射 技术和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,其中最为重要的是利用 X 射线 、中子、 的可能性主要取决于原子核的性质 ,相互作用相对 光和电子等的散射技术和核磁共振、电子自旋共振 较弱. 这种相对弱的相互作用带来三个优势 :一是中 等磁共振技术. 这些技术各有特点 ,覆盖不同的物质 子的穿透能力较强 ,如对工业上常用的钢铁和铝的 () 结构和运动的空间、时间区域 ,互为补充 见图 1 . 穿透分别为 0. 7 , 6. 5 cm 左右. 因此 , 中子散射是对 中子因其电中性 、埃到亚微米范围的波长及与物质 大系综的统计结果 ,研究的是体效应 ,更容易接近研 中各种动态能量相近的能量范围等特性 ,成为研究 究对象的本质. 而且易于加载高温、高压和强场等样 物质微观结构和动态的理想工具. 半个多世纪以来 , 品环境设备 ,开展极端条件下物质结构和动态的研 中子散射技术在凝聚态物理和化学、电子器件 、化学 究. 二是中子对研究体系的扰动十分微弱 ,其散射结 催化 、蛋白质结构、微生物结构及储氢能源等众多学 果基本上可在量子力学一级微扰的框架内得到合理 [ 1 ] () 的解释 ,便于与分子 晶格 动力学的数值模拟比 科领域中 ,有着重要的应用 . 较. 三是中子对物质的破坏很小 ,更有利于研究生物 活性体系. 但是 ,物质对中子相对较弱的散射能力 , 也限制了中子散射的研究范畴 ,通常研究能获得较 大样品量的材料体系. ( )2 中子散射长度与原子序数之间没有明显的 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 关系 ,随着原子序数增加 ,中子散射长度或增或 () 减 ,或正或负 见图 2 . 相对原子序数较大的重原子 来说 ,轻原子对 X 射线的散射微不足道 , 然而对中 子的散射却相差无几. 显然 ,中子更容易精确确定轻 原子的位置. 图 1 不同微观研究手段所覆盖的时间空间 2 中子散射 人类对物质结构在原子尺度上的认识可追溯到 20 世纪初 ,德国物理学家劳厄和英国物理学家布拉 格父子以其敏锐的物理思想 ,创造性地发明了 X 射 线衍射技术 ,打开了探索微观世界的大门 ,使人们能 够测量而不是推测物质中原子的排列规律 ,如原子 间的距离和其空间位置之间的关系 ,即对称性等. 现 在大型第三代同步辐射装置能为物质结构的研究提 供超强的 X射线源 ,不仅为 X射线的物质结构研究 (拓展了空间 如样品量极少的薄膜、蛋白质单晶 ) 等 ,同时也为开展物质结构的动态研究提供了方 图 2 中子散射长度与原子序数的关系间便. 但是 ,正如其他所有有效工具一样 , X 射线本身 也有其局限性. 如 X射线衍射难于精确测定物质中 较轻原子的位置 ; X射线能量过高 ,难于研究物质中 ( ) 3 中子可以区分同位素. 同一元素的同位素 ,如原子分子的转动和振动 、蛋白质折叠等相对能量 其核外电子数完全相同 ,对 X 射线的散射也基本相 同. 但原子核内中子数的变化可以极大地影响其对 中子的散射. 最具代表性和实用性的是氢的同位素 1 () 效应 : 氕 H 的中子相干散射长度为 - 0. 374 ×. 其中子束通量由射研究领域中发挥了巨大的作用- 12 2 235 ()10 cm ,并有十分明显的非相干散射 ; 而氘 H 的 核反应的功率决定. 通常使用 U 作为核燃料 ,每次 - 12 相干长度则为 0. 667 ×10 cm , 非相干散射很弱. 核裂变产生一个有效中子 ,而释放 180M eV 的热量. 因此 ,可以在实验中进行同位素替换 ,对研究对象中 堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出 ,才能 的氢完全或部分氘化 ,从而准确确定氘原子或氘化 保证反应堆正常运行. 正是因为堆芯散热条件的限 官能团的位置和形态. 人们常称之为同位素衬度法. 制 ,反应堆中子通量在 20 世纪六七十年代就达到了 该方法有利于研究储氢材料和富含氢原子的生物、 饱和. 目前 ,全球公认通量最高的中子散射研究用堆 15 ( ) 有机材料等. 是法国的 ILL Grenob le , 通量为 ,1. 5 ×10n / 2 ( )4 核的中子散射能力与被散射中子的方向无 cm/ s. 但是 ,随着科学技术的飞速发展 ,相应的研究 关 ,没有像 X射线一样的形状因子. 因此高 Q 值的 体系如薄膜、纳米团簇 、生物大分子和蛋白质等 ,尺 中子散射强度十分明显 ,有利于研究物质中原子周 度分布更大 ,获得数量在克量级的样品更为困难. 因 围局部的细微变化 ,如高温超导等 3 d过渡族金属氧 此 ,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要 化物中的 J ahn2Te lle r效应以及非晶、液态材料中短 新一代通量更高、波段更宽的中子源. 这样 ,散裂中 程原子关联等. 子源就应运而生. 图 3 所示为中子源发展趋势. 显 ( ) 然 ,脉冲散裂中子源突破了反应堆中子源的中子通 5 中子有磁矩 ,磁性物质对它能产生磁散射 , 其散射强度与核散射强度相当. 这样中子就可以直 量的上限 ,正快速地向前发展. 接探测物质微观磁结构. 随着中子通量的增加和仪 器精度的提高 ,尤其是极化中子技术的采用 ,不仅能 测量局域磁矩的对称性 ,还可测量磁矩的空间密度 的分布. ( ) 6 中子的能量远低于相同波长的 X 射线 ,与 凝聚态物质中大部分动态过程的能量相当. 这种能 量范围适合测量晶格振动、磁相互作用、原子分子扩 (散、有机和生物大分子的微观大运动 如聚合物的 )同构相变、蛋白质折叠 等多种动态过程的激发 ,从 而更深刻地揭示物质的本质. 由于中子以上突出的特点 ,自 1936年人们成功 [ 1 ] 图 3 不同种类中子源的中子通量随年代的发展变化 地进行了首次中子衍射实验以来 ,中子散射已广泛 地应用到物理、化学、材料、生物、地质、能源、医疗卫 散裂中子源是由加速器加速到 GeV 能量的质( 生和环境保护等众多研究领域. 美国沙尔 C liffo rd 子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置. 通过原 )(G. Shu ll和加拿大布罗克豪斯 B e rtram N. B rock2 () 子的核内级联和核外级联等复杂的核反应 图 4 , )hou se教授因他们在中子散射领域内的开拓性工 每个高能质子能产生 20 —40个中子 ,每产生一个中[ 3 , 4 ] 作 ,获得 1994年度诺贝尔物理学奖. 子 释 放 的 热 量 仅 为 反 应 堆 的 约 四 分 之 一 ( ) ,45M eV . 3 散裂中子源 中子与物质的相互作用较弱 ,中子散射通常需 要高中子通量的中子源. 能提供高通量的中子源主 [ 5 ] 要有两类 : 反应堆和散裂源 . 不管反应堆还是散 裂源 ,产生的都是能量较大的快中子. 为满足中子散 射的要求 ,高能中子都需进入富含氢的介质 ,经多次 ( ) 碰撞后而减速慢化. 典型的慢化器有水 300 K、液 ( ) ( ) 态甲烷 100 K、液氢 20 K等 , 对于反应堆还有石 ( ) 墨 2000 K. 核反应堆是一种稳定连续的中子源 ,在中子散 图 4 高能质子轰击重金属原子散裂出中子的原理示意图 表 1 目前世界上已运行、在建和计划筹建的脉冲式散裂中子源 靶体材料 脉冲频率 质子能量 质子束功率 脉冲中子通量 运行时间 )( KEN S KEK,日本 W / Ta 50 H z 0. 5 GeV 3 kW 1980 ()IPN S ANL ,美国 U 60 H z 0. 5 GeV 6 kW 1981 ()LAN SCE LANL ,美国 W / Ta 60 H z 0. 8 GeV 80 kW 1985 15 2 ( )IS IS RAL ,英国 ×10/ cm/ s 8 W / Ta 50 H z 0. 8 GeV 160 kW 1985 17 2 ()SN S ORNL ,美国 ×10/ cm/ s 1 H g 60 H z 1. 0 GeV 1. 4 MW 2006 17 2 ()JSN S 日本 ×10/ cm/ s 1. 2 H g 25 H z 3. 0 GeV 1. 0 MW 2007 ()ESS 欧盟 未知 H g 50 H z 1. 0 GeV 5. 0 MW 16 2 ))((CSN S 中国 预计 2010 2. 5 ×10/ cm/ s W / Ta 25 H z 1. 6 GeV 100 kW 目前世界上运行的脉冲式散裂中子源主要有日.样品的中子散射研究提供了可能本的 KEN S,美国的 IPN S和 LAN SCE, 英国的 IS IS; 通常散裂中子源由质子加速器、产生中子的靶 在建和计划筹建的有美国的 SN S, 日本的 J SN S, 欧 站和中子散射谱仪等三部分组成. 质子加速器相对 盟的 ESS和中国的 CSN S等. 它们的主要特征指标 复杂 ,并与中子散射没有直接的联系 ,将另文介绍. 见表 1. 功率在 100 kW 以上的散裂中子源其脉冲中 下面将分别介绍产生中子的靶站和中子散射谱仪. 子通量高出反应堆的中子通量 1 —2个数量级. 目前 世界上最亮的散裂源 ———英国卢瑟福实验室的散裂 脉冲中子源 IS IS———利用直线加速器将质子加速到 7 0M eV , 接 着 用 同 步 回 旋 加 速 器 使 质 子 加 速 到 8 0 0M eV , 然后轰击钨靶 , 产生的脉冲中子通量为 15 2 8 ×10n / cm/ s. 尽管其时间平均通量低于反应堆 2 —3个数量级 ,但是对于中子散射来说 , 散裂中子 源的脉冲特性使人们可方便地采用飞行时间技术去 利用某一波段范围内的全部中子 ,而不像反应堆那 样通常只选取某一特定波长的中子 ,因此 ,中子的使 用效率可提高 1 —3个量级. 散裂中子的脉冲特性还 带来另外两个好处 : 一是由于脉冲之间没有中子产 生 ,使中子散射的本底很低 ,提高了采集信号的信噪 比 ;二是散射装置都可以固定 ,没有反应堆谱仪的复 π杂的机械转动 , 几乎可在近似 4的立体角范围内 图 5 当今世界中子散射用中子通量最高的反应安装探测器 ,进一步提高了中子的利用率. 图 5 比较 堆中子源 LIL 和散裂中子源 IS IS 的中子通量对 了当今世界公认最好的反应堆 ILL 与散裂源 IS IS中 (比. IS IS的时间平均通量低于 ILL 脉冲中子通量 [ 1 ] ) 高出 ILL 反应堆 50 余倍 ,但飞行时间技术和探 子通量 . 与热功率 58MW 的反应堆 ILL 相比 , 核 测器阵列使中子散射的中子有效利用率高出 3 () 质子束 功率 160 kW 的 IS IS 的 25 K 液氢慢化器 [ 1 ] 个量级 () 用于使快中子慢化的装置称为慢化器 时间平均 的绝对中子通量约小 3 个数量级. 但有效利用的中 子通量要高出 3个数量级. 中子散射实验时 , IS IS实 3. 1 散裂中子源靶站 际使用的有效中子通量除热中子区域略小外 ,其余 靶站是产生中子的核心装置 ,通常是由重金属 的超热中子、冷中子的有效通量都高于 ILL ,尤其是 靶、慢化器、反射体 、冷却系统和生物屏蔽体等部分 超热中子. 采用先进的靶体设计 , 我国的 CSN S 在组成 ,如图 6所示. 与质子加速器的界面是由水冷却 16 100 kW 核功率下的脉冲中子通量将可达 2. 4 ×10的高强度不锈钢构成的质子束窗. 经加速器加速的 2 [ 6 , 7 ] n / cm/ s,为 IS IS的三倍 ,并预留升级的空间 . 散 高能质子束穿过此窗进入重金属靶 ,与重金属原子 裂中子源高的有效中子通量和信噪比为毫克量级小 的原子核碰撞. 通过核内级联和核外级联等复杂的 核反应 ,重原子核散裂出包括中子在内的多种高能一致 ,且有相当大的非相干散射 ,中子与慢化工质中粒子. 图 7所示为不同靶体材料中 ,每个入射质子产 的氢原子多次碰撞后 ,能量迅速转移至慢化工质 ,自 生中子的个数与入射质子能量的关系. 每个 1. 5 身速度迅速降低. 而转移至慢化工质的能量 ,以热的 [ 5 ] GeV 高能质子能产生 20 —40个中子 . 作为产生中 方式被冷却系统带出. 子的关键部件 ,除要求其中子产额高外 ,重金属靶还 既然中子慢化是通过多次碰撞实现 ,不同能量 ()(波长 中子的脉冲形状就不尽相同. 能量越低 波 必须有良好的导热 、抗腐蚀和抗辐射损伤等性能 ,同 ) 长越长 ,需要的碰撞次数越多 ,脉冲的时间分布就 时还尽可能避免产生长半衰期同位素 ,以保证装置 越宽. 而慢化后中子的时间分布特性是决定飞行时 (稳定 、高效、长期地安全运行. 当前公认的看法 尽 间谱仪分辨率的关键因素. 因此 ,一个理想的慢化器 ) 管对具体分界还存在争议 是 : 质子束功率在 1MW 必须具有高的中子通量和窄的脉冲宽度. 事实上 ,这 以下时 ,重水冷却的固态靶比较合适 ;但当束功率超 两者是相互矛盾的 :厚的慢化器可得到高中子通量 , 但是脉冲却被大大地展宽. 设计慢化器时 ,首先必须 过 1MW 时 ,则需使用液态靶. 一般地说 , 固态靶材 考虑相应的中子散射实验所需要的分辨率 ,然后再 选用外层包裹薄钽层的钨 ,液态靶材则选用汞或铅 优化其中子通量. 要尽可能满足上述要求 ,通常还需 铋合金. ( ) 要反射体 、退耦合体 decoup le r和慢化器内低能中 ( )()子吸收体 po isone r等 见图 8 的配合. 图 6 散裂中子源靶站结构示意图 图 8 靶站内中子慢化体系示意图 反射体是能把从靶体或慢化器中逃逸出来的部 分中子再折回慢化器的装置 ,它可进一步提高样品 处的中子通量. 同时逃逸出来的高能质子和快中子 ( ) 还分别通过散裂和 n, 2 n 反应在反射体中产生中 子. 反射体一般使用 B e / Fe 复合体. 除质子束和中 子孔道外 , B e紧紧围绕核心的靶体和慢化器 ,外围 再被 Fe所包围. 它能增加近 30 %的中子通量. 当谱 仪要求高中子通量和低分辨率时 ,通常采用耦合的、 没有低能吸收的慢化器 ,如小角散射 、中子反射等. 图 7 不同重金属材料产生的中子数与入射质子能量的关系当需要很高的分辨率时 ,通常采用有退耦合体和低 能吸收体的慢化器 ,以保持较好的脉冲宽度 ,如高分 通过散裂反应产生的中子 ,通常能量很高 ,速度辨粉末衍射、高能量分辨的分子动态谱仪等. 退耦合 很快. 在用于中子散射实验之前 ,需要让它减速慢下 () 体一般使用镉、BC 及它的复合材料如 BC + A g4 4 等 ,而慢化器内低能中子吸收体一般使用高吸收率 来 ,这一过程称为慢化. 慢化器包括慢化工质、工质 的金属 Gd. 容器和冷却系统. 尽管慢化工质也可使用其他固态 [ 6 , 7 ] (CSN S靶站 将采用重水冷却多片钨靶 高 40材料 ,但是液态材料具有温度均匀且容易稳定 、没有 ) (×宽 100 ×厚 10mm ×40 片 , 铍 /铁反射体 铍明显的辐射损伤和具有连续的原子分子振动态密度 ) <1200 ×1000mm , 铁 <1200 - <2000mm , 铁 /重in ou t 等优点. 因此 ,慢化工质通常选用含氢密度高的液态 材料 ,如水 、液态甲烷、液氢等. 氢原子的质量与中子 ( ) 混凝土生物屏蔽体 <2000 - <10000mm 组成. 样品上 ,与样品相互作用被散射出来 ,经过第二飞行in ou t 距离 L,进入探测器被记录下来. 在中子束入射样 1 ( ) 三个 W IN G型慢化器 :水 300 K,退耦合 ,液态甲烷 品的第一飞行距离内 , 通常在距慢化器 4 —6m 处 , ( ) ( 100 K,退耦合加低能电子吸收 和液态氢 20 K, 放置斩波器 T,通常称为本底转子. 其转动周期与 0 ) 耦合 . 前两个慢化器一前一后地放在钨靶上方 ,而 质子束的脉冲周期相同 ,主要用于阻挡在前后两中 液氢慢化器放在钨靶下方. 铁 /重混凝土生物屏蔽体 子脉冲之间杂散的高能粒子 ,进一步降低本底 ,提高 信噪比. 在距慢化器 10m 或更远处安置另一斩波器 内设有 18个水平中子孔道 ,每个慢化器面对 6 个中 () 子孔道 慢化器的前后表面各有 3 个中子孔道 . 使 [ 9 ] 用 NM TC /JAM ,模拟了该设计的扁靶溢出的脉冲 T ,以选取散射实验中所使用的中子波长范围 ,通常1 [ 10 ] 16 () 中子通量. 结果表明 ,脉冲中子通量为 2. 4 ×10称为波长 或能量 选择转子. 根据样品距慢化器的 2 (n / cm/ s 质子能量为 1. 6 GeV ,束功率为 100 kW ,脉 远近和实验所要求的精度 ,在 T 和样品之间还可安1 () 冲频 率 为 25H z , 是 IS IS 的 3 倍 质 子 能 量 为置更多的波长选择转子. 中子入射样品前 ,需要一中 ) 800M eV ,束功率为 160 kW ,脉冲频率为 50H z. 依据 子通量监视器 ,以实时监测每一脉冲中入射样品的 上述 CSN S靶体和水冷系统的设计 , 使用 ID EA S - 不同波长的中子通量 ,为散射数据归一处理提供依 TM G商用热分析软件包模拟了冷却水流速度和靶 据. 经样品散射的中子 ,被围绕样品周围的探测器记 [ 6 ] 录 ,成为散射数据. 体内最高温度的关系 . 在 100 kW 核功率下 ,靶体 内总发热量为 47 kJ / s. 温度为 20?的冷却水以 2m / s 的速度流过多片靶凸棱构成的空隙时 ,其温度最高 升至 90 ?附近 ,而靶体最大应变仅 0. 2 mm. 3. 2 中子散射谱仪 中子散射谱仪按其探测中子物理量的变化可分 为两类 :弹性散射谱仪和非弹性散射谱仪. 弹性散射 谱仪所探测的散射中子仅在空间分布上产生了变 图 9 中子飞行时间谱仪结构示意图化 ,而能量仍与入射中子一致 , 主要研究物质中原 子、分子等的位置 ,即结构信息. 非弹性散射谱仪不 仅探测散射中子在空间分布上的变化 ,而且还同时 任何一台谱仪的应用范围不可能是无限的. 每探测散射中子的能量变化 ,主要研究物质中原子 、分 一类谱仪都会因其不同的用途而分成若干种. 例如 子等是如何运动的 ,即动力学过程. 根据不同的研究 粉末衍射仪中有高通量粉末衍射仪、高分辨粉末衍 对象和研究目的 ,散裂中子源常见的中子散射谱仪 [ 8 ] 射仪、工程用粉末衍射仪等等. 当前谱仪最多的散裂可大致分为以下 6种类型 :粉末衍射仪、单晶衍射 中子源 IS IS拥有 18台中子散射谱仪 ,其中 7台为粉仪、小角衍射仪、反射仪、直接几何非弹性散射谱仪 [ 11 ] ()(转子谱仪 和逆几何非弹性散射谱仪 晶体分析器 末衍射仪 . ) 谱仪 . 前四种是弹性散射谱仪 ,后两种是非弹性散 下面扼要介绍常见的六类散裂中子源谱仪的特 射谱仪. 同时还有如背散射谱仪、自旋回波谱仪 、中 点和它的多学科应用. 子康普顿散射谱仪等技术相对复杂、使用率相对偏 低的非弹性散射谱仪. 3. 2. 1 中子粉末衍射仪散裂中子源的中子散射谱仪大部分都采用飞行 中子粉末衍射仪是使用最广泛、用户量最大的 时间技术 ,即以中子从慢化器飞行到达探测器所用 谱仪 ,主要用于研究物质的晶体结构和磁结构. 小角 ()时间来区分中子能量 波长 的一种方法. 中子能量 度探测器适于测定较大分子的结构 ; 背反射探测器 λE、波长 和飞行时间 t的关系可表述为 : θ适于分辨率较高的研究 ; 散射角度 2= 90 ?处的探 2 2 ( λ) λ ( ) E = h/ 2m, = h t / m L ,测器可有效地避免样品容器的散射 ,适于特殊样品 其中 m , L 分别为中子的质量和飞行距离. 中子飞行 环境下的结构研究. 时间谱仪的基本几何结构如图 9 所示 : 来自慢化器 根据一般的谱仪设计要求估计 ,飞行时间衍射的中子 ,经中子导管 ,飞过第一飞行距离 L,入射到 0 [ 5 , 8 ] 谱仪的样品位置与分辨率关系可近似表达为 : δ() L= 3/ R ? 48 / R mm . m a tchm 2 (λπ) 起的复数项时 ,中子折射率为 n = 1 - b N /2.要达到 0. 1 %的分辨率 ,需要样品大致离开散裂中 子源约 50m 左右. 中子飞行距离增加虽然能有效地 一般地 ,空气折射率为 1 ,其他介质的折射率小于 1. - 6( )因 1 - n 在 10 量级 ,发生全反射的临界角很小. 提高谱仪的分辨率 ,但同时也降低了中子的通量. 58 ( ) 单质 N i的临界角最大 ,也仅为 0. 1145 ?/ ! 因此 ,实 粉末衍射谱仪将主要应用于 : 1 结构确定 ; ( )( ) ( ) ( )验中需要准直性很好的长波中子. 对于磁性材料的 2 实时反应 ; 3 磁结构研究 ; 4 相变研究 ;5 材料中的微结构 、织构及应力等工程应用.表面和界面 ,折射率中还有与磁相互作用有关的一 2 μ(λπ) 项 : ?cN /2, ?号取决于中子自旋方向与表 面上外加磁场的方向平行或反平行. 如果磁场垂直 3. 2. 2 中子单晶衍射仪 μ于表面 ,则无此项. 如果 c= b,反射中子将被极化. 脉冲中子和连续中子束都能对单晶产生劳厄 ( ) ( ) 像. 对连续中子而言 ,反射 h, k, l与 nh, nk, n l的 同样 ,使用二维探测器既能探测镜面反射 ,又能 劳厄斑点是相互重叠的. 相反地 ,采用脉冲中子的飞 探测非镜面散射. 镜面反射包含了垂直于膜面方向 行时间技术 ,它们则可以被分开 ,以精确的测量每个 上的结构信息. 非镜面散射则起源于膜面内的结构 涨落 ,如磁畴以及粗糙的层间界面等. 主要应用领域 衍射峰的积分强度. 因此 ,散裂中子源单晶衍射仪均 ( )( ) ( ) 采用飞行时间劳厄技术 ,利用二维探测器 ,可对倒易 包括 : 1 液晶取向 ; 2 表面吸附 ; 3 固液界面 ; ( )( ) ( ) 空间进行立体的三维取样. 固定在测角头上的单晶 , 4 聚合物及 LB 膜 ; 5 界面现象 ; 6 低维结构 ; ( ) 其倒易点阵只要落入探测器可探测的倒易空间范围 7 表面磁性. 之内 ,就会在二维探测器上形成劳厄像. 测角头可改 变单晶的取向 ,以测量不同的倒易空间的衍射数据. 3. 2. 5 直接几何非弹性中子散射仪 散裂中子源单晶衍射仪的劳厄像不仅能记录布 拉直接几何非弹性中子散射仪的结构原理如图 ( )10 a所示. 费米转子从每个脉冲中挑选出波矢为 格衍射 ,同时也能记录布拉格衍射之间的倒易空 Q、能量为 E的单色中子. 经样品散射后 , 被散射 0 0 间的信息 ,极有利于研究超晶格以及无公度相. 谱仪 θ角为 2的方向上的探测器接收. 探测器在记录散射 ( ) 主要应用领域为 : 1 含氢化合物或过渡族金属络中子数目的同时 ,也记下了该中子的总飞行时间. 因 ( ) ( ) 3 合物等的结构 ; 2 利用单晶研究复杂磁结构 ;此 ,由探测器安置的角度和到达该探测器中子的时 间 ,可计算出散射中子的波矢 Q和能量 E. 从而计 ( )精确测量磁形状因子 ; 4 非公度调制和相变.1 1 算出研究对象中准粒子态激发的动量和能量. 3. 2. 3 中子小角散射仪 小角散射是小角度范围内的弹性散射 ,是空间 4 尺度在 10 —10! 范围内的原子分子团簇结构分析 θλ 的有效工具. 散射矢量 Q 与散射角 2和中子波长 4 πθλ之间的关系为 : Q = 4sin/. 为了研究 10 —10! - 4 范 围 内 的 结 构 , 必 须 测 量 散 射 矢 量 Q在 1 0 — - 1 - 110 ! 范围内的散射数据 ,即小角散射数据. 小角 散射数据中包含的主要信息为散射团簇的颗粒形状 和大小 ,以及颗粒中某些特定成分的位置. 散裂中子 源上的小角散射仪利用脉冲中子进行波长扫描 ,一 次性测量能得到很宽的 Q 范围. ( )小角散射谱仪主要应用于 : 1 凝胶溶胶 ,表面 ( ) ( ) ( ) 活性剂 ; 2 聚合物 ; 3 大分子体系 ; 4 膜结构 ; ( )( ) 图 10 直接几何 a和逆几何 b 非弹性中子散射仪原理示( ) ( ) ( ) 5 生物囊泡结构 ; 6 药物传送 ; 7 微孔体系 ; 意图 ( ) 8 磁畴和成分调制. 通过调整费米转子的转速 ,使谱仪能量覆盖范 3. 2. 4 中子反射仪围可从几个毫电子伏特到上千毫电子伏特. 大量的 中子反射仪用于研究物质表面和界面的结构特 位置灵敏探测器 ,可以一次性测量单晶样品的散射 性 ,是中子散射谱仪中最年轻的成员. 未考虑吸收引 ()( ) 函数 S Q , E 或多晶样品的态密度散射函数 S E .具有高有效中子通量、无强放射性核废料等特征的 ( ) 谱仪主要用于测量 : 1 单晶或粉末材料中的晶格 , 集中了 20 世纪物理学的三大科技领 散裂中子源 ( )振动和自旋波 ; 2 单晶或粉末材料中的原子、分子 域 ———加速器物理 、中子物理和中子散射 ———的成 ( )( ) 果. 作为一种多学科应用的大型科研平台 ,将在很多 及磁矩的短程关联 ; 3 非色散激发 ;布里渊散4 射.基础学科如凝聚态物理、化学、生物工程、材料科学、 核物理 、核医学、核化学等领域的研究中被广泛采 用. 发达国家正把建设高性能散裂中子源作为提高 逆几何非弹性中子散射仪3. 2. 6 科技创新能力的重要措施. 相对反应堆中子源来说 , 逆几何非弹性中子散射仪的结构原理如图10 散裂中子源各项技术更复杂 ,也正在发展 ,还不十分 ( ) b所示. 正好与直接几何非弹性谱仪相反 ,其入射成熟. 技术上的挑战 ,也正是我们的机遇. 抓住这一 θ脉冲中子为白光. 散射角为 2的散射中子经单晶分 机遇 ,可使我国质子加速器、中子科学、凝聚态物理 析器衍射后被单色化 ,其能量 E由单晶分析器反射 和化学 、材料科学及生命科学等领域的研究和开发 1 水平得到大幅度的提升. 面的晶面间距和入射角决定. 由探测器记录下中子 的总飞行时间 ,可以计算出入射中子的能量和动量 , 从而得出样品中某动态过程的激发、色散关系或态 密度等. 参 考 文 献 [ 1 ] Skld K, P rice D L. M e thod s of Exp e rim en ta l Physics, Vo l. ö 逆几何非弹性中子散射仪效率较高 ,可用于较 23: N eu tron Scatte ring. INC. London: A cadem ic P re ss, 1988 小样品以及不太稳定的样品的研究. 适于分子谱的 ( ) B acon G E. N eu tron D iffraction 3 rd . O xfo rd: Ca lrendon [ 2 ] ( ) 研究. 主要应用领域包括 : 1 缺陷等的准弹性散 P re ss, 1975 ( )( )( )射 ; 2 分子转动和平移扩散 ; 3 隧道谱学 ; 4 聚 Shu ll C G, Mo rton G, D avid son W L. Phys. R ev. , 1948 , 73: [ 3 ] ( )合物体系相变 ; 5 蛋白质折叠. 842 B rockhou se B N. Phys. R ev. , 1955 , 99: 601 [ 4 ] 根据我国用户的要求和建议 , CSN S计划第一期 W ind so r C G. Pu lsed N eu tron Sca tte ring. London: Taylo r & [ 5 ] 设计建造高通量粉末衍射、高分辨粉末衍射、宽 Q F ranc is L TD , 1981 值小角散射、多功能反射和直接几何非弹性等五台 中国科学院散裂中子源概念设计组. 多学科应用平台散裂 [ 6 ] 典型的中子散射谱仪 ,以覆盖大部分的中子散射研 中子源的关键技术创新研究报告. 2004 [ Group of Concep tu2 al D e sign fo r Ch inese Sp a lla tion N eu tron Sou rce. Ch ine se A 2 究领域. 高通量粉末衍射仪和高分辨粉末衍射仪将 cadem y of Sc ience s, R epo rt on C rea tive Stud ies of Key Tech2 从内置低能中子吸收体的退耦合液态甲烷慢化器中 n ique s fo r M u lti - d isc ip lina ry Sap lla tion N eu tron Sou rce. 2004 取出通亮高、脉冲时间窄的中子 ,以满足高通量和高 ( ) in Ch ine se] 分辨率的要求. 最小的样品体积、最短的测量时间和 Zhang J et a l. J. N eu tron R e sea rch, 2005 , 13: 11 [ 7 ] 3 Δ最高 的分辨 率 d / d 分别 为 1mm、1 —2 分 钟 和 N ewpo rt R J , R a info rd B D , Cyw in sk i R. N eu tron Sca tte ring at [ 8 ] a Pu lsed Sou rce. B risto l: J W A rrow sm ith L td, 1988 0105 %. 小角散射仪和多功能反射仪的分辨率要求 Ko ji N et a l. H igh Ene rgy Pa rtic le Tran spo rt Code NM TC / [ 9 ] (Δ) 不高 Q /Q = 5 % —10 % ,但需要高通量的长波中 JAM. Toka i2m u ra: Jap an A tom ic Energy R e sea rch In stitu te, 子 ,因此选择耦合的液氢慢化器. 而直接几何非弹性 2001 (散射仪则 要求适 中 的 分 辨 率 能 量 分 辨 率 约 为 Yin W , Zhang G F, D u J H , L iang J Q. Ch in. Phys. , 2003 [ 10 ] ) 5 % ,宽的能量分布和相对高的高能中子通量 , 退 ( ) 12 : 559 h ttp: / /www. isis. rl. ac. uk / in strum en ts / index. h tm 耦合的室温水慢化器是其合适的选择. [ 11 ] 4 结束语