中子散射

中子散射技術利用中子散射方法研究物質的靜態結構及物質的微觀動力學性質[1]。中子具備不帶電、穿透力強、可鑑別同位素、較之X射線對輕元素靈敏、具有磁矩等優點，因此中子散射技術作為一種獨特的、從原子和分子尺度上研究物質結構和動態特性的表征手段，在多學科交叉領域發揮著不可替代的作用

簡介

與X射線技術相輔相成，中子以其自身的特點在結構、成像等分析中發揮著獨特的作用。中子為電中性，具有強穿透力和非破壞性，從而可以探測物質的內力場信息(如殘餘應力)，也利於在複雜和集成的特殊樣品環境下進行實驗研究；中子與原子核的作用並不隨原子序數的增加而有規律地增大，從而可以通過中子散射或成像技術更好地分辨輕元素，或者相鄰的元素；中子具有內稟的自旋使之可以準確地揭示其他手段難以給出的微觀磁結構信息。現已建立的有關低能熱中子的理論，為開展多學科理論預測、實驗驗證並完善理論提供了有效的途徑。中子散射技術不僅可探索物質靜態的微觀結構，還可用於研究結構變化過程的動力學機制。因此，中子散射已在物理、化學、材料、工程等研究領域發揮著X射線無法取代的作用，成為物質科學研究和新材料研發的重要手段。

中子散射技術

中子衍射

小角度中子散射

中子反射計

非彈性中子散射

中子三軸譜

中子飛行時間散射

中子方向散射

中子自旋迴波

中子散射譜儀

中子粉末衍射譜儀

中子粉末衍射儀基於中子彈性相干散射研究多晶材料的靜態結構。研究方向主要為材料的晶體結構和磁結構，辨認較輕原子和近鄰原子的占位和占位數，測定磁性原子磁矩的大小和方向，晶態、非晶態結構及其相變的快速測定等。

中子四圓衍射譜儀

中子四圓衍射儀主要用於單晶樣品的結構測定(包括氫原子定位)、漫散射(高溫導致的無序，缺陷導致的無序及短程有序的磁結構等)、相變和無公度結構的研究。

中子殘餘應力和織構譜儀

中子殘餘應力譜儀主要用於解決材料科學研究與工程套用中材料的應力測定，可用於研究焊接、鑄造和鍛造、表面噴丸硬化、軋制變形加工中材料所產生的應力分布。織構衍射譜儀用於材料壓力加工和熱處理過程中產生的織構進行極圖測定和ODF(Orientation Distribution Function)分析。研究的對象包括合金、陶瓷、半導體等。中子應力譜儀的重要作用還包括：研究中子應力三維無損深度測量技術及有限元模擬方法；研究材料巨觀、微觀應力與工程部件使用過程中材料損傷的相關聯性，準確預估服役安全及使用壽命；通過核電工業等材料各種應力(巨觀與相間應力)的測量，直接服務於材料設計，為材料處理工藝的制定提供指導；建立中子殘餘應力譜儀拉伸、壓縮和控溫等測量環境並完善有效的測量數據的分析處理方法。

中子三軸譜儀

中子三軸譜儀是利用中子非彈性相干散射研究單晶樣品的元激發，如聲子、自旋波的色散。研究對象主要是高溫超導體。研究強相關電子系統中電子的狀態，晶格熱震動，自旋相關，原子的轉動及擴散過程等。

中子小角散射譜儀

中子小角散射是研究1～500 nm尺度材料結構性質的強有力工具。中子小角散射可廣泛用於生物大分子、複雜流體和凝膠體、聚合物、磁性及其他新型材料的研究。主要研究內容包括：① 溶液中蛋白質分子和DNA的結構性質，以及其隨溫度、pH值等的變化規律；② 聚合物，例如溶液中星形聚合物的結構形貌、共混聚合物的相分離；③ 藥物載體，例如樹枝狀聚合物的結構形狀；④ 複雜流體，例如自組裝、膠體形貌和相互作用；⑤ 磁性材料的磁疇和磁性不均勻性；⑥ 合金等功能材料中的缺陷，相分離過程。

中子反射儀

中子反射可用於薄膜(1～500 nm)及表面界面性質的研究，包括生物膜、聚合物薄膜、磁性薄膜、固體和自由液體表面及界面的成分和結構。通過附加各種樣品環境，原位觀測樣品在不同條件下的性質；結合反差變化，中子束極化等技術，在生命科學、軟物質和磁性材料等前沿熱門研究領域獲知獨特重要的信息。主要研究內容包括：① 生物膜的結構成分，例如蛋白質酶在生物膜中的分布及生物膜的厚度，及其隨溫度、濕度、pH值的變化；② 聚合物薄膜間的擴散性質；功能聚合物的性能分析，例如光敏感聚合物薄膜的結構成分；③ 表面界面性質的研究，例如分子水平上研究表面活性，親水或疏水材料表面的結構和性質；④ 磁性多層膜和磁性超薄膜的結構和磁性。

中子照相譜儀

中子照相原理是利用中子束穿過物體時在強度上的衰減變化，對被測物體進行透視成相，從而反應樣品內部材料的空間分布、密度、各種缺陷等綜合信息。中子照相作為一種無損檢測技術， 目前在航天、航空、軍工、核工業、建築、考古、生物學、汽車工業、醫學、材料學、電子元器件、石油、化工、冶金工業、能源存儲等領域中有著廣泛的需求和套用。

套用

測定氫原子位置

早在20世紀30年代人們就用X 射線研究過凍的晶體結構, 但只肯定了凍的晶體為六角結構, 氧原子占據四面體的中心及三個頂角位置, 而沒有看清氫在哪裡。 於是只能給出四種可能的結構模型, 對氫的位置作了四種可能的猜測。

1949年, Wollan等利用粉末中子衍射測量了重凍的晶體結構。 實驗表明, 在X 射線給出的四種模型中, 中子衍射結果支持著名化學家Pauling 提出的半氫( half hydrogen)模型。 按照這個模型, 氫原子位置並不固定, 一半時間靠近一個氧原子, 另一半時間靠近另一個氧原子。 1953年, Peterson等利用單晶中子衍射對重凍的晶體結構再次進行測量, 證實了Wollan等的結論是正確的。

磁結構研究

中子的磁散射可以向我們提供磁結構的知識。1983年, 日本和美國研製出磁能積高達360 J/m 的優質永磁合金Nd- Fe- B, 在這種新材料的化學分子式Nd₂Fe₁₄ B還不知道的情況下, 人們就用中子衍射定出了它的結構和磁結構, 闡明了它的作用機理。中子散射技術把我們對磁現象的觀察由巨觀層面推到了微觀層面, 它對近代磁學理論的發展和磁性材料的研發都起到了很重要的作用。第二類超導材料的磁通晶格間距大約在100nm左右, 所以利用長波中子小角衍射可以直接觀察磁通晶格。

圖為

P2+在50mT場強(沿c軸方向)和1.5K溫度條件下用中子小角衍射觀察到的Ba₂Sr₂CaCu₃O₈單晶的磁通晶格衍射圖案

殘餘應力測量

材料和工程部件在焊接、加工過程中往往會形成殘餘應力。 在材料和工程部件的使用上, 殘餘應力是必須考慮的安全因素之一。工業上沿用的殘餘應力測量方法一般是破壞性的, 而中子衍射測量殘餘應力則是一種非破壞性的方法, 近年來它已逐漸被工業界採用, 世界上許多中子散射實驗中心都建立了專用的測量應力的高分辨中子衍射譜儀。

當材料中存在殘餘應力時, 它的晶格會產生畸變, 晶面間距d 會有微小的改變, 從而引起衍射峰的微小位移. 精確測定這一位移, 便能求出所測點的殘餘應力。

織構測量

織構是指材料中的微晶取向不是完全隨機的,而是在一定範圍內有一定的擇優取向。利用中子衍射測量織構可採用極圖、反極圖和三維取向分布數三種表示方法。這些方法都是從X 射線衍射測量方法移植過來的。 但中子測量給出的是大塊材料的平均效果, 更能接近材料的實際情況, 而X 射線測量的只是接近材料表面層的織構。

生物分子研究

生物分子結構的測定需要靠X 射線和中子共同完成。生物分子中含有大量碳、氫、氧、氮原子；蛋白質中的氫原子數目占原子總數的三分之一到二分之一, 它們能形成蛋白質分子特有的三維結構；質子還參與許多催化機制。中子不僅對氫靈敏, 而且還能較好地分辨氮原子和碳原子。中子對生物活體樣品的破壞性小，一個樣品至少可以使用半年以上而不損壞，可以用一個樣品收集全套數據. 這些都是用中子研究生物分子的優點。

在生物分子研究中, 中子對氫的識別能力得力於氫和氘的散射長度的差別。 由於這個差別, 在溶液樣品中加入一定比例的重水， 就可以使溶液的散射長度密度與樣品中的某個組分相等, 從而可以突出其他組分對散射的貢獻. 這種方法稱為氘反差法. 對非溶液樣品可以通過所謂選擇性氘化的方法, 將樣品中某些氫原子用氘置換, 從而把複雜的結構分解為相對簡單的一些亞單元。

極端環境條件下的物質結構研究

利用中子對物質的高穿透本領, 我們可以把樣品放在能夠改變溫度、壓力、外場強度的容器中或環境下進行中子散射研究。將壓力、溫度等推延到極端情況, 更可以探索極端條件下的許多現象。

人們很早就知道，海洋深處甲烷水合物的儲量很豐富, 大約是地球上其他化石燃料總和的一倍。水合甲烷的結構很奇特，它由一些水分子形成籠狀結構，籠的中心有若干個甲烷分子，這種結構是在海洋深處高壓、低溫條件下形成的。 一旦脫離這種環境,其結構便被破壞，從其中逸出的氣體不但得不到利用, 還會形成大量CO₂, 破壞環境。因此, 為了開發利用海洋深處的水合甲烷, 必須先在一定外部條件下研究其結構和晶格動力學行為。目前國外科學家已著手用中子散射研究在不同壓力、溫度條件下水合甲烷的結構和動力學性質。