中子散射简介_精品文档.ppt

1、中子散射简介2005.5.171内容n中子散射的重要性及国际现状n中子散射的特点n中子与中子源n中子散射的基本概念n中子散射技术的应用及典型设备n我国中子散射的现状与未来2中子散射的重要性及国际现状n当今人类的生活质量极大的依赖于我们对材料性能的了解和控制，而材料的性能最终取决于其微观结构。射线、光、电子、中子散射等。这些技术中的每一种都是最适合于探测结构和动力学的某一方面，彼此互补。对一些技术上重要的材料如塑料、蛋白质、聚合物、纤维、液晶、陶瓷、硬磁和超导等的微观结构以及对基础物理如相变、量子流体和自发有序等方面的研究，中子散射都做出了重要贡献。3中子散射的重要性及国际现状 n中子散射技术自

2、20世纪50年代奠基以来，一直受到极大的重视并得到迅速发展。目前，它已广泛用于生物、医药、物理、化学、高分子、冶金、材料和地矿等各种学科及工业应用中。如在生命科学中，中子小角散射用来研究分子尺寸大小、生物膜的结构、核糖体的形状、甚至流行性感冒病毒的内在结构。化学家用中子散射检验聚合物链重叠的程度、液晶的结构和行为、分子在自由表面和液体与固体界面的位置和取向等。物理学家和冶金学家用中子散射研究凝聚态物理和新型材料等活跃的基础和应用学科。4中子散射的重要性及国际现状 5n中中子子散散射射目目前前正正处处于于方方兴兴未未艾艾、蓬蓬勃勃发发展展的的阶阶段段，正正由由基基础础研研究究向向广广泛泛的的工工

3、业业应应用用延延拓拓，其其重重要要性性将将越越来来越越明明显显地地表表现现出出来来。瑞瑞典典皇皇家家科科学学院院将将19941994年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖授授予予为为开开拓拓中中子子散散射射技技术术作作出出重重要要贡贡献献的的两两位位科科学学家家美美国国的的ShullShull教教授授和和加加拿拿大大的的BrockhouseBrockhouse教教授授，这这标标志志着中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。着中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。n在在工工程程、材材料料、器器件件乃乃至至生生物物医医学学方方面面都都在在向向更更精精细细、更更微微观观的的世世界界进进军军。电电子子技技

4、术术的的不不断断微微型型化化，纳纳米米材材料料的的出出现现，有有机机材材料料、生生物物、医医学学在在分分子子基基础础上上的的不不断断发发展，中子散射是研究其结构的理想探针。展，中子散射是研究其结构的理想探针。中子散射的重要性及国际现状 6中子散射的重要性及国际现状 7n中中子子散散射射现现已已成成为为一一个个专专门门的的技技术术领领域域。国国际际上上这这一一领领域域的的专专业业人人员员约约为为五五千千人人。这这一一领领域域的的国国际际交交流流是是很很频频繁繁的的，每每二二年年或或三三年年不不仅仅有有国国际际晶晶体体学学大大会会的的中中子子散散射射卫卫星星会会，而而且且有有专专门门的的国国际际中

5、中子子散散射射会会议议。国国际际原原子子能能机机构构几几乎乎每每两两年年就就搞搞一一次次中中子子散射的培训班。散射的培训班。n在在欧欧、美美等等国国每每年年还还举举办办夏夏日日学学校校(summer(summer school)school)、工工作作短短训训班班(training(training course)course)和和研研讨讨会会(workshop),(workshop),日日本本和和印印尼尼每每年年联联合合举举办办亚亚太太地地区区研研究究堆堆利利用用研研讨讨会会，中中子子散散射射是是其其中中一一项项主主要要内内容容。其其目目的的都都在在于于交交换换信信息息和和培培训训人人才才。

6、中中子子散散射射有有自自己己的的专专业业杂杂志志，中中子子散散射射的的研研究究成成果果遍遍及及物物理理、化化学、生物及材料等各种专业杂志。学、生物及材料等各种专业杂志。中子散射的重要性及国际现状 8n世世界界上上用用于于中中子子散散射射的的反反应应堆堆约约有有5050座座：欧欧洲洲有有2323座座，美美洲洲8 8座座，亚亚太太地地区区1616座座，俄俄罗罗斯斯3 3座。散裂中子源座。散裂中子源5 5个。个。n欧欧洲洲一一直直处处于于中中子子散散射射研研究究的的领领先先地地位位，日日本本也也后后起起直直追追发发展展很很快快。由由丹丹麦麦、法法国国、德德国国、瑞瑞士士、英英国国等等国国联联合合建建

7、造造的的新新的的欧欧洲洲散散裂源裂源(ESS)(ESS)预计到预计到20102010年可投入运行。年可投入运行。中子散射的重要性及国际现状 9n德德国国在在慕慕尼尼黑黑已已经经建建成成一一个个20MW20MW的的用用于于中中子子散散射射的的高高通通量量堆堆FRM-IIFRM-II。澳澳大大利利亚亚、加加拿拿大大也都在建新的反应堆。也都在建新的反应堆。n美美国国已已感感到到了了自自己己在在中中子子散散射射研研究究方方面面的的落落后后状状态态，其其能能源源部部决决定定提提供供经经费费在在ORNLORNL建建造造新新的的散散裂裂中中子子源源(SNS)(SNS)，由由美美国国六六大大中中子子散散射射研

8、研究究中中心心合合作作进进行行，并并提提出出了了建建造造3737台台谱谱仪仪的方案。的方案。中子散射的重要性及国际现状 10中子散射的重要性及国际现状 11中子散射的重要性及国际现状 18-Wide Angle Chopper Spectrometer IDT DOE Funded Commission 200717-High Resolution Chopper Spectrometer DOE Funded(SING)Commission 200813-Fundamental Physics Beamline IDT Funding TBD Commission TBD11A-Powder

9、 Diffractometer SNS Funded Commission 200712-Single Crystal Diffractometer DOE Funded(SING)Commission 20099-Engineering Diffractometer IDT CFI Funded Commission 20086-SANS SNS Funded Commission 20075-Cold Neutron Chopper Spectrometer IDT DOE Funded Commission 20074A-Magnetism Reflectometer SNS Funde

10、d Commission 2006 3-High Pressure Diffractometer DOE Funded(SING)Commission 20072-Backscattering Spectrometer SNS Funded Commission 20061B-Disordered Matls Diffractometer DOE Funded(SING)Commission 2010PROTONS4B-Liquids Reflectometer SNS Funded Commission 2006 14B-Hybrid Spectrometer DOE Funded(SING

11、)Commission 201115 Spin Echo?Chemical Spectrometer60 m12什么是中子散射?一束中子被样品散射后，通过测量其能量和动量的变化来研究在原子、分子尺度上各种物质的结构和微观运动规律。即原子、分子在哪里？原子、分子在做什么？13l ll l()Neutrons什么是中子散射?14中子散射的特点n中子不带电荷具有极强的穿透力，因而中子散射研究的是体效应，更接近实际。可以开展极端物理条件下的中子散射实验研究。其非破坏性，更有利于生物样品的研究。15中子散射的特点n中子具有波、粒二重性，热中子波长和能量与凝聚态物质中原子间距离和一些元激发能相当。其散射强

12、度能定量的与样品的结构和动力学性质相关，能研究静态结构和动态图像。(300K=30 meV,50K=5 meV)=Inelastic Experiments16中子散射的特点n中子散射是核散射，散射长度随Z不规则变化，允许我们去看轻元素尤其是氢，对鉴别周期表上的近邻元素有利。CsZrMnSOCLiHX-raysNeutrons17中子散射的特点n散射长度随A不规则变化，可鉴别同位素，对特定的元素能同用位素替代，以便更仔细地给出结构和动力学信息，如氘化。1819中子散射的特点n中子具有磁矩，对研究微观磁结构和磁波动，中子是理想的探针。n中子是个弱探针，对实验系统扰动很微弱，这有助于理论解释，也常

13、常意味着，中子散射在许多领域提供更为可信的结果。20中子散射的特点v热中子散射正是充分发挥了中子所具有的独特性，使之成为在许多科学问题的探索上用其它技术手段无法替代的工具。它既有广泛的应用性，又具有基础研究的能力。21中子散射的缺点n中子源设备庞大，造价高。n强度不够，对小样品或表面的研究困难。在样品处：一般中子源的单色中子强度108/cm2s而同步辐射的光子强度可达1017/mm2sn对特殊的元素中子无鉴别力(当散射长度b接近时)。22与光散射和X射线散射的比较n光散射能量转移大，动量转移小，研究的是Q0性质，只能测S(),是频率变化的分布，是粒子的时间行为(对空间积分)。nX射线散射能量转

14、移太大，不能分辨，所测是散射矢量的分布S(Q)，测得的是粒子的空间行为(t0的瞬时图像)。n而用中子可测S(Q.)，测得粒子的时空信息。中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子磁化强度的分布。23中子与中子源中子与中子源The neutron was discovered in 1932 by ChadwickCoherent neutron diffraction(Bragg scattering by crystal lattice planes)was first demonstrated in 1936 by Mitchel&Powers and Halban&Preiswerk a

15、s an exercise in wave mechanicsThe possibility of using the scattering of neutrons as a probe of materials developed with the availability of copious quantities of slow neutrons from reactors after 1945.Fermis group used Bragg scattering to measure nuclear cross-sections24中子与中子源中子与中子源The application

16、 of slow neutron scattering to the study of condensed matter had its birth in the work of Wollan and Shull(1948)on neutron powder diffraction.25中子与中子源中子与中子源n稳态源：目前多为反中子阱型反应堆。通常装有冷中子源（Cold Neutron Source)最好还装有烫中子源(Hot Neutron Source)n脉冲源：一种是脉冲反应堆，如俄罗斯Dubna的IBR。一种是加速器散裂中子源：高能质子束轰击 重金属靶产生散裂中子，然后被慢化。26FissionChain reactionContinuous flow1 neutron/fissionSpallationNo chain reactionPulsed operation30 neutrons/proton中子与中子源中子与中子源27中子与中子源中子与中子源28Reactor e.g.,ILL,France1.5x1015 n/cm2/s Advantages:high tim