中子散射A
中子散射技术在材料表征中的应用
中子散射技术在材料表征中的应用材料科学是一个十分广泛的领域，涉及到各种不同的材料特性和性能。
了解这些特性和性能对于开发更好的材料是至关重要的。
中子散射技术是材料表征中常用的方法之一。
它不仅可以用于研究晶体结构，而且还可以用于研究材料中的动态过程。
本文将介绍中子散射技术及其在材料表征中的应用。
中子散射技术简介中子散射技术是一种用于研究物质结构和动态过程的非破坏性方法。
它可以用来研究各种材料，从固体到液体再到气体。
中子是一种自然存在的带有质量和正电荷的粒子，其大小和质量与质子近似相等，因此它可以与材料中的原子相互作用，并在材料中发生散射。
通过测量中子的散射模式，研究者可以得出材料的结构和动态过程信息。
中子散射技术可以分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指中子在与材料中的原子相互作用后，仍然保持自身能量和动量的散射。
非弹性散射是指中子在与材料中的原子相互作用后，会发生能量和动量的转移，因此散射光子的能量会发生变化。
非弹性散射常被用于研究材料中的动态过程，如声子、自旋波等。
中子散射技术在材料表征中的应用非常广泛。
以下列举几个典型的应用。
1. 研究晶体结构中子散射技术可以用于研究晶体的结构。
晶体中的原子排列方式会影响中子的散射模式，因此研究者可以通过测量散射的模式来确定晶体的结构。
中子散射是唯一可以区分氢原子和其他原子的方法，因此中子散射技术在研究氢原子在晶体中的位置和运动方面具有独特的优势。
2. 研究材料中的动态过程中子散射技术可以用于研究材料中的动态过程，如声子、自旋波等。
这些动态过程会影响中子的能量和动量，因此可以通过测量中子散射的能量变化来确定动态过程的信息。
研究材料中的动态过程对于理解材料的特性和性能至关重要。
3. 研究材料中的缺陷和杂质中子散射技术可以用于研究材料中的缺陷和杂质。
缺陷和杂质会对中子的散射模式产生影响，因此可以通过测量散射模式来确定其位置和类型。
这对于理解材料的特性和性能、改进材料的缺陷至关重要。
中子散射原理
中子散射原理中子散射是一种重要的物理现象，它在材料科学、物理学和核工程等领域都有着重要的应用。
中子散射原理是指中子在与物质相互作用时发生散射现象的基本规律和机理。
通过研究中子散射原理，可以深入了解物质的结构、性质和动力学行为，为材料设计、新能源开发和生命科学研究提供重要的实验手段和理论依据。
中子散射原理的基本过程是中子与原子核或电子发生相互作用，从而改变其运动状态并产生散射。
中子在物质中的散射过程可以分为弹性散射和非弹性散射两种情况。
弹性散射是指中子与物质发生碰撞后，保持能量和动量守恒的散射过程，不改变中子的能量。
非弹性散射则是指中子在与物质相互作用时，发生能量损失或转移的散射过程，导致中子能量的改变。
中子散射原理的研究可以通过测量散射中子的能量和角度分布，来获取物质的结构信息。
通过分析散射中子的散射角度和能量变化，可以得到物质中原子的位置、间距、热振动等信息。
这对于研究材料的晶体结构、磁性结构、液体结构等具有重要意义。
同时，中子散射还可以用于研究材料的动力学行为，比如材料的扩散、固溶、相变等过程。
除了对材料的研究，中子散射原理还在生命科学和医学领域有着重要的应用。
中子散射可以用来研究生物大分子的结构和动力学行为，比如蛋白质、核酸等生物大分子的结构和功能。
通过中子散射技术，可以揭示生物大分子在溶液中的构象和结构变化，为药物设计和疾病治疗提供重要的信息。
此外，中子散射原理还在能源和环境领域有着广泛的应用。
中子散射可以用来研究材料的热导率、热膨胀系数、核燃料的性能等，为新能源材料的设计和优化提供重要的实验手段。
同时，中子散射还可以用来研究环境污染物的分布和转化，比如土壤中的重金属离子、水体中的有机物等。
总之，中子散射原理是一种重要的物理现象，它在材料科学、物理学、生命科学、医学和能源领域都有着广泛的应用。
通过研究中子散射原理，可以深入了解物质的结构和性质，为材料设计、新能源开发和生命科学研究提供重要的实验手段和理论依据。
α粒子散射
α粒子散射引言电子被发现以后，人们普遍认识到电子是一切元素的原子的基本组成部分。
但通常情况下原子是呈电中性的，这表明原子中还有与电子的电荷等量的正电荷，所以，研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎样分布的问题。
从1901年起，各国科学家提出各种不同的原子模型。
第一个比较有影响的原子模型，是J.J.汤姆逊于1904年提出“电子浸浮于均匀正电球”中的模型。
他设想，原子中正电荷与电子间的作用力以及电子与电子间的斥力的作用下浮游在球内。
这种模型被俗称为“葡萄干布丁模型”。
汤姆逊还认为，不超过某一数目的电子将对称地组成一个稳定的环或球壳；当电子的数目超过一定值时，多余电子组成新的壳层，随着电子的增多将造成结构上的周期性。
因此他设想，元素性质的周期变化或许可用这种电子分布的壳层结构作出解释。
汤姆逊的原子模型很快地被进一步的实验所否定，它不能解释α射线的大角度散射现象。
卢瑟福从1904年到1906年6月，做了许多α射线通过不同厚度的空气、云母片和金属箔（如铝箔）的实验。
英国物理学家W.H.布拉格(Bragg, W.H.1862-1942)在1904-1905年也做了这样的实验。
他们发现, 在此实验中α射线速度减慢,而且径迹偏斜了(即发生散射现象).例如,通过云母的的某些α射线,从它们原来的途径约片斜2°,发生了小角度散射,1906年冬, 卢瑟福还认识到α粒子在某一临界速度以上时能打入原子内部,由它的散射和所引起的原子内电场的反应可以探索原子内部结构.而且他还预见到可能会出现较大角度的散射.1910年12月，卢瑟福对大角度散射过程的受力关系进行计算，得出一个新的原子结构设想。
经过反思索、研究，于1911年4月下旬写出论文为靶的金属箔的原子一次碰撞中改变其方向的，因此原子中有一个体积很小、质量很大的带正电荷的原子核，它对带正电荷的α粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转；原子核的体积很小，其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一，核外是很大的空的空间，带负电的、质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动，卢瑟福在论文中提出他的原子有核模型可从几个方面验证，盖革和马斯顿1912年所做的实验证实了原子核的存在。
α粒子散射实验意义
α粒子散射实验意义引言α粒子散射实验是物理学中一项重要的实验，它对于研究原子核结构和核力的性质具有重要意义。
本文将从实验背景、实验原理、实验结果及其意义等方面进行阐述，以探讨α粒子散射实验的意义。
一、实验背景20世纪初，物理学家发现原子核是由质子和中子组成的，而质子和中子之间的相互作用力成为研究的焦点。
为了更好地理解原子核结构和核力的性质，科学家们进行了大量的实验研究。
其中，α粒子散射实验被广泛应用于研究原子核的内部结构和核力的性质。
二、实验原理α粒子散射实验是通过将高能的α粒子束照射到靶核上，然后测量散射后α粒子的角度和能量分布来研究原子核的性质。
实验原理主要包括散射截面、散射角和能量损失等方面。
1. 散射截面散射截面是描述α粒子与靶核相互作用的概率。
通过测量散射截面的大小，可以了解到原子核的大小、形状和电荷分布等信息。
2. 散射角散射角是指散射后α粒子与入射方向的夹角。
通过测量散射角的分布，可以推断出原子核的形状以及核力的性质。
3. 能量损失α粒子在散射过程中会损失能量，通过测量散射后α粒子的能量，可以研究原子核的能级结构和能量损失机制。
三、实验结果及其意义α粒子散射实验的结果对于研究原子核结构和核力的性质具有重要意义。
1. 原子核结构通过测量散射角的分布，科学家们发现原子核具有一定的大小和形状，这一发现对于揭示原子核的内部结构提供了重要线索。
同时，散射截面的大小也揭示了原子核的电荷分布情况。
2. 核力性质散射实验还可以提供有关核力的性质信息。
通过测量散射截面的大小和散射角的分布，可以推断出核力的强度和作用范围，进而研究核力的性质和作用机制。
3. 原子核能级结构散射实验中测量的能量损失可以揭示原子核的能级结构。
通过测量散射后α粒子的能量，可以推断出原子核的激发态和能级分布情况，进而研究原子核的激发机制和能级跃迁规律。
结论α粒子散射实验作为研究原子核结构和核力性质的重要手段，具有重要的意义。
通过测量散射截面、散射角和能量损失等参数，可以揭示原子核的内部结构、核力的性质和能级结构等信息。
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：
中子散射技术在材料科学中的应用
中子散射技术在材料科学中的应用材料科学一直是科学技术领域的重要分支之一，而中子散射技术则是材料科学中不可或缺的研究手段之一。
中子是介于光子和质子之间的粒子，具有较强的穿透能力和灵敏的成分分析能力。
在材料科学中，中子散射技术可以用于探测材料的晶体结构、原子结构及动力学特性等，为材料科学的研究提供了有力支持。
一、中子散射技术的原理中子散射技术是指利用中子与物质相互作用的特点，研究材料中原子与原子之间距离、相互排列顺序、运动方式及衍射成像等。
中子在物质中的传播会因为散射而产生一些有规律的变化，这些变化可以被记录下来并得出物质的结构信息。
中子散射技术的原理比较复杂，需要先了解一些基础概念，如晶体结构、衍射和散射等。
二、1. 晶体分析中子散射技术可以用来研究材料中晶体结构的细节信息，这对于材料科学的研究非常重要。
晶体结构的分析需要通过衍射实验获得晶体的结构信息，然后结合模拟技术和理论计算进行深入分析。
中子散射技术可以从非常小的角度探测晶体结构，可以对材料中的晶体结构进行非破坏性分析，这对于材料性能的研究具有重要意义。
2. 动力学研究材料的动力学研究可以帮助研究材料的变形、腐蚀、疲劳等问题。
中子散射技术可以通过研究物质中原子的位移、振动等信息，获得材料的动力学特性，为相关研究提供有力支持。
3. 氢同位素分析材料中氢的存在对其性质有很大影响，比如材料的电学性能、光学性能、化学性能等。
中子散射技术可以通过测量物质中氢同位素的分布和运动轨迹等信息，来研究材料中氢的运动、储存、传输等过程，从而深入了解材料性质的相关问题。
4. 磁性材料研究中子被磁场时会发生自旋散射效应，这种效应可以用来研究磁性材料中不同原子的磁性行为。
中子散射技术可以通过测量磁性材料中中子的散射强度、散射角度等信息，进一步了解材料中磁旋转、磁畴耦合等问题，有助于研发新型磁性材料。
5. 工业应用中子散射技术不仅是材料科学领域的重要研究工具，还可以应用于工业生产和质量控制中。
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。
【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
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结构快速测定——高通量粉末衍射仪应用 Fieldinduced bondbreaking in MnAs
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Magnetic field dependence of the diffraction pattern
J Mira et al. Phys. Rev. Lett. 90, 097203 (2003)；D. Vaknin etal., PRL 92, 207201 (2004); I K Jeong et al., PRL92, 105702 (2004)
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中子探针特性—强穿透能力
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飞机涡轮的叶片与 轮盘的焊接应力测量
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中子探针特性—具有磁矩
Spin = ½ μn = - 1.913 μN
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(a)铁磁(b)反铁磁(c)螺旋型 (d)锥形
中子是研究材料中磁结构和磁涨落的特有工具
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磁结构和磁相变——高通量粉末衍射仪应用
Crystallization of spin liquid in geometrically frustrated system
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I Mirebeau et al., Nature 420, 54 (2002); Y Taguchi et al., Science 291 (2001)
C. Lambertiet al., J. Am. Chem. Soc. (2001) 123, 2204; G. Artioli et al. , Acta Cryst. (2000). B56, 2; J. S. Seo et al., Nature 404, 982 (2000)
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高温超导体中氧的位置和占有率
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中子与同步辐射在物质结构研究上互补
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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
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中子特性—电中性
Charge = 0
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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。 相对于X射线或同步辐射，中子源能提供的中子通量相对较低，局限 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。
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中子散射特点和应用
王芳卫
中国科学院物理研究所
近代物理分析方法，中国科学院研究生院 (2005.03, Beijing）
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中子特性—波长覆盖宽的微观尺度
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Si(1-x)O(2-4x)(OH)4x ；V = 5327.62 (5) Å3
Orthorhombic：晶位 Monoclinic: 晶位 38；变量 72；变量 >155 >292 monoclinic
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1990 1980
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磁结构和磁相变——高通量粉末衍射仪应用
Onset of antiferromagnetism in heavy-fermion metals
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液 氢 (20K)
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1960
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1970 1960
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随着科学技术的飞速发展，薄膜、纳米团簇、生 物大分子和蛋白质等研究体系成为研究的主要对象。
• • •
周期结构单元更大 样品体积更小 结构形态变化更快
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J-PARC CSNS
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靶站结构和慢化器功能 三个不同的慢化器 提供不同特征的中子波 长和脉冲特性，以满足 多学科的要求。
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1
2
3
4
5
6
7 cm
热中子在不同材料中的穿透深度
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设计参数： 慢化器：液态甲烷 LCH4 (100K) 慢化器-样品距离：~30m 样品-探测器距离：1-5 m 探测器：3He正比记数管阵列 样品体积：>1 mm3 测量时间：>1 min 分辨率∆d/d： 0.05 (30°); 0.02 (90°)
CSNS
R. I. Walton et al., Rev. Sci. Instrum., (1999) 70, 3391; /isis2000/highlights/in-situDiffractionH1.htm