典型波长的中子与X射线对应的能量比较
波长/nm 0.1 1.0 10.0
中子能量/meV 8.18×101 8.18×10-1 8.18×10-3
X射线能量/meV 1.24×107 1.24×106 1.24×105
热中子能量与物质中许多动态过程的激发能量相当
中子散射的特点—设备庞大，造价和运行费用高
Scattered Neutrons
Incident Beam
kf
Scattering Angle 2
ki
Sample
Non-Scattered Beam
Q
Measure scattered neutrons as a function of Q and S(Q,). = 0 elastic ≠ 0 inelastic near 0 quasielastic
国内中子源现状
目前国内的中子散射技术蓬勃发展。 中国原子能科学研究院中国先进研究堆（CARR） 中国工程物理研究院绵阳研究堆（CMRR） 中国科学院中国散裂中子源（CSNS）
HANARO反应堆上中子散射谱仪布局图
中子散射的重要性
H2 H2
H
H
Fe Nb
H H
Fe
Modification of the exchange coupling via hydrogen absorption
2800 2400 2000 1600 1200
800 400
0
8
+ Observed Nuclear Magnetic
12
16
20
24
28
32
国外中子源现状
反应堆中子源约50座（其中欧洲26座，美洲8座，亚太地区16座），如法国Grenoble的HFR堆、 Saclay的ORPHEE堆、美国Oak Ridge的HFIR堆、俄罗斯Dubna的IBR-2堆、日本JRR-3M堆、澳大利 亚ANSTO的OPAL堆、韩国KAERI的HANARO堆等；一些散裂中子源，如美国Argonne的IPNS源、Los Alamos的LANSCE源、英国Rutherford实验室ISIS源、日本KEK的J-PARC源、欧洲ESS源等。
中子衍射技术及应用
报告人： 夏元华 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所
2019.07 绵阳
报告目录
1
中子散射原理及特点
2
中子衍射原理及技术
3
CMRR中子衍射谱仪
4
中子衍射技术应用实例
报告目录
1
中子散射原理及特点
2
中子衍射原理及技术
3
CMRR中子衍射谱仪
4
பைடு நூலகம்
中子衍射技术应用实例
中子散射
。
C.G.Shull，美国物理学家，中子晶 体学和中子磁性散射的奠基者、开拓 者。获1994年诺贝尔物理奖—“帮助 解答了原子在哪里的问题”。
36
40
2 theta (deg)
Log. Neutron Reflectivity (a.u.) Intensity at Antiferromagnetic Peak (a.u.)
Counts
[26 ? Fe / X ? Nb] x n
8.0 ? Nb 15.1 ? Nb 18.4 ? Nb
24.0 ? Nb
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
q (? -1)
[2.6 nmFe / 1.5 nmNb]x18
Fe Fe
Fe
Hydrogen
Fe
charging
Fe
Fe
Hydrogen
Outgasing
Fe
Fe
10-5 100
101
102
103
p (mbar) H2
中子是研究材料中磁结构和磁涨落的特有工具
利用中子散射对飞机涡轮机和石油管道进行应力及微裂纹分析
中子散射的特点—核散射
核散射—对轻元素灵敏，可以分辨邻近元素和同位素
中子与原子核作用，散射截面随Z无规则变化。（X光子与核外电子作用，灵敏度∝Z2） H、C、N、O，生命物质；氢键；储氢材料。 Mn、Fe、Co合金；超离子导体β-氧化铝，测定其中Mg和Al的位置。 16O和18O；H-D标记分辨（生物、医学）。
氢 锂 碳 氧 硫 锰锌 铯
中子与X射线散射截面比较
中子散射的特点—有磁矩
中子有磁矩，与磁性物质有较强的相互作用，形成中子特有的磁散射，是获取 磁性材料磁结构信息直接有效的方法，在磁结构分析方面处于几乎垄断的地位。
Pd Nb Fe
...
Nb Fe Nb Fe Cr Si
Exchange coupling energy J ~ sin (2 kF tNb)
B.N.Brockhouse，加拿大物理学家，中子非 弹性散射和晶体动力学奠基人，第一台三轴 谱仪的设计者。获1994年诺贝尔物理奖— “帮助解答了原子在做什么的问题”。
中子散射基本原理
中子散射：泛指中子与物质相互作用后中子的出射效应，包括核散射与磁散射两类。 核散射：原子核对中子的散射（弹性、非弹性） 磁散射：磁性原子的磁矩与中子固有磁矩相互作用产生的散射
中子散射的特点—波长、能量适当
波长、能量适当—用于“静态”和“动态”结构测量的理想探针
用于中子散射的低能中子波长约0.1-1nm，能量约1-100meV，与凝聚态物质中原子间距和一 些元激发能相当，是一种理想的探针(波长、能量均匹配），研究静态（空间结构与位置） 和动态（能量和动量的传递与转换）特性。
k 2
Energy E k 2
2mn
Q ki k f Energy Transfer Ei E f
中子束被物质散射 后，通过测量其能 量和动量的变化来 研究物质的微观结 构和运动规律。
中子散射的特点
中子不带电荷，非破坏性，有利于生物样品的研究； 中子具有极强的穿透力，研究的是体效应，适合于极端条件下的原位观测； 中子散射是核散射，散射长度随Z不规则变化，对轻元素和序数相近元素原子敏感； 中子能量与晶格振动能量相当，可获得固体的声子谱特性； 中子具有磁矩，对磁结构和磁激发的探测有独特优势。
中子散射的特点—电中性
电中性—无库仑位垒，非破坏性，穿透能力强。 Cu Steel
Hexan.
Ti
利于加载高低温、高压及强场等极端条件设备。可对较
Teflon Mg
大的部件进非破坏性测量；探测容器内样品材料信息。
Si Al
非破坏性，有利于生物样品的研究.
0 1 2 3 4 5 6 7 cm
低温下的中子散射实验； 高压下的中子散射实验组装。