中子自旋迴波譜儀

中子自旋迴波（Neutron spin echo）譜儀是一種非彈中子散射技術，由Ferenc Mezei於1970年代發明，並於John Hayter共同發展。為表彰他這項工作以及在其他領域中的成就，1999年Mezei被授予第一個Walter Haelg獎。

自旋迴波譜儀具有極高的能量解析度。另外，它測試的是以動量轉移Q與時間為函式的密度-密度關聯（或中間散射函式）F（Q，t）。其他中子散射技術測量的是動力學結構因子S（Q，ω），可以通過傅立葉轉換成F（Q，t），這在實際操作過程中可能比較困難。對弱的非彈性特徵，S（Q，ω）更適合，而對（慢的）弛豫，由F（Q，t）給出自然的表述。由於其具有相比於其他種子散射技術非凡的有效能量分辨，中子自旋迴波是一種材料中過阻尼內部動力學模（弛豫）及其它擴散過程的理想方法，如共混聚合物、烷烴鏈、微乳劑。近些年，通過對蛋白質NHEFR1（鈉氫交換子調節因子1）及Taq聚合酶耦合內部蛋白質動力學的直接觀察，已證明了中子自旋迴波譜儀的非凡能力，該技術允許對蛋白質納米機器（分子機器）運動的直接可視化。

工作原理

中子自旋迴波是一種飛行時間技術。考慮到中子的自旋，該技術與所謂的哈恩發現的自旋迴波非常類似，這在核磁共振中是眾所周知的。在上述兩種情況中，由於自旋移相造成極化（磁化）損失，通過一項時間反轉操作再次存儲起來，從而使極化復原。在核磁共振中，原子核位置的局域場變化引起移相的發生，而在中子自旋迴波中，是由於入射中子束不同的中子速度引起。在試樣前置磁場中的準確區域，中子自旋的拉莫爾進動將中子束中每箇中子速度編碼為進動角。在接近試樣區域，由一個所謂的倒相器實現時間反轉。在對稱放置的破譯區末端，準備區累積的進動角得到精確的補償（假定試樣不改變中子速度，即為彈性散射），所有自旋歸相形成自旋迴波。理想情況下，所有極化都被重新存儲。這個效應並不依賴於入射中子的速度、能量或波長。如果試樣處的散射並不是彈性的，即改變了中子速度，復位就並不完全，並造成最終極化的衰減。該損失的程度依賴於時間變化的分布。中子需要飛越穿過對稱分布的第一（編譯）與第二個（破譯）進動區域。試樣處的非彈性散射引起的速度變化導致時間變化。這些時間的變化分布正比於散射函式S（Q，ω）的光譜部分。對準彈性高分辨譜儀，該比例近似於線性關係。測量的中子束極化效果與光譜函式（即中間散射函式F（Q，t））的傅立葉餘弦變化成比例。時間參數依賴於中子波長以及進動角與（倒易）速度的關聯因子，可以通過在準備與破譯區設定某個磁場進行控制這一參數。時間掃描可通過不同的磁場完成。

一個重要的說明是，所有的自旋操作僅是探測中子速度變化的一種方法，中子速度的變化傳達了物理信息。使用中子自旋迴波的主要理由是通過上述方法可以達到100 ns量級的傅立葉時間，對應的能量解析度在neV範圍。最接近這個分辨的中子譜儀，稱為背散射譜儀，其能量解析度範圍為0.5至1 meV。

說明：上述解釋基於一般的中子自旋迴波結構，第一次在法國勞厄·朗之萬研究所的裝置上使用，其他方法可能是共振自旋迴波。中子共振自旋迴波系統中，在準備與破譯區末端的倒相器中有一個直流場與一個射頻場，並無磁場（零場）。由於技術難度，直到現在也還沒有達到一般中子自旋迴波類型（IN11）的性能水平。

可測量對象

在軟物質研究中，通常由中子小角散射研究大分子物質的結構。一些分子中的氫與氘互換可以產生散射襯度。如果在實空間中進行解釋，中子小角散射圖譜對應了分子排列的快照。中子自旋迴波裝置可以分析中子小角散射強度的非彈性寬化，從而可以分析大分子物質的運動。一個粗糙的比擬即一幅含一定開放時間的照片，而不是如中子小角散射的快照。這樣，我們可以同時分析分子的排列于振動頻率。開放時間對應於傅立葉時間，其依賴於中子自旋迴波譜儀的設定，並與磁場（積分）與中子波長的三次方成比例。幾百納秒的時間可以達到。散射實驗的空間分辨在納米範圍，這意味著如100 ns的時間範圍對應有效的分子運動速度在1 nm/100 ns = 1 cm/s。這可以與這些實驗中使用的典型中子速度可以相比擬。

中子自旋迴波與自旋非相干散射

使用常規的飛行時間或背散射譜儀的許多非彈性研究依賴於大的質子非相干中子散射截面。散射信號由相應的貢獻占主導，代表了質子的（平均）自相干函式。

對中子自旋迴波，非相干散射的一個劣勢是，其翻轉中子自旋的機率為2/3。這樣，將散射強度的2/3轉變為非極化背底，而在傅立葉餘弦積分貢獻（為固有的非相干強度）前面有一個因子-1/3。這個信號從相干回波信號中扣出。

以軟物質試樣為例，中子自旋迴波的強度情形與小角散射相同。這意味著在低動量轉移Q具有相干散射襯度的分子顯示一個比非相干貢獻（背底水平）更大的強度。但是，在更大的動量轉移處，大約在Q = 0.3 Å，非相干散射比相干部分更強。至少對於含氫體系，襯度需要一些質子的存在，即使一些純的氘化樣品有來自氘核的自旋非相干散射，但比質子散射要弱40倍。充分質子化的試樣允許測試的成功，但其強度在中子小角散射背底水平。這就要求長的計數時間。

說明：中子自旋迴波計數中的自旋操作干涉僅僅在自旋非相干散射時發生。各項同性的非相干散射產生一個常規的中子自旋迴波信號。

現有譜儀部分列表

法國勞厄·朗之萬研究所的IN11與IN15；

美國國家標準與技術研究所的中子研究中心的NG5-NSE ；

美國橡樹嶺國家實驗室散裂源SNS的NSE；

德國慕尼黑技術大學的FRM-II研究堆的RESEDA；

德國哈恩-邁特勒研究中心（HMI）的V5/SPAN。