中子散射简介

中子散射简介
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