中子譜儀利用中子與原子核的作用來進行物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的研究。如果把散裂中子源比做超級顯微鏡，每臺中子譜儀都是一個“顯微鏡”。中子譜儀的工作原理如圖1 所示，中子源產(chǎn)生的中子當做一束“光”，入射到科學(xué)家用戶要研究的“黑盒子”樣品上進行觀測，中子將與樣品內(nèi)部原子核發(fā)生作用，中子探測器類似人的“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，以及如何運動等信息。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

中國散裂中子源擁有三種類型的慢化器：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

中子束流是通過中子導(dǎo)管傳輸?shù)阶V儀大廳中，進而傳輸?shù)綐悠飞?。中子能夠在中子?dǎo)管內(nèi)部的Ni/Ti 超鏡涂層上進行反射，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：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：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間尺度上對束流調(diào)控的中子光學(xué)器件，又稱中子能量選擇器。在飛行時間型中子散射譜儀中，中子斬波器通過相位控制使轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動與中子的飛行時間同步，對中子束流進行吸收阻擋和選擇。根據(jù)功能可以分為T0 斬波器、帶寬斬波器、脈沖斬波器、費米斬波器等類型。

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，消除多個脈沖之間長波中子飛行時間重疊本底，提高信噪比。脈沖斬波器與帶寬斬波器結(jié)構(gòu)類似，主要區(qū)別是脈沖斬波器轉(zhuǎn)速遠遠高于帶寬斬波器，可以截取極窄時間窗的束流脈沖。費米斬波器主要功能是選擇出單一能量中子，通過相位同步控制技術(shù)，使得所需要的某個單一波長中子才能夠通過狹縫，其他中子則被中子狹縫包所吸收。

4. 中子探測器

中子探測器是中子譜儀關(guān)鍵設(shè)備之一，被譽為中子譜儀的“眼睛”。中子入射到樣品后，與物質(zhì)發(fā)生相互作用，通過探測器測量穿過樣品后的中子強度和空間分布，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，不會引起電離和激發(fā)，無法進行直接探測。因此中子的探測是通過中子與敏感材料相互作用，產(chǎn)生帶電粒子或光子實現(xiàn)間接探測。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，有利于提高探測器的中子探測效率。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，經(jīng)多通道專用集成電路芯片進行放大，然后進入數(shù)字邏輯電路進行邏輯處理得到入射中子空間和時間信息，最后通過數(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)為待測試樣品提供溫度、壓力、磁場、電場、氣氛、應(yīng)力應(yīng)變以及多場耦合等原位實驗環(huán)境，使得中子散射譜儀能夠在用戶所需要的各種特殊實驗條件下對樣品進行原位測量。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)在原位測量晶體結(jié)構(gòu)、晶體織構(gòu)、動態(tài)相變、電磁特性、應(yīng)力應(yīng)變等方面的優(yōu)勢。

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

譜儀運行需要實驗控制、數(shù)據(jù)分析和計算等軟硬件支持。實驗控制負責(zé)各種設(shè)備的配置、調(diào)度、檢測與控制，以及不同設(shè)備之間必要的安全連鎖。在實驗過程中，進行實驗參數(shù)配置、運動控制和數(shù)據(jù)采集、實驗運行狀態(tài)監(jiān)測，以及實驗狀態(tài)記錄與管理等，保證實驗的自動化運行。數(shù)據(jù)分析負責(zé)中子實驗數(shù)據(jù)的在線處理和可視化，實驗數(shù)據(jù)的重建、規(guī)約和物理分析，以及數(shù)據(jù)的計算模擬等，為譜儀和用戶提供數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)平臺。

02 中子譜儀分類

利用中子、電子、X射線和激光等手段觀測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運動的基本原理相似。由于中子和物質(zhì)作用不同，與其他手段互補，從而能夠從不同方面對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)形成完整的描述。中國散裂中子源中子譜儀充分利用中子與物質(zhì)作用的特點，包括：中子散射能測定較輕原子，區(qū)分同位素，直接測定磁結(jié)構(gòu)，具有極強的穿透性等，開展高溫、高壓和強磁場等極端條件下的原位實驗，最大化發(fā)揮中子技術(shù)的優(yōu)勢，與其他手段形成充分互補。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)提供了強有力的研究平臺，滿足國家重大戰(zhàn)略需求、解決前沿科學(xué)問題和瓶頸問題。

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

圖4 中國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：單晶中子衍射儀，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，沒有能量的改變，可用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)的表征。中子波長與物質(zhì)中原子、團簇的距離相近，可以測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)。

中國散裂中子源建設(shè)5 臺粉末衍射儀：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)、無序結(jié)構(gòu)表征和殘余應(yīng)力無損檢測多方面的應(yīng)用。從分辨率上覆蓋：高、中、低三檔分辨率，滿足不同的實驗需求。從樣品環(huán)境上覆蓋：高低溫、高壓、強磁場多種實驗條件。

中國散裂中子源建設(shè)1 臺單晶衍射儀：單晶中子衍射儀。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。

中國散裂中子源建設(shè)2 臺小角散射儀：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。

中國散裂中子源建設(shè)2 臺中子反射儀：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)運動的表征。中子能量和物質(zhì)的動力學(xué)能量范圍相符，可以探測小到納電子伏特(neV)、大到電子伏特(eV)的原子運動、分子振動和磁激發(fā)，覆蓋凝聚態(tài)、軟物質(zhì)等體系中的微觀運動。

中國散裂中子源建設(shè)4 臺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。

中國散裂中子源建設(shè)2 臺逆幾何非彈性散射譜儀：中子背散射譜儀、逆幾何分子振動譜儀。前者用于原子/分子擴散等慢動力學(xué)的準彈性測量，后者用于分子振動譜的大范圍測量。

3. 其他

中國散裂中子源建設(shè)1 臺中子成像譜儀：能量分辨中子成像譜儀?？梢蚤_展常規(guī)中子成像和布拉格邊成像，對材料和部件內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、加工、運行與服役性能評估。主要應(yīng)用于能源、材料、裝備制造等領(lǐng)域。

中國散裂中子源建設(shè)1 臺中子俘獲譜儀：中子物理與應(yīng)用譜儀?？梢蚤_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量(NDP)，對樣品內(nèi)微量和痕量元素進行快速和非破壞式檢測。主要應(yīng)用于能源、地質(zhì)、考古、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

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

中國散裂中子源建設(shè)1 臺中子技術(shù)發(fā)展線站：開展中子器件、中子技術(shù)和實驗方法學(xué)的測試和研究，主要應(yīng)用于中子探測器、極化器、導(dǎo)管等領(lǐng)域。

審核編輯：劉清