多学科应用平台─散裂中子源
结构快速测定——高通量粉末衍射仪应用 Fieldinduced bondbreaking in MnAs
CSNS
Magnetic field dependence of the diffraction pattern
J Mira et al. Phys. Rev. Lett. 90, 097203 (2003)；D. Vaknin etal., PRL 92, 207201 (2004); I K Jeong et al., PRL92, 105702 (2004)
多学科应用平台─散裂中子源
中子探针特性—强穿透能力
CSNS
飞机涡轮的叶片与 轮盘的焊接应力测量
多学科应用平台─散裂中子源
中子探针特性—具有磁矩
Spin = ½ μn = - 1.913 μN
CSNS
(a)铁磁(b)反铁磁(c)螺旋型 (d)锥形
中子是研究材料中磁结构和磁涨落的特有工具
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磁结构和磁相变——高通量粉末衍射仪应用
Crystallization of spin liquid in geometrically frustrated system
CSNS
I Mirebeau et al., Nature 420, 54 (2002); Y Taguchi et al., Science 291 (2001)
C. Lambertiet al., J. Am. Chem. Soc. (2001) 123, 2204; G. Artioli et al. , Acta Cryst. (2000). B56, 2; J. S. Seo et al., Nature 404, 982 (2000)
多学科应用平台─散裂中子源
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高分辨粉末衍射仪应用
CSNS
应用范围： 大晶胞复杂分子的结构：结构变量可达400; ab-initio结构确定; 晶态结构中局域细小变化的确定; 对称性的细微变化和相变； 晶胞参数的精确测定;
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高分辨粉末衍射仪应用
CSNS
应用范围： 大晶胞复杂分子的结构：结构变量可达400; ab-initio结构确定; 晶态结构中局域细小变化的确定; 对称性的细微变化和相变； 晶胞参数的精确测定;
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中子探针特性—对较轻的原子灵敏
氢 锂 碳 氧 硫 锰 锌
CSNS
铯
X射线
中子
高温超导体中氧的位置和占有率
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中子与同步辐射在物质结构研究上互补
CSNS
Al2(PO3CH3)3 (甲基沸石)的结构 红，白色部分分别是X射线，中子散射的结构分析结果
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中子特性—电中性
Charge = 0
CSNS
与物质相互作用时，中子几乎不受原子核外电子的影响，被散射 的可能性主要取决于原子核的性质。这些带来四个优势： • 中子对轻元素敏感，并可区分同位素。 • 中子的穿透能力较强。研究的是体效应，更容易接近研究 对象的本质；易于开展极端条件下物质结构和动态的研究。 • 中子散射结果可在量子力学一级微扰的框架内得到合理的 解释，便于与分子（晶格）动力学的数值模拟比较。 • 中子对物质的破坏很小，更有利于研究生物活性体系。 相对于X射线或同步辐射，中子源能提供的中子通量相对较低，局限 了中子散射的研究范畴，通常研究能获得较大样品量的材料体系。
CSNS
中子散射特点和应用
王芳卫
中国科学院物理研究所
近代物理分析方法，中国科学院研究生院 (2005.03, Beijing）
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CSNS
• 中子特征及多学科应用 • 散裂中子源及建设内容简介 • 一期谱仪介绍
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中子特性—波长覆盖宽的微观尺度
CSNS
多学科应用平台─散裂中子源
大晶胞复杂分子的结构——高分辨粉末衍射仪应用
CSNS
Si(1-x)O(2-4x)(OH)4x ；V = 5327.62 (5) Å3
Orthorhombic：晶位 Monoclinic: 晶位 38；变量 72；变量 >155 >292 monoclinic
orthorhombic
Metal organic magnet based on oxalate (C2O4)2or thio-oxalate ((C2O2S2)2- anions
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Physics
中子散射发展历史 Soft
multidisciplinary condensed matter science
CSNS
1990 1980
1970
1960
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Hard
CSNS
• 中子特征及多学科应用 • 我国散裂中子源及建设内容简介 • 一期谱仪介绍及应用范畴
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磁结构和磁相变——高通量粉末衍射仪应用
Onset of antiferromagnetism in heavy-fermion metals
CSNS
Partial order in the non-Fermiliquid phase of MnSi
A. Schroder et al., Nature 407, 351 (2000); N D Mathur et al., Nature 394, 39 (1998)
CSNS
高压粉末衍射仪
靶冷却系统
单晶逆几何非弹性谱仪 低能直接几何非弹性谱仪 液体反射仪 多用途反射仪 小角衍射仪 工程粉末衍射仪 高能逆几何非弹性谱仪
入射质子束
高能直接几何非弹性谱仪
慢化器：
液态甲烷 (100K）
液 氢 (20K)
水 (300K)
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CSNS
• 中子特征及多学科应用 • 散裂中子源及建设内容简介 • 一期谱仪介绍及应用范畴
中子散射发展历史
CSNS
Physics
1960
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Physics
中子散射发展历史
CSNS
Chemistry
1970
1960
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Physics
中子散射发展历史
CSNS
Biology
Geology Engineering
1980
Chemistry
1970 1960
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散裂中子源的意义
CSNS
随着科学技术的飞速发展，薄膜、纳米团簇、生 物大分子和蛋白质等研究体系成为研究的主要对象。
• • •
周期结构单元更大 样品体积更小 结构形态变化更快
高通量中子源
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世界中子源的发展
CSNS
J-PARC CSNS
多学科应用平台─散裂中子源
多学科应用平台─散裂中子源
靶站结构和慢化器功能 三个不同的慢化器 提供不同特征的中子波 长和脉冲特性，以满足 多学科的要求。
CSNS
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CSNS谱仪的布局
CSNS
Proton
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CSNS谱仪的总体安排
无序材料衍射仪 eV 谱仪 单晶衍射仪 低能逆几何非弹性谱仪 长波粉末衍射仪 中子物理 高分辨粉末衍射仪 高通量粉末衍射仪 背散射谱仪
Several distinct metastable forms of amorphous Ice
CSNS
Methane and hydrogen in clathrate hydrate
C. A Tulk et al., Science 297, 1320 (2002)
J. S. Loveday et al., Nature 410, 661 (2001); W. L. Mao et al., Science 297 (2002)
有机磁体结构与磁结构——高分辨粉末衍射仪应用 Neutron probes moleculebased metal-organic magnets
J M Bradly et al. Inorg. Chem. 42, 986 (2003)
CSNS
Magnetic scattering from the dithio-oxalate salt-
多学科应用平台─散裂中子源
中子探针特性—强穿透能力
燃气涡轮发动机实时监测
CSNS
Cu Steel Hexan. Ti Teflon Mg Si Al 0
低温高场下的中子散射
1
2
3
4
5
6
7 cm
热中子在不同材料中的穿透深度
穿透能力强，可以对较大的部件进非 破坏性测量，利于加载高温高压及强 场等极端条件设备。
高通量粉末衍射仪 高分辨粉末衍射仪 小角衍射仪 多功能反射仪 直接几何非弹性散射仪
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高通量粉末衍射仪
CSNS
设计参数： 慢化器：液态甲烷 LCH4 (100K) 慢化器-样品距离：~30m 样品-探测器距离：1-5 m 探测器：3He正比记数管阵列 样品体积：>1 mm3 测量时间：>1 min 分辨率∆d/d： 0.05 (30°); 0.02 (90°)
CSNS
R. I. Walton et al., Rev. Sci. Instrum., (1999) 70, 3391; /isis2000/highlights/in-situDiffractionH1.htm