中子散射技术简介
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。
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。
中子散射法
中子散射法
中子散射法是一种研究物质微观结构和动态的理想工具。
中子散射既可以指自然发生的物理过程，也可以指使用自然过程来研究材料的人为实验技术。
在实验技术方面，中子散射法广泛应用于结晶学、物理学、物理化学、生物物理学和材料研究中。
中子散射技术用于研究物质静态结构和微观动力学性质。
它通过中子散射源提供不同强度的中子辐射，与凝聚态物质中的原子核相互作用，产生散射。
通过分析散射后的中子动量和散射截面，可以获得原子核的位置和动态信息，进而研究物质的微观结构和动态性质。
中子散射技术具有较高的探测灵敏度和分辨率，可以用于研究材料的相变、结构转变、原子振动、磁性和超导等性质。
此外，中子散射技术还可以用于研究生物大分子的结构和动力学性质，如蛋白质和DNA的结构与功能关系。
在实验方面，中子散射实验需要使用中子源和专门的实验设备，如中子散射谱仪和探测器。
同时，为了获得可靠的实验数据，需要进行精确的实验控制和数据处理。
总之，中子散射法是一种重要的研究物质微观结构和动态性质的实验方法，具有广泛的应用前景。
中子散射技术在材料表征中的应用研究
中子散射技术在材料表征中的应用研究中子散射是一种非常重要的分析技术，广泛应用于材料科学、生命科学、化学、物理、地球物理、工程和环境等多个领域。
其中，在材料科学领域，中子散射技术可以帮助研究材料的内部结构和性质，为新材料的设计和开发提供重要的支持。
本文将简要介绍中子散射技术在材料表征中的应用研究。
中子散射技术概述中子散射是通过中子与物质相互作用的过程，通过对散射中的中子的能量和方向进行测量，揭示物质的内部结构和性质的一种实验手段。
一般来说，中子散射技术包括弹性中子散射、非弹性中子散射和低能中子散射等多种不同的实验方法。
在这些实验方法中，弹性散射方法是最常用的一种方法。
在弹性散射方法中，采用中子束轰击材料，使散射中的中子改变能量和方向，通过测量散射中的中子能量和方向变化来揭示物质的内部结构和性质。
中子散射在材料表征中的应用中子散射技术有其特殊的应用范围和研究目标，特别是对于那些重要的结构信息、动力学信息和小分子与材料相互作用等方面的研究，中子散射技术能够提供非常有效的解决方法。
以下是一些具体的例子：1. 结构信息的研究中子散射技术可以用于研究材料的内部结构和分子排列，提供各种原子之间的信息。
例如，通过发射和散射到样品中的中子，可以了解样品的晶体结构。
此外，中子散射技术还可以用于研究不同材料的分子振动和转动。
通过测量样品的非弹性散射，可以获得与材料性质相关的热和动力学信息。
2. 动力学信息的研究中子散射技术可以用于研究材料中分子、原子、离子等之间的位置和运动的变化。
例如，通过散射中的中子测定分子的动力学行为，可以了解分子的运动速度和轨迹。
这为研究材料的变形、摩擦、结晶生长、纳米流体力学等提供了方法。
3. 小分子与材料相互作用的研究中子散射技术还可以用于研究小分子与材料之间的相互作用，以及它们如何通过中介物质达到相互作用。
例如，中子散射可以测量材料阻止小分子运动的过程，也可以测量材料和小分子之间的作用力，为解释复杂的生物和化学反应提供信息。
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。
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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：
~20 K ⇒ Cold neutrons
石墨： ~2400 K ⇒ Hot neutrons
中子源的能量分布
中子过滤器—快中子过滤
10cm厚 利用单声子和多声子过程吸收快中子
中子过滤器—共振过滤器
用于高阶中子过滤（仅用于高能）
中子过滤器—Bragg过滤器
nλ=2dsinθ ⇒ λcutoff = 2dmax 其中dmax是最大的d-spacing 超过λcutoff的将穿透 ⇒ 过滤低于λcutoff的中子
反射谱仪
反射谱仪
NG7 @ NIST
反射谱仪
尤其是磁性多层膜
残余应力谱仪
残余应力谱仪
铁轨中应力的变化
四、3.谱学谱仪
• 三轴谱仪 • 时间飞行谱仪 • 反向散射谱仪 • 自旋回波谱仪
三轴谱仪
Flux
Flux
Flux
Flux
E
中子源
E
单色器
单色器
分析器
E
样品
E
分析器
“三轴”
样品
B. N. Brockhouse
• 任意形状、 很大或很小面 积
• 效率高、速 度快
• 较难区分中 子和γ射线
三、中子束流的控制
• 中子谱仪的屏蔽 • 晶体单色器 • 斩波单色器 • 中子速度选择器 • 中子准直器 • 中子镜子和导管 • 中子过滤器 • 极化中子
中子谱仪的屏蔽
屏蔽的目的：人身安全；降低背景 屏蔽的种类：中子；γ射线
中子源—中子产生的方式
反应堆（连续源）
散裂源（脉冲源）
中子源
ILL—反应堆中子源
ISIS—散裂中子源
中国的中子源
绵阳堆 绵阳
中国先进研究堆 CARR, Beijing
中国散裂源 CSNS, Beijing
中国的中子源——中国先进研究堆
主要参数
ILL CARR FRM-II
功率
57 60 20
θc = mθcNi
中子镜子和导管
CARR 弯曲导管降低噪音
中子镜子和导管
中子导管的应用极大增加了冷中子谱仪数量
中子过滤器—噪音的来源
• 快中子 高能中子经多次反射后被探测
• 高阶中子
晶体单色器、分析器等
nλ=2dsinθ
n = 1:
θ⇒λ
n = 2:
θ⇒λ/2
n = 3:
θ⇒λ/3
……
需要在中子束流中放置过滤器
相干与非相干散射
b = A + Bσ⋅I b: 散射长度; I: 原子核自旋 σ: 中子的Pauli自旋算符; A、B: 依赖于同位素的常量
中子与原子核或自旋相互作用后不完全干涉
相干散射（Bragg散射、声子、自旋波）：
σ coh = 4π b 2
非相干散射（漫散射、晶体场、超精细场劈裂导致的原
子核激发、Stoner激发）：
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）
中子
X射线
优点
缺点
能量低
径向发散源
体穿透
弱源
磁矩
弱相互作用
同位素替换 需要大样品
可以获得绝对量 屏蔽更困难
分辨率易计算
谱仪多样化
样品环境多样化
优点 源很强 仅需小束流
ki大
缺点 和电子作用 穿透浅 需要高分辨率 弱磁相互作用 谱仪少
祸兮福所倚，福兮祸所伏
中子散射的测量范围
中子散射的应用范围
二、中子的产生与探测
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
“翻转”中子极化
ωL
B
S N
极化中子的实验方案
单轴极化中子实验方案
cryopad
观测任意方向的极化信息
ห้องสมุดไป่ตู้
四、1. 中子照相谱仪
中子照相谱仪-放大技术
中子照相谱仪-实例
X射线和中子对Hercules雕像照射的比较
中子照相谱仪-实例
中央木质茎中螺旋叶状结构 2.6亿年前陆地动物就可以听
中子照相谱仪-实例
中子： 发现（1932，Chadwick，1935 Nobel）
⇒晶体布拉格散射（1936, Mitchell & Powers） ⇒中子散射谱仪（1946-1962, Shull & Brockhouse, 1994 Nobel —— 工作时间到得奖最长的）
原因何在？——中子散射技术发展缓慢
中子散射与X射线散射比较
σ inc
=
4π
b
2
− 4π
2
b
中子散射基本公式
动量守恒：
能量守恒：
弹性散射： 当Ei = Ef 或 ki = kf时
非弹性散射： 当Ei ≠ Ef 或 ki ≠ kf时
ħQ : 转移到晶体的动量 Q = ( H, K, L) 为晶格倒 空间波矢
中子散射基本公式
中子散射强度直接对应磁矩在空间和时间上的关联情况
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
中子的基本特性
上夸克(u)：电荷+2/3；自旋 +1/2 下夸克(d) : 电荷-1/3； 自旋 -1/2
质子 电荷 : e 自旋：½ 磁矩：2.793 µN
中子 电荷 : 0 自旋：½ 磁矩：-1.913 µN
James Chadwick, 1932 (1935 诺贝尔奖）
中子的波粒二相性
m = 1.675 × 10-24 g = 1.008 amu 粒子性：E = ½ mv2 波动性：E = h2k2/8π2m, k = h/λ ⇒ 当E = 25 meV 时，λ = 1.8088 Å 热中子 （Thermal neutrons）: E ~ 10 - 100 meV 烫中子（Hot neutrons）：100 meV < E < 500 meV 冷中子 (Cold neutrons): E < 10 meV
detector unit with 11 single detectors
中子散射基本公式 播放中子探测自旋波视频
X-射线和中子散射谱学的发展
X-射线： 发现（1895，Röntgen，1901 Nobel）
⇒晶体散射（1912，Laue，1914 Nobel） ⇒晶体布拉格散射（1913, Bragg父子, 1915 Nobel） ⇒X-射线谱学（Siegbahn，1924 Nobel）
中子散射技术简介
内容
一．中子散射应用概括与特点 二．中子的产生与探测 三．中子束流的控制 四．几种谱仪的介绍 五．中子散射实验的一些考虑 六．一些中子散射的例子 七．总结