中子反射

中子反射（Neutron reflectometry）是一種測量薄膜結構的中子衍射技術，類似於常用的互補性X射線反射與橢圓偏振技術。該技術可在非常廣泛的科學技術套用範圍提供有價值信息，包括化學聚合、高分子與表面吸附、磁性薄膜結構、生物膜等。

技術細節

該技術涉及將一束高度準直的中子束照射到極平整的表面上，然後測試與角度或中子波長有關的反射束流強度。反射率分布形狀提供了表面結構的詳細信息，包括沉積在基底上任何薄膜的厚度、密度、粗糙度。

中子反射是一種鏡面反射技術，即入射束與反射束的角度相等。通常用動量轉移矢量（記為q_z，即經材料反射的中子動量變化）來描述反射。一般z方向定義為薄膜法線方向，對於鏡面反射，散射矢量只有z分量。一條典型的中子反射率曲線描述了反射束強度（相對於入射束）與散射矢量的函式關係。

實驗時使用的中子波長通常為2至10 Å。該技術需要中子源，可以是反應堆或散裂源（基於粒子加速器）。與所有中子散射技術一樣，中子反射對於源自於不同原子核襯度非常敏感，類比於X射線散射測試的電子密度。於是，通過這項技術可以區分元素的許多同位素。中子反射測量中子散射長度密度，在清楚原子成分的情況下可用來精確計算材料密度。

1. 與其他反射技術的比較
   

儘管其他發射技術（如光學反射、X射線反射）的工作原理大體類似，但中子反射測量在一些方面具有顯著優勢。首先，該技術探測的是原子核襯度，而不是電子密度，更適合測量一些更輕的元素（氫、碳、氮、氧等）。這種對同位素的敏感性也允許通過採用同位素置換對一些感興趣的體系進行襯度增強。這樣，就可以通過多重實驗（僅能由同位素置換實現區分）來解決相問題（對散射技術是一個普遍的問題）。最後，由於中子的無損深穿透性，允許試樣環境的靈活性，並可測試較脆弱敏感的樣品材料（如生物試樣）。相反，X射線照射可能對某些材料造成損傷，雷射可能改變一些材料性質（如光阻性）。另外，由於光各向異性（即雙折射），光學技術可能包含模糊信息，而中子測量可以分解這些信息。綜合來看，中子反射技術的特點有：① 高深度解析度（比彈性反衝探測或核反應分析的分辨更高——Ǻ級）； ② 對輕元素（如氫與氦）敏感，如中子反射是表征界面處氦濃度分布的理想技術（對核能系統材料研究是有益的基礎工具）；③ 適用於任何結晶性（單晶、多晶或者無定形態）的試樣。

國內裝置

目前國內有三家單位在建或者規劃了中子反射譜儀，三家單位分別是中國綿陽工程物理研究院核物理與化學研究所、中國北京原子能研究院以及中國東莞散裂中子源。其中中國綿陽工程物理研究院的中子反射譜儀（見下圖）已經建好並投入運行中，而且是目前唯一一台帶有極化系統中子反射譜儀。該譜儀採用飛行時間模式以及極化超鏡作為極化器與極化分析器。可用波段為0.25 nm - 1.25 nm，極化效率> 95%。

中子反射儀的部分列表

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室中子科學中心的ASTERIX與SPEAR；

澳大利亞核科技組織（ANSTO）的Platypus；

法國勞厄·朗之萬研究所；

法國里昂·布里淵研究所（LLB）的EROS與PRISM；

瑞士保羅·謝勒研究所的AMOR；

英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室的散裂源ISIS的SURF、CRISP、INTER、Offspec與polREF；

美國橡樹嶺國家實驗室散裂源SNS的Liquids與Magnetic；

美國國家標準與技術研究所的中子研究中心的NG1、NG7與AND/R

中子反射軟體的部分列表

Reflred與reflfit；

Motofit；

Parratt32；

Yanera；

StochFit；

FitSuite；

GenX；

SANGRA