一文簡(jiǎn)析中國(guó)散裂中子源中子譜儀

中子譜儀利用中子與原子核的作用來(lái)進(jìn)行物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的研究。如果把散裂中子源比做超級(jí)顯微鏡，每臺(tái)中子譜儀都是一個(gè)“顯微鏡”。中子譜儀的工作原理如圖1 所示，中子源產(chǎn)生的中子當(dāng)做一束“光”，入射到科學(xué)家用戶要研究的“黑盒子”樣品上進(jìn)行觀測(cè)，中子將與樣品內(nèi)部原子核發(fā)生作用，中子探測(cè)器類(lèi)似人的“眼睛”收集與樣品作用后各方向出射的中子，最終通過(guò)散射中子方向、速度和自旋等的數(shù)據(jù)分析，獲得樣品內(nèi)部原子和分子在哪里，以及如何運(yùn)動(dòng)等信息。這些微觀結(jié)構(gòu)將幫助我們理解物質(zhì)的力、熱、光、電等宏觀屬性。

圖1 中子譜儀的構(gòu)成示意圖

01 中子譜儀構(gòu)成

中子譜儀的主要構(gòu)成包括：

1. 中子源慢化器

中國(guó)散裂中子源擁有三種類(lèi)型的慢化器：快中子在退耦合水(300K)、耦合液氫(20K)、退耦合窄化液氫(20K)，輸出短脈沖、高通量的冷、熱中子。譜儀根據(jù)對(duì)中子通量、分辨率和能譜等的需求，選擇不同的慢化器。退耦合水慢化器適合短波中子需求的譜儀,耦合液氫慢化器適合高通量需求的譜儀，退耦合窄化液氫慢化器適合高分辨率需求的譜儀。

2. 中子導(dǎo)管

中子束流是通過(guò)中子導(dǎo)管傳輸?shù)阶V儀大廳中，進(jìn)而傳輸?shù)綐悠飞稀Ｖ凶幽軌蛟谥凶訉?dǎo)管內(nèi)部的Ni/Ti 超鏡涂層上進(jìn)行反射，從慢化器傳輸?shù)綆资咨踔辽习倜滓酝獾臉悠?a target="_blank">中心。中子導(dǎo)管能夠有效地減小束流損失，保障樣品處的中子通量，節(jié)省樣品輻照時(shí)間，提高譜儀工作效率。

中子導(dǎo)管從結(jié)構(gòu)上可以分成兩大類(lèi)：常規(guī)中子導(dǎo)管和特殊中子導(dǎo)管。常規(guī)中子導(dǎo)管是指矩形中子導(dǎo)管，即內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)為矩形，主要作用是最小損傷地進(jìn)行中子傳輸。特殊中子導(dǎo)管包括橢圓聚焦中子導(dǎo)管、拋物線聚焦中子導(dǎo)管、六邊形中子導(dǎo)管等非常規(guī)結(jié)構(gòu)的中子導(dǎo)管，主要作用是對(duì)寬范圍的中子起到聚焦作用。中子導(dǎo)管按照基片的材料可以分成兩大類(lèi)：玻璃基片中子導(dǎo)管和金屬基片中子導(dǎo)管。玻璃基片中子導(dǎo)管采用含硼或者不含硼的浮法玻璃作為基片。在其表面鍍制超鏡涂層。而金屬基片中子導(dǎo)管則采用鋁或者銅作為基片制作中子導(dǎo)管。

3. 中子斬波器

中子斬波器是一種從時(shí)間尺度上對(duì)束流調(diào)控的中子光學(xué)器件，又稱(chēng)中子能量選擇器。在飛行時(shí)間型中子散射譜儀中，中子斬波器通過(guò)相位控制使轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)與中子的飛行時(shí)間同步，對(duì)中子束流進(jìn)行吸收阻擋和選擇。根據(jù)功能可以分為T(mén)0 斬波器、帶寬斬波器、脈沖斬波器、費(fèi)米斬波器等類(lèi)型。

T0 斬波器功能是去除打靶產(chǎn)生中子瞬間釋放出的大量快中子和高能伽馬射線，降低譜儀本底。帶寬斬波器主要功能是截取指定波段中子，消除多個(gè)脈沖之間長(zhǎng)波中子飛行時(shí)間重疊本底，提高信噪比。脈沖斬波器與帶寬斬波器結(jié)構(gòu)類(lèi)似，主要區(qū)別是脈沖斬波器轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于帶寬斬波器，可以截取極窄時(shí)間窗的束流脈沖。費(fèi)米斬波器主要功能是選擇出單一能量中子，通過(guò)相位同步控制技術(shù)，使得所需要的某個(gè)單一波長(zhǎng)中子才能夠通過(guò)狹縫，其他中子則被中子狹縫包所吸收。

4. 中子探測(cè)器

中子探測(cè)器是中子譜儀關(guān)鍵設(shè)備之一，被譽(yù)為中子譜儀的“眼睛”。中子入射到樣品后，與物質(zhì)發(fā)生相互作用，通過(guò)探測(cè)器測(cè)量穿過(guò)樣品后的中子強(qiáng)度和空間分布，從而得到物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息。由于中子本身不帶電，不會(huì)引起電離和激發(fā)，無(wú)法進(jìn)行直接探測(cè)。因此中子的探測(cè)是通過(guò)中子與敏感材料相互作用，產(chǎn)生帶電粒子或光子實(shí)現(xiàn)間接探測(cè)。常用的熱中子敏感材料有3He，6Li，10B等，這些同位素與熱中子的核反應(yīng)截面大，有利于提高探測(cè)器的中子探測(cè)效率。中子與中子敏感材料作用產(chǎn)生帶電粒子或者光子，產(chǎn)生微弱的模擬電信號(hào)，經(jīng)多通道專(zhuān)用集成電路芯片進(jìn)行放大，然后進(jìn)入數(shù)字邏輯電路進(jìn)行邏輯處理得到入射中子空間和時(shí)間信息，最后通過(guò)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器用于物理分析(圖2)。

圖2 中子探測(cè)器的基本組成

5. 樣品環(huán)境

中子散射原位樣品環(huán)境設(shè)備(圖3)為待測(cè)試樣品提供溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、氣氛、應(yīng)力應(yīng)變以及多場(chǎng)耦合等原位實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得中子散射譜儀能夠在用戶所需要的各種特殊實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品進(jìn)行原位測(cè)量。將中子散射技術(shù)與極端條件樣品環(huán)境相結(jié)合，可充分發(fā)揮中子散射技術(shù)在原位測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)、晶體織構(gòu)、動(dòng)態(tài)相變、電磁特性、應(yīng)力應(yīng)變等方面的優(yōu)勢(shì)。

圖3 主要中子散射原位樣品環(huán)境示意圖

6. 控制與數(shù)據(jù)分析

譜儀運(yùn)行需要實(shí)驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算等軟硬件支持。實(shí)驗(yàn)控制負(fù)責(zé)各種設(shè)備的配置、調(diào)度、檢測(cè)與控制，以及不同設(shè)備之間必要的安全連鎖。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及實(shí)驗(yàn)狀態(tài)記錄與管理等，保證實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化運(yùn)行。數(shù)據(jù)分析負(fù)責(zé)中子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的在線處理和可視化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重建、規(guī)約和物理分析，以及數(shù)據(jù)的計(jì)算模擬等，為譜儀和用戶提供數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)平臺(tái)。

02 中子譜儀分類(lèi)

利用中子、電子、X射線和激光等手段觀測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本原理相似。由于中子和物質(zhì)作用不同，與其他手段互補(bǔ)，從而能夠從不同方面對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)形成完整的描述。中國(guó)散裂中子源中子譜儀充分利用中子與物質(zhì)作用的特點(diǎn)，包括：中子散射能測(cè)定較輕原子，區(qū)分同位素，直接測(cè)定磁結(jié)構(gòu)，具有極強(qiáng)的穿透性等，開(kāi)展高溫、高壓和強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下的原位實(shí)驗(yàn)，最大化發(fā)揮中子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，與其他手段形成充分互補(bǔ)。為物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)提供了強(qiáng)有力的研究平臺(tái)，滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、解決前沿科學(xué)問(wèn)題和瓶頸問(wèn)題。

中國(guó)散裂中子源三類(lèi)慢化器提供20 條中子束流孔道，根據(jù)不同科學(xué)研究的目標(biāo)和各類(lèi)型譜儀的設(shè)計(jì)需求，中子譜儀布局如圖4。

圖4 中國(guó)散裂中子源中子譜儀布局圖。01：小角中子散射儀，02：多功能反射儀，03：液體中子反射儀，04：冷中子直接幾何非彈譜儀，05：高能直接幾何非彈譜儀，06：逆幾何分子振動(dòng)譜儀，07：預(yù)留，08：工程材料中子衍射儀，08A：中子技術(shù)發(fā)展線站，09：高分辨中子衍射儀，10A：預(yù)留，11：大氣中子輻照譜儀，12：中子物理與應(yīng)用譜儀，13：能量分辨成像譜儀，14：微小角中子散射儀，15：高壓中子衍射儀，16：多物理譜儀，17：彈性漫散射中子譜儀，18：通用粉末衍射儀，19：?jiǎn)尉е凶友苌鋬x，20：直接幾何極化非彈譜儀

1. 彈性散射

中子與原子核作用后，沒(méi)有能量的改變，可用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的表征。中子波長(zhǎng)與物質(zhì)中原子、團(tuán)簇的距離相近，可以測(cè)量小到原子的晶體結(jié)構(gòu)(?)、大到納米(nm)/微米(μm)的介觀尺度結(jié)構(gòu)，覆蓋物理、化學(xué)、生物等體系中多尺度結(jié)構(gòu)。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)5 臺(tái)粉末衍射儀：通用粉末衍射儀、多物理譜儀、工程材料中子衍射儀、高壓中子衍射儀、高分辨中子衍射儀。從應(yīng)用上覆蓋：晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)、無(wú)序結(jié)構(gòu)表征和殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)多方面的應(yīng)用。從分辨率上覆蓋：高、中、低三檔分辨率，滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。從樣品環(huán)境上覆蓋：高低溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)多種實(shí)驗(yàn)條件。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)1 臺(tái)單晶衍射儀：?jiǎn)尉е凶友苌鋬x。主要用于單晶材料的磁性結(jié)構(gòu)和生物大分子結(jié)構(gòu)表征。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)2 臺(tái)小角散射儀：小角中子散射譜儀、微小角中子散射譜儀。前者覆蓋常規(guī)的1~100 納米尺度范圍，后者能夠測(cè)量1 微米以上更大尺度的結(jié)構(gòu)。主要應(yīng)用于聚合物、生物大分子、多孔材料等領(lǐng)域納米尺度結(jié)構(gòu)的表征。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)2 臺(tái)中子反射儀：多功能反射儀、液體中子反射儀。前者為垂直幾何，主要用于固體界面結(jié)構(gòu)表征；后者為水平幾何，主要用于液體界面結(jié)構(gòu)表征。

2. 非彈性散射

中子與原子核作用后，能量增加或損失，用于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的表征。中子能量和物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)能量范圍相符，可以探測(cè)小到納電子伏特(neV)、大到電子伏特(eV)的原子運(yùn)動(dòng)、分子振動(dòng)和磁激發(fā)，覆蓋凝聚態(tài)、軟物質(zhì)等體系中的微觀運(yùn)動(dòng)。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)4 臺(tái)直接幾何非彈性散射譜儀：高能直接幾何非彈性中子散射譜儀、直接幾何極化非彈譜儀、彈性漫散射譜儀、冷中子直接幾何非彈譜儀。從應(yīng)用上覆蓋：晶格和自旋動(dòng)力學(xué)。從能量范圍上覆蓋高、中、低能段，滿足不同的研究需求。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)2 臺(tái)逆幾何非彈性散射譜儀：中子背散射譜儀、逆幾何分子振動(dòng)譜儀。前者用于原子/分子擴(kuò)散等慢動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)彈性測(cè)量，后者用于分子振動(dòng)譜的大范圍測(cè)量。

3. 其他

中國(guó)散裂中子源建設(shè)1 臺(tái)中子成像譜儀：能量分辨中子成像譜儀。可以開(kāi)展常規(guī)中子成像和布拉格邊成像，對(duì)材料和部件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)行與服役性能評(píng)估。主要應(yīng)用于能源、材料、裝備制造等領(lǐng)域。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)1 臺(tái)中子俘獲譜儀：中子物理與應(yīng)用譜儀?？梢蚤_(kāi)展瞬發(fā)伽瑪活化分析(PGA)、共振中子俘獲分析和中子深度剖面測(cè)量(NDP)，對(duì)樣品內(nèi)微量和痕量元素進(jìn)行快速和非破壞式檢測(cè)。主要應(yīng)用于能源、地質(zhì)、考古、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)1 臺(tái)大氣中子輻照譜儀：模擬大氣中子不同環(huán)境下的樣品輻照試驗(yàn)，主要應(yīng)用于航空航天、電子通訊、核電、高性能計(jì)算等領(lǐng)域。

中國(guó)散裂中子源建設(shè)1 臺(tái)中子技術(shù)發(fā)展線站：開(kāi)展中子器件、中子技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法學(xué)的測(cè)試和研究，主要應(yīng)用于中子探測(cè)器、極化器、導(dǎo)管等領(lǐng)域。

審核編輯：劉清