中子散射.

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1 中子散射

2 中子散射历史沿革 查德威克（James Chadwick，1891- 1974）在1932年发现了中子

3 中子散射历史沿革 费米(Enrico Fermi， )

4 中子散射历史沿革 哈恩(Otto Hahn， ) 和斯特拉斯曼(Fritz Strassmann，1902-l980)1938年进行了中子撞击铀的实验， 发现了中子诱发铀裂变。

5 中子散射历史沿革 奥地利女物理学家梅特纳（Lise Meitner， ）和她的侄子弗瑞士 （Otto Robert Frisch， 认为：玻尔（Niels Henrik David Bohr ）提出的原子核的液滴模型，很好地解释了重核的裂变。

6 中子散射历史沿革 1946年沙尔（Clifford Glenwood Shull, 1915-） 用中子衍射研究磁性材料。

7 中子散射历史沿革 1955年布罗克豪斯（Bertram Niville Brockhouse，1918-）用中子散射研究晶格 动力学。

8 中子散射原理 中子散射和其他散射手段一样，遵循着基本的能量守恒与动量 守恒公式：

9 中子散射原理 在 k i=k f 时,上述公式就退化为布拉格定律,即

10 中子散射原理 由于中子与物质的相互作用很弱,所以可以利用费米黄金定则和玻恩近似来处理散射 关系,从而获得中子的微分散射截面为

11 中子散射原理 S（Q，w）称为散射函数，是关联函数G（ｒ，ｔ）的时空傅里叶变换

12 中子散射技术利用中子散射方法研究物质的静态结构及物质的 微观动力学性质。中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、 较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点，因此中子散射技 术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态 特性的表征手段，在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用

13 中子散射具有很强的穿透性

14 中子散射具有较强的穿透力

15 原子序数和穿透深度的关系

16 X光和中子散射长度对比

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18 中子散射鉴别同位素

19 弹性散射和非弹性散射 中子散射可分为弹性散射（衍射）和非弹性散射：
在弹性散射中，中子与样品相互作用后，中子能量没 有损失，只有动量Q从中子上传递到样品。 在非弹性散射中，不但有动量传递，而且有能量传递， 被中子传递到样品上的动量Q和能量E是由散射角2θ， 入射中子波长λi,散射中子波长λs确定的。

20 中子小角散射（弹性散射） 中子小角散射属于相干弹性散射，确切地 讲应该称作“低q散射”。小角散射的出 现是因为样品中存在尺度大于原子间距离 的不均匀结构，从而具有中子散射长度密 度差异。小角散射前后散射矢量大小不变， 但方向发生了改变

21 中子小角散射

22 中子反射

23 中子散射技术与凝聚态物理 冷中子和超冷中子源：用于凝聚态物理研究的中子源 有反应堆中子源和加速器脉冲中子源二大类, 获得冷 或超冷中子技术的原理是相同的 , 即将中子慢化剂冷 却到冷中子和超冷中子所需的温度 , 热中子在低温的 慢化剂中冷却达到温度平衡即可得到冷中子和超冷中 子。

24 （各种类型中子分布区间） 快中子能量高于1兆电子伏特、0.1兆电子伏特或者接近1兆电子伏特，有不同的定义。 慢中子能量小于等于一千电子伏特。
超热中子能量在1电子伏特至10电子伏特之间。 高热中子能量约0.2电子伏特。 热中子能量约0.025电子伏特。 冷中子能量约5x10-3电子伏特至 0.025电子伏特。 甚冷中子能量约3x10-7电子伏特至 5x10-3电子伏特。 极冷中子能量小于3x10-7电子伏特。 连续区间中子能量从0.01兆电子伏特至25兆电子伏特。 共振区间中子能量从1电子伏特至0.01兆电子伏特。 低能区间中子能量低于1电子伏特。 （数据来自于百度百科）

25 中子散射技术与凝聚态物理 中子反射技术能研究层平均核和磁散射密度随 深度的变化，热中子的折射指数：

26 中子散射技术与凝聚态物理（中子导管） 一般情况下，一个中子源的强度为S0，在距离 S0为 R 处 , 中子的强度和通量只有S0的-（1/4πR2）。但是60 年代发明了一种中子导管，可以把单色中子引导到很 远的地方做实验而中子的强度和通量损失很少。中子 导管技术的发展，相当于提高了反应堆的通量，提高 了反应堆实验研究的利用率、实验的精确度，降低了 快中子本底和γ本底。

27 几种中子反射材料的（1-n）和α值：

28 中子散射技术与凝聚态物理（晶体单色器） 在凝聚态物理和核物理研究中, 需要有单色的中子束 , 即中子的能量或波长是分布在一个很窄的区域内。但 从反应堆和加速器产生的中子，其能量都不是单色的， 不同的中子单色器，工作的中子能区是不同的，所产 生的中子束的单色性和强度(反射率)也是不同的。

29 中子散射技术与凝聚态物理（晶体单色器） 决定其性能好坏的参数：中子束的发散角a,中子的入 射角θ，晶体的镶嵌宽度β

30 中子散射技术与凝聚态物理 中子散射率被定义为反射和入射中子强度之比，由 Fresenl定律给出：

31 λ=1.62Å时Co的反射率

32 散裂中子源 热核反应堆

33 散裂中子源 通常散裂中子源由质子加速器、产生中子的靶站和中子散射 谱仪等三部分组成。散裂中子源的中子散射谱仪大部分都采用飞 行时间技术,即以中子从慢化器飞行到达探测器所用时间来区分中 子能量(波长)的一种方法。

34 中子飞行时间谱仪结构示意图

35 中子散射技术的应用 美国Los Alamos 国家实验室正在运行的中等水平的散裂中子源

36 散裂中子源 用散射中子源来进行重元素的合成

37 中子散射技术的应用 20世纪80年代，美国ANL的IPNS（下左图）和日本KEK的KENS（下右图）。

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41 参考文献 【1】Roger Pynn. “Neutron scattering: a primer” 【2】Charles Kittel. “Quantum theory of solids”, ch. 19. 【3】 Excitations in Liquid Helium: Neutron Scattering Measurements. Phys. Rev. 113, 1379 (1959). 【4】 Inelastic-Neutron-Scattering Study of Acoustic Phonons in Nb3Sn. Axe, J. D. & Shirane, G. Phys. Rev. B 8, 1965–1977 (1973). 【5】 Bacon G E. Neutron Diffraction(3rd) . Oxford:Calrendon Press , 1975 【6】 中国科学院散裂中子源概念设计组. 多学科应用平台散裂 中子源的关键技术创新研究 报告. 2004[ G roup of ConceptualDesign forChinese Spallation Neutron Source . Chinese Academy of Sciences , Report on Creative Studies of K ey Techniques forM ulti- disciplinary SapllationNeutron Source (in Chinese)]