15 cm 厚
中子过滤器—PG过滤器
热解石墨(Pyrolytic Graphite)过滤器
极化中子
中子带有1/2自旋⇒sz的本征值是±1/2ħ 极化中子：所有中子束中中子处于其中一个本征值
定义算符σ = 2s/ħ
对于束流中第j个中子，定义如下矢量
中子的极化
对于α方向的极化，定义 其中n+是+1/2本征态的中子数 因此 0 ≤ |P| ≤ 1
– ~10-15 m << 热中子波长=>“点”相互作用 – 仅存在s波分量，各项同性=>散射可以用一个
参量表示：散射长度b (~ 10-14 m)
散射截面为4πb2
中子 => 足球 门柱 => 原子
两个门柱之间距离将大 于 10,000 m
中子与原子核相互作用
• X射线散射截面随原 子序数增加而增加 • 中子散射截面无规律 • 研究较轻元素时（H、 O、C）更好的选择 • 同位素散射截面不同
guides for detector shielding
+11° +15°PSD detector
16°
0°
Cd guides
-37°
position for the slit system
-90°
analyser crystals
--- schematic drawing of the rays
通量 n/(cm2·s) １.２ × 1015
８ × l014
８ × l014
中国的中子源——中国散裂源
2017.2
中子的慢化
水或重水： ~300 K ⇒ Thermal neutrons
液氢：
~20 K ⇒ Cold neutrons
石墨： ~2400 K ⇒ Hot neutrons
中子源的能量分布
中子过滤器—快中子过滤
10cm厚 利用单声子和多声子过程吸收快中子
中子过滤器—共振过滤器
用于高阶中子过滤（仅用于高能）
中子过滤器—Bragg过滤器
nλ=2dsinθ ⇒ λcutoff = 2dmax 其中dmax是最大的d-spacing 超过λcutoff的将穿透 ⇒ 过滤低于λcutoff的中子
反射谱仪
反射谱仪
NG7 @ NIST
反射谱仪
尤其是磁性多层膜
残余应力谱仪
残余应力谱仪
铁轨中应力的变化
四、3.谱学谱仪
• 三轴谱仪 • 时间飞行谱仪 • 反向散射谱仪 • 自旋回波谱仪
三轴谱仪
Flux
Flux
Flux
Flux
E
中子源
E
单色器
单色器
分析器
E
样品
E
分析器
“三轴”
样品
B. N. Brockhouse
• 任意形状、 很大或很小面 积
• 效率高、速 度快
• 较难区分中 子和γ射线
三、中子束流的控制
• 中子谱仪的屏蔽 • 晶体单色器 • 斩波单色器 • 中子速度选择器 • 中子准直器 • 中子镜子和导管 • 中子过滤器 • 极化中子
中子谱仪的屏蔽
屏蔽的目的：人身安全；降低背景 屏蔽的种类：中子；γ射线
中子源—中子产生的方式
反应堆（连续源）
散裂源（脉冲源）
中子源
ILL—反应堆中子源
ISIS—散裂中子源
中国的中子源
绵阳堆 绵阳
中国先进研究堆 CARR, Beijing
中国散裂源 CSNS, Beijing
中国的中子源——中国先进研究堆
主要参数
ILL CARR FRM-II
功率
57 60 20
θc = mθcNi
中子镜子和导管
CARR 弯曲导管降低噪音
中子镜子和导管
中子导管的应用极大增加了冷中子谱仪数量
中子过滤器—噪音的来源
• 快中子 高能中子经多次反射后被探测
• 高阶中子
晶体单色器、分析器等
nλ=2dsinθ
n = 1:
θ⇒λ
n = 2:
θ⇒λ/2
n = 3:
θ⇒λ/3
……
需要在中子束流中放置过滤器
相干与非相干散射
b = A + Bσ⋅I b: 散射长度; I: 原子核自旋 σ: 中子的Pauli自旋算符; A、B: 依赖于同位素的常量
中子与原子核或自旋相互作用后不完全干涉
相干散射（Bragg散射、声子、自旋波）：
σ coh = 4π b 2
非相干散射（漫散射、晶体场、超精细场劈裂导致的原
子核激发、Stoner激发）：
探测器
中子源
样品
重混凝土
屏蔽：中 子和γ
配方：混 凝土、钢、 硼化物等
重量：几 吨至几十 吨
含硼聚乙烯、碳化硼
生物屏蔽墙
其他屏蔽
• 含硼橡胶 易剪切
• 镉板 易剪切
• Gd2O3稀释液 涂抹用
晶体单色器——布拉格散射
Flux
Flux
E
布拉格定律
E
nλ = 2dsinθ
材料： • 热解石墨 （信号强，容易调整，有高阶中子） • 铜 （适合高能 ) • 锗 或 硅 （无高阶中子，信号弱） • heusler合金 （极化中子）
中子
X射线
优点
缺点
能量低
径向发散源
体穿透
弱源
磁矩
弱相互作用
同位素替换 需要大样品
可以获得绝对量 屏蔽更困难
分辨率易计算
谱仪多样化
样品环境多样化
优点 源很强 仅需小束流
ki大
缺点 和电子作用 穿透浅 需要高分辨率 弱磁相互作用 谱仪少
祸兮福所倚，福兮祸所伏
中子散射的测量范围
中子散射的应用范围
二、中子的产生与探测
探测器 1994年诺贝尔奖
三轴谱仪
IN8 @ ILL
三轴谱仪
IN22 @ ILL
三轴谱仪
播放三轴谱仪视频
三轴谱仪
一个点一个点的测量 IN22 @ ILL
三轴谱仪
Flatcone@ILL
三轴谱仪
analyser table with 11 single analysers
analyser shielding entrance
“翻转”中子极化
ωL
B
S N
极化中子的实验方案
单轴极化中子实验方案
cryopad
观测任意方向的极化信息
ห้องสมุดไป่ตู้
四、1. 中子照相谱仪
中子照相谱仪-放大技术
中子照相谱仪-实例
X射线和中子对Hercules雕像照射的比较
中子照相谱仪-实例
中央木质茎中螺旋叶状结构 2.6亿年前陆地动物就可以听
中子照相谱仪-实例
中子： 发现（1932，Chadwick，1935 Nobel）
⇒晶体布拉格散射（1936, Mitchell & Powers） ⇒中子散射谱仪（1946-1962, Shull & Brockhouse, 1994 Nobel —— 工作时间到得奖最长的）
原因何在？——中子散射技术发展缓慢
中子散射与X射线散射比较
σ inc
=
4π
b
2
− 4π
2
b
中子散射基本公式
动量守恒：
能量守恒：
弹性散射： 当Ei = Ef 或 ki = kf时
非弹性散射： 当Ei ≠ Ef 或 ki ≠ kf时
ħQ : 转移到晶体的动量 Q = ( H, K, L) 为晶格倒 空间波矢
中子散射基本公式
中子散射强度直接对应磁矩在空间和时间上的关联情况
中子与电子的相互作用
磁矩：-1.913 µN ; 自旋： ½ • 与固体中未成对的电子自旋相互作用
• 散射长度与原子核散射长度接近
• 可极化，从而确切判断信号是否来源于磁
TbAgGe
4K 50 K
1000
Counts (arb. unit)
100
0
10
20
30
40
50
60
2θ
中子散射是探测自旋结构和自旋动力学的独特手段
中子的基本特性
上夸克(u)：电荷+2/3；自旋 +1/2 下夸克(d) : 电荷-1/3； 自旋 -1/2
质子 电荷 : e 自旋：½ 磁矩：2.793 µN
中子 电荷 : 0 自旋：½ 磁矩：-1.913 µN
James Chadwick, 1932 (1935 诺贝尔奖）
中子的波粒二相性
m = 1.675 × 10-24 g = 1.008 amu 粒子性：E = ½ mv2 波动性：E = h2k2/8π2m, k = h/λ ⇒ 当E = 25 meV 时，λ = 1.8088 Å 热中子 （Thermal neutrons）: E ~ 10 - 100 meV 烫中子（Hot neutrons）：100 meV < E < 500 meV 冷中子 (Cold neutrons): E < 10 meV
detector unit with 11 single detectors
中子散射基本公式 播放中子探测自旋波视频
X-射线和中子散射谱学的发展
X-射线： 发现（1895，Röntgen，1901 Nobel）
⇒晶体散射（1912，Laue，1914 Nobel） ⇒晶体布拉格散射（1913, Bragg父子, 1915 Nobel） ⇒X-射线谱学（Siegbahn，1924 Nobel）
中子散射技术简介
内容
一．中子散射应用概括与特点 二．中子的产生与探测 三．中子束流的控制 四．几种谱仪的介绍 五．中子散射实验的一些考虑 六．一些中子散射的例子 七．总结