中子散射简介

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 Advantages:
–high peak flux –advantageous time structure for many applications –accelerator based – politics simpler than reactors –technology rapidly evolving
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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
lattice 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
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

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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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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
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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、分子在做什么？
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什么是中子散射?
Neutrons
l
l (Å)
2d hkl sin hkl nl
Fhkl b j exp 2ihxj / a ky j / b lz j / c

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)。 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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中子散射的重要性及国际现状
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中子散射的重要性及国际现状

中子散射目前正处于方兴未艾、蓬勃发展的阶段，正由 基础研究向广泛的工业应用延拓，其重要性将越来越明 显地表现出来。瑞典皇家科学院将1994年诺贝尔物理奖 授予为开拓中子散射技术作出重要贡献的两位科学家— 美国的 Shull 教授和加拿大的 Brockhouse 教授，这标志 着中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。
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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。

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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。
(300K = 30 meV, 50K = 5 meV) => Inelastic Experiments
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中子散射的特点

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。
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
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。
4B - Liquids Reflectometer – SNS Funded – Commission 2006
5 - Cold Neutron Chopper Spectrometer – IDT DOE Funded – Commission 2007 6 - SANS – SNS Funded – Commission 2007 ? – Chemical Spectrometer
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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。
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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。
中子中子源
Advantages:
•Reactor e.g., ILL, France
~1.5x1015 n/cm2/s
– high time averaged flux – mature technology (source + instruments) – very good for cold neutrons
3 - High Pressure Diffractometer – DOE Funded (SING) – Commission 2007
4A - Magnetism Reflectometer – SNS Funded – Commission 2006
PROTONS
18 - Wide Angle Chopper Spectrometer – IDT DOE Funded – Commission 2007