中子散射

中子散射技术利用中子散射方法研究物质的静态结构及物质的微观动力学性质。中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点，因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段，在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用

简介

与X射线技术相辅相成，中子以其自身的特点在结构、成像等分析中发挥着独特的作用。中子为电中性，具有强穿透力和非破坏性，从而可以探测物质的内力场信息(如残余应力)，也利于在复杂和集成的特殊样品环境下进行实验研究；中子与原子核的作用并不随原子序数的增加而有规律地增大，从而可以通过中子散射或成像技术更好地分辨轻元素，或者相邻的元素；中子具有内禀的自旋使之可以准确地揭示其他手段难以给出的微观磁结构信息。现已建立的有关低能热中子的理论，为开展多学科理论预测、实验验证并完善理论提供了有效的途径。中子散射技术不仅可探索物质静态的微观结构，还可用于研究结构变化过程的动力学机制。因此，中子散射已在物理、化学、材料、工程等研究领域发挥着X射线无法取代的作用，成为物质科学研究和新材料研发的重要手段。

中子散射技术

中子衍射

小角度中子散射

中子反射计

非弹性中子散射

中子三轴谱

中子飞行时间散射

中子方向散射

中子自旋回波

中子散射谱仪

定义

中子散射谱仪是一种能深入研究材料内部结构和运动等性质的测量仪器。用特定速度的中子轰击样品，能够在了解材料微观结构和关联强度的基础上反映其特性，为物理、化学、材料、力学和交叉学科研究提供有力支撑。

分类

中子粉末衍射谱仪

中子粉末衍射仪基于中子弹性相干散射研究多晶材料的静态结构。研究方向主要为材料的晶体结构和磁结构，辨认较轻原子和近邻原子的占位和占位数，测定磁性原子磁矩的大小和方向，晶态、非晶态结构及其相变的快速测定等。

中子四圆衍射谱仪

中子四圆衍射仪主要用于单晶样品的结构测定(包括氢原子定位)、漫散射(高温导致的无序，缺陷导致的无序及短程有序的磁结构等)、相变和无公度结构的研究。

中子残余应力和织构谱仪

中子残余应力谱仪主要用于解决材料科学研究与工程应用中材料的应力测定，可用于研究焊接、铸造和锻造、表面喷丸硬化、轧制变形加工中材料所产生的应力分布。织构衍射谱仪用于材料压力加工和热处理过程中产生的织构进行极图测定和ODF(Orientation Distribution Function)分析。研究的对象包括合金、陶瓷、半导体等。中子应力谱仪的重要作用还包括：研究中子应力三维无损深度测量技术及有限元模拟方法；研究材料宏观、微观应力与工程部件使用过程中材料损伤的相关联性，准确预估服役安全及使用寿命；通过核电工业等材料各种应力(宏观与相间应力)的测量，直接服务于材料设计，为材料处理工艺的制定提供指导；建立中子残余应力谱仪拉伸、压缩和控温等测量环境并完善有效的测量数据的分析处理方法。

中子三轴谱仪

中子三轴谱仪是利用中子非弹性相干散射研究单晶样品的元激发，如声子、自旋波的色散。研究对象主要是高温超导体。研究强相关电子系统中电子的状态，晶格热震动，自旋相关，原子的转动及扩散过程等。

中子小角散射谱仪

中子小角散射是研究1～500 nm尺度材料结构性质的强有力工具。中子小角散射可广泛用于生物大分子、复杂流体和凝胶体、聚合物、磁性及其他新型材料的研究。主要研究内容包括：① 溶液中蛋白质分子和DNA的结构性质，以及其随温度、pH值等的变化规律；② 聚合物，例如溶液中星形聚合物的结构形貌、共混聚合物的相分离；③ 药物载体，例如树枝状聚合物的结构形状；④ 复杂流体，例如自组装、胶体形貌和相互作用；⑤ 磁性材料的磁畴和磁性不均匀性；⑥ 合金等功能材料中的缺陷，相分离过程。

中子反射仪

中子反射可用于薄膜(1～500 nm)及表面界面性质的研究，包括生物膜、聚合物薄膜、磁性薄膜、固体和自由液体表面及界面的成分和结构。通过附加各种样品环境，原位观测样品在不同条件下的性质；结合反差变化，中子束极化等技术，在生命科学、软物质和磁性材料等前沿热门研究领域获知独特重要的信息。主要研究内容包括：① 生物膜的结构成分，例如蛋白质酶在生物膜中的分布及生物膜的厚度，及其随温度、湿度、pH值的变化；② 聚合物薄膜间的扩散性质；功能聚合物的性能分析，例如光敏感聚合物薄膜的结构成分；③ 表面界面性质的研究，例如分子水平上研究表面活性，亲水或疏水材料表面的结构和性质；④ 磁性多层膜和磁性超薄膜的结构和磁性。

中子照相谱仪

中子照相原理是利用中子束穿过物体时在强度上的衰减变化，对被测物体进行透视成相，从而反应样品内部材料的空间分布、密度、各种缺陷等综合信息。中子照相作为一种无损检测技术，目前在航天、航空、军工、核工业、建筑、考古、生物学、汽车工业、医学、材料学、电子元器件、石油、化工、冶金工业、能源存储等领域中有着广泛的需求和应用。

建设

2023年11月12日，中山大学与散裂中子源科学中心合作建设的高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪揭牌，预计明年正式投入使用。这是中国首台非弹性中子散射飞行时间谱仪，填补了中国高能非弹性中子散射领域的空白，主要性能指标达到国际先进水平。

应用

测定氢原子位置

早在20世纪30年代人们就用X 射线研究过冰的晶体结构, 但只肯定了冰的晶体为六角结构, 氧原子占据四面体的中心及三个顶角位置, 而没有看清氢在哪里。于是只能给出四种可能的结构模型, 对氢的位置作了四种可能的猜测。

1949年, Wollan等利用粉末中子衍射测量了重冰的晶体结构。实验表明, 在X 射线给出的四种模型中, 中子衍射结果支持著名化学家Pauling 提出的半氢( half hydrogen)模型。按照这个模型, 氢原子位置并不固定, 一半时间靠近一个氧原子, 另一半时间靠近另一个氧原子。 1953年, Peterson等利用单晶中子衍射对重冰的晶体结构再次进行测量, 证实了Wollan等的结论是正确的。

磁结构研究

中子的磁散射可以向我们提供磁结构的知识。1983年, 日本和美国研制出磁能积高达360 J/m 的优质永磁合金Nd- Fe- B, 在这种新材料的化学分子式Nd2Fe14 B还不知道的情况下, 人们就用中子衍射定出了它的结构和磁结构, 阐明了它的作用机理。中子散射技术把我们对磁现象的观察由宏观层面推到了微观层面, 它对近代磁学理论的发展和磁性材料的研发都起到了很重要的作用。第二类超导材料的磁通晶格间距大约在100nm左右, 所以利用长波中子小角衍射可以直接观察磁通晶格。

图为

P2+在50mT场强(沿c轴方向)和1.5K温度条件下用中子小角衍射观察到的Ba2Sr2CaCu3O8单晶的磁通晶格衍射图案

残余应力测量

材料和工程部件在焊接、加工过程中往往会形成残余应力。在材料和工程部件的使用上, 残余应力是必须考虑的安全因素之一。工业上沿用的残余应力测量方法一般是破坏性的, 而中子衍射测量残余应力则是一种非破坏性的方法, 近年来它已逐渐被工业界采用, 世界上许多中子散射实验中心都建立了专用的测量应力的高分辨中子衍射谱仪。

当材料中存在残余应力时, 它的晶格会产生畸变, 晶面间距d 会有微小的改变, 从而引起衍射峰的微小位移. 精确测定这一位移, 便能求出所测点的残余应力。

织构测量

织构是指材料中的微晶取向不是完全随机的,而是在一定范围内有一定的择优取向。利用中子衍射测量织构可采用极图、反极图和三维取向分布数三种表示方法。这些方法都是从X 射线衍射测量方法移植过来的。但中子测量给出的是大块材料的平均效果, 更能接近材料的实际情况, 而X 射线测量的只是接近材料表面层的织构。

生物分子研究

生物分子结构的测定需要靠X 射线和中子共同完成。生物分子中含有大量碳、氢、氧、氮原子；蛋白质中的氢原子数目占原子总数的三分之一到二分之一, 它们能形成蛋白质分子特有的三维结构；质子还参与许多催化机制。中子不仅对氢灵敏, 而且还能较好地分辨氮原子和碳原子。中子对生物活体样品的破坏性小，一个样品至少可以使用半年以上而不损坏，可以用一个样品收集全套数据. 这些都是用中子研究生物分子的优点。

在生物分子研究中, 中子对氢的识别能力得力于氢和氘的散射长度的差别。由于这个差别, 在溶液样品中加入一定比例的重水，就可以使溶液的散射长度密度与样品中的某个组分相等, 从而可以突出其他组分对散射的贡献. 这种方法称为氘反差法. 对非溶液样品可以通过所谓选择性氘化的方法, 将样品中某些氢原子用氘置换, 从而把复杂的结构分解为相对简单的一些亚单元。

极端环境条件下的物质结构研究

利用中子对物质的高穿透本领, 我们可以把样品放在能够改变温度、压力、外场强度的容器中或环境下进行中子散射研究。将压力、温度等推延到极端情况, 更可以探索极端条件下的许多现象。

人们很早就知道，海洋深处甲烷水合物的储量很丰富, 大约是地球上其他化石燃料总和的一倍。水合甲烷的结构很奇特，它由一些水分子形成笼状结构，笼的中心有若干个甲烷分子，这种结构是在海洋深处高压、低温条件下形成的。一旦脱离这种环境,其结构便被破坏，从其中逸出的气体不但得不到利用, 还会形成大量CO2, 破坏环境。因此, 为了开发利用海洋深处的水合甲烷, 必须先在一定外部条件下研究其结构和晶格动力学行为。目前国外科学家已着手用中子散射研究在不同压力、温度条件下水合甲烷的结构和动力学性质。

相关成果

2024年8月12日，中国散裂中子源“多物理谱仪关键技术与应用”项目科技成果鉴定会在广东东莞召开。据了解，多物理谱仪是散裂中子源科学中心、东莞理工学院和香港城市大学共同建设的国内首台中子全散射谱仪。多物理谱仪也是港澳地区首次参与投资建设的大型科学实验设施，支撑了包括粤港澳大湾区在内的高校、科研院所与企业的前沿研究和技术开发，为中国科学院—香港地区中子散射科学技术联合实验室和粤港澳中子散射科学技术联合实验室提供了关键支撑。

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