中子小角散射

技術簡述

中子小角散射是指中子入射樣品後在實空間零束附近的散射。如果樣品中存在尺度大於原子間距的不均勻結構，即存在中子散射長度密度差，則在探測器上會出現相應的信號襯度。在中子小角散射實驗中，僅考慮中子束與試樣的相干彈性互動作用。小角散射前後散射矢量大小不變，但方向發生了改變，從而存在一個散射矢量轉移q。結合布拉格公式，可得到一個簡單的關係：q = 2π/d。此式將實空間與倒易空間的長度聯繫起來，據此可以定義實驗時的探測視窗。通過中子小角散射實驗，可以獲得初步的散射曲線等原始數據。根據樣品的實際情況，建立相應的模型，進一步解析可得到微結構信息（形狀、大小與分布等）。

技術發展

常規中子小角散射實驗可以獲得數百納米尺度範圍的微結構信息。隨著超小角與自旋迴波中子小角散射技術的發展，可表征的空間尺度範圍由亞納米可拓展到亞毫米。值得指出的是，研究大尺度結構的譜儀中，中子反射與中子小角散射譜儀相互補充，在工程領域中的套用也很有價值。

套用領域

材料中的微結構要素包括空位、位錯、層錯、次晶、晶粒、沉澱/彌散等，其尺度跨越了納米至微米的範圍。材料的力學、物理與化學等性能均與特徵微結構有內在關聯性。獲取材料內部微觀結構信息，是理解性能與結構關係的基本前提。隨著小角、超小角與自旋迴波小角技術的發展，中子散射技術可以全面測量材料內部納米至微米尺度範圍的微觀結構。與此同時，結合原位環境載入，可研究工程部件在服役條件下材料內部微結構的演變過程與規律。這些信息是開發新型工程材料、提高其服役性能與可靠性的基本科學依據。中子小角散射既在材料科學基礎研究方面是有力的表征技術手段之一，又在工程材料套用領域時是很有必要的診斷工具。除了在材料科學領域，中子小角散射技術在化學、生物、凝聚態物理等許多領域中也得到套用。

裝置情況

目前，中子小角散射譜儀總數量已超過40台，其中基於連續穩態源的譜儀 (即常波長工作模式) 數量超過30台。美國與德國擁有的中子小角散射譜儀數量最多，均達10台左右。中子小角散射譜儀的工程建設在不斷更新，預計2017年歐洲、北美以及太平洋區域的中子小角散射譜儀將分別達到20、15、10台左右。

國內裝置

國內目前已建中子小角散射譜儀（SANS）2台，1台為原子能研究院CARR研究堆導管大廳的30 m SANS譜儀，1台為位於中國工程物理研究院核物理與化學研究所CMRR研究堆散射大廳的SANS譜儀（見下圖）。另外，中國散裂源正在建設1台SANS。CMRR研究堆SANS譜儀為國內最早正式投入運行的SANS譜儀，已從2013年底正式投入實驗，並面對國內外用戶開放。 CMRR研究堆SANS譜儀總長33 m，q範圍0.01～5 nm，對應可探測尺度範圍1 nm ~ 600 nm。