724-中子小角散射原理、谱仪和应用-陶举洲

中子小角散射原理、谱仪和应用,SANSBasics,Instrumentation&Applications,7/24/2013,陶举洲中科院高能所中国散裂中子源taoj,1,概览,SANSBasics,Instrumentation&Applications,7/24/2013,中子散射基本概念中子“束”“样品”散射：弹性非弹相干非相干从散射截面到物质结构结构因子与关联函数小角中子散射基础布拉格散射与布拉格边小角散射告诉我们什么小角中子散射谱仪要素：小孔相机中子散射功能：生产实验数据技术：主要部件介绍一般实验流程介绍小角中子散射应用示例高分子胶体化学“硬”物质：凝聚态物理合金。“软”物质：生物分子。小角散射的“有用”和“无用”小结小角散射：介观尺度下的平均物构为什么做中子散射参考资料,2,中子“束”,光束-光子vs.中子-中子束大小发散度能谱流强时间结构（脉冲源）相干性(中子干涉极化中子),7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,3,中子束的特性,中子束是中子的统计系综，相空间密度不会增加中子束的诸特性相互联系，影响中子散射的各方面,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,4,“样品”,样品是中子束的作用对象和中子散射实验的研究对象中子散射是实验，不是测试，这意味着往往需要针对具体科研问题，考虑谱仪性能和实验条件，准备特定样品除实验样品外，往往有其它物质也在束中，在数据分析过程中需要类似实验样品处理：样品皿管，真空窗标准样品本底样品,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,5,中子与物质/场的相互作用,基本作用重力电磁场弱相互作用强相互作用微观表现吸收散射衰减束损散射波相互作用：干涉衍射反射。,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,6,平均寿命881.5s,弹性与非弹性散射,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,7,发生弹性散射时，入射中子的动能波长没有改变但是，这和参照系有关！在中子原子(核)的质心系中，低能中子散射一般都是弹性散射在实验室参照系中，中子动能波长可能改变，这一“弹性散射”(弹性碰撞)成为非弹性散射注意散射长度与实际散射长度(boundscatteringlength)的区别(从质心变换至实验室参照系),相干与非相干散射,绝对相干：散射中子波与入射中子波干涉必然是弹性散射(一般频率相同的波才能产生干涉)中子光学中的相干散射相对相干：散射中子波相互间产生干涉可以是非弹性散射一般(凝聚态和材料研究领域)中子散射中所指的相干散射与前二者相对，有绝对非相干与相对非相干之分通常随散射角度的变化，相干散射强度显著变化而非相干散射变化不明显,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,8,从散射截面到物质结构,中子散射：基于中子与原子核间(已知)的相互作用，通过中子束与样品间的散射获得样品的结构能谱信息中子与核之间的相互作用决定了中子散射的独特性中子与磁矩中子与氢核质子中子与核之间强相互作用：强短程核子数有关电荷无关,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,9,结构因子与关联函数,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,10,动态结构因子(相干与不相干部分),对关联函数:给定原子位于(r=0,t=0)，在(r,t)处找到另一原子的几率,自对关联函数:给定原子位于(r=0,t=0)，在(r,t)处找到同一原子的几率,结构因子(动量空间)是关联函数(实空间)的傅立叶变换相干散射与非相干散射对应着原子关联与自关联弹性散射与非弹性散射对应着平均与动态结构,结构因子与关联函数,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,11,衍射,弹性散射,声子自旋波,非弹性散射,原子位移（Debye-WallerFactor）,氢动力学(扩散，键振动转动),相干散射,非相干散射,全散射与漫散射,全散射：全部散射信号，分为两部分：弹性相干散射（衍射）漫散射积分后的漫散射截面去除其中的非相干部分得到(静态)结构因子通过结构因子可以获取对关联分布(PDF)函数这一方法常被称为全散射PDF方法，相应实验被称为全散射实验，适用于液体玻璃非晶态纳米材料等通常借助于粉末衍射仪完成，但并非严格意义上的衍射,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,12,布拉格散射与布拉格边,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,13,在布拉格边之前有什么？小角散射弹性相干散射探测原子簇团间的关联函数,小角散射告诉我们什么？,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,14,小角散射技术概览,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,15,小角中子散射谱仪：小孔相机中子散射,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,16,小角中子散射谱仪：生产小角散射实验数据,实验数据范围：散射波矢Q着对应一定的空间尺度收集数据速度：取决于计数率实验数据质量：准确度：以Q分辨率表征精确度：与计数率有关噪声和背底,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,17,为什么有各种不同谱仪？,中子源不同中子散射是流强限制技术中子探测器缺乏合适的能量分辨,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,18,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,19,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,20,中子源,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,21,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,22,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,23,入射中子波长选择与中子束准直,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,24,样品空间与样品环境设备,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,25,探测器,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,26,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,27,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,28,基本实验流程,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,29,观测合金中的纳米析出相,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,30,DevelopmentofModified706-TypeNi-FeSuperalloyforSteamTurbineRotorApplications,多重尺度上观测蛋白质,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,31,忖度变换：研究水泥水化过程,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,32,忖度变换：研究黏土,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,33,从形状因子到颗粒形状尺寸,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,34,胶束形状大小：药物的控制释放,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,35,功能膜界面,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,36,溶菌酶晶体生长动力学,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,37,小角散射的“有用”,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,38,小角散射的“无用”,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,39,不同尺度下的科学,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,40,现代科学的主要洞察不同尺度上有不同的“物理”它们的观测和描述各不想同：天文，地理，建筑，生物，物理化学，核高能物理,小角散射：介观尺度下的平均物构,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,41,为什么做中子散射,造价昂贵，控制困难，探测不易有用？基本粒子，角色独特微观探针，用途广泛有趣？各种科学与技术问题各类用户同事与朋友有得？有助“三观”知识获得技能训练职业发展,7/24/2013,SANSBasics,Instrumentation&Applications,42,参考资料,中子散射物理原理IntroductiontoTheTheoryofThermalNeutronScatteringbyG.L.Squires,Reprintedition1997(简明易读)NeutronOptics:AnIntroductiontotheTheoryofNeutronOpticalPhenomenaandtheirApplicationsbyV.F.Sears(概念清晰)TheTheoryofNeutronScatteringfromCondensedMatter:VolumeI&IIbyS.W.Lovesey(系统完整)中子散射谱仪PulsedNeutronScatteringbyC.Windsor(系统完整，稍