固体分析方法

E

ddE

C

N

d

210220N

k

E

)k111

U

(r)

k0

0

0

(E

E21

1

k

d

2ddEm222U

(r)

b

(r

R)mr

2

s

rˆ

1

p

rˆ

r

2

U

(r)

N

2BσeiQdeWd

(Q)M

0

dddF (Q)

μr

f

(Q)2mv0

M1

2

3

τM

d

elτ)

(Q

)N

d

FM

(

M02

0

2

3

g

2

S

r

2

2q1

1

nq

(Q

q

)

E

w(q)k

d

2

(1

Q2

)

f

2

(Q)e2W

(Q)z

ddE

m,1k12N

vm

0

4

eiQ(d

d)1dd

c,1S

(Q,

E)

qj2N(

Md

Md

)

j

(q)d

d1/2(2

)3

eWi

(Q

)Wi

(Q

)jjn

1

12

2

(Q

q

)

E

(q)Qe

j

*

Qe

j

(q

)

d

dc,elF(Q)

(2

)32

F

(

)

(Q

)v0db eiQdeWd

(Q)

d物质的中子散射•4中子产生的方法Nuclear

processExampleNeutron

yieldHeat

release(MeV/n)D-T

in

solid400

keV

deuterons

onTinTi4*10-5

n/d10

000Deuteron

strip40

MeV

deuterons

onliquid

Li7*10-2

n/d3

500Nuclear

photo

effectfrom

e--bremsstrahlung100

MeV

e-

on

238U5*10-2

n/e-2

0009Be

(d,n)

10Be15

MeV

d

on

Be1

n/d1

0009Be

(p,n;p,pn)11

MeV

p

on

Be5*10-3

n/p2

000Nuclear

fissionfission

of

235U

bythermal

neutrons1n/fission180Nuclear

evaporation(spallation)800

MeV

p+on

238Uon

Pb27

n/p17

n/p5530裂变链式反应持续的中子束流1个有效中子/裂变180

MeV/中子散裂非链式反应脉冲中子束流35个中子/高能质子~45

MeV/中子W1.6

GeV高强度中子束的产生方式中子的产生方式反应堆散裂源中子束流时间特性稳态脉冲高强度类型timeReactorReactorReactorILL

Pulsed

sourceIntensityHFIR/ORNL,

85

MW

~

3x1015

n/cm2/s

coreflux.ILL,

58.4

MW,

France.

~1.5x1015

n/cm2/s优点:高的时间平均通量成

中子散射技术非常适合冷缺点:没有时间结构运行执照稳态反应堆世界典型介绍：脉冲型反应堆IBR

II

Dubna5Hz,脉冲峰值:1500MW,5x1015

n/cm2/s(慢化器表面).时间平均:2MW,8x1012n/cm2/s(慢化器表面).优点:–值通量缺点:时间结构不佳(低脉冲)运行执照世界典型介绍：PSI– 0.85

mA,

590

MeV,0.9

MW,

1x1014n/cm2/s2

平均通量优点:高的时间平均通量反应堆型中子散射谱仪（技术成熟）缺点:没有时间结构高本底连续型散裂源世界典型介绍：ISIS200

µA,

0.8

GeV,

160

kW2x1013

n/cm2/s2

平均通量8x1015

n/cm2/s2

峰值通量LANSCE,

IPNS,

KENSSNS，J-PARC优点:高的峰值通量优越的时间结构驱动–没有政治上的考量技术正快速发展缺点:低的时间平均通量不是所有研究都需要时间结构技术不是十分成熟脉冲型散裂源世界典型介绍：2006年运行2

MW时，通量：~12x

ISIS，时间平均通量：½

ILL峰值热中子通量：~50-100x

ILL世界最好的散裂源世界典型介绍：散裂SNSJanuary,

2005散裂

J-PARC自2001年始，一期投资1527亿日元、二期规划363亿日元，2009年建成运行1MW，

25Hz,

3GeV世界典型介绍：中国原子能科学

创建于1950年。它

核科学技术的发祥地，也最大的核科学技术先导性、基础性、综合性的研究

。CARR：中国先进研究堆我国与中子散射中国散裂JPARC

CSNSCARR发展历史与发展趋势中子散射谱仪1经典衍射：粉末、单晶反射与衍射中子照相超小角与掠反射超小角小角散射中子散射的研究范围：物质结构自旋回波背散射漫散射冷中子经典非弹性散射热中子经典非弹性散射超热中子深度非弹性散射1中子散射的研究范围：相互作用与动态粉末衍射仪(powder

diffraction)单晶衍射（Single

crystal

diffraction)小角散射仪(Small

Angle

Neutron

Scattering,

SANS)中子反射仪(Neutron

reflectotivity)直接几何非弹性散射仪(Direct

geometry

inelastic

neutron

scattering)间接几何非弹性散射仪(Invert

geometry

inelastic

neutron

scattering)其它(中子照相、自旋回波、中子物理等)(Others:

imaging,

spin

echo,

neutron

physics…)2中子谱仪的分类反应堆中子散射谱仪的基本结构IntensityAnglek,

SamplekfkiWavevector

transferQ

=kf

-

ki“Elastic”

scattering

I(Q)|kf

|

=

|

ki

|Detector稳态连续源中子散射方式：反应堆谱仪的结构04080mstimeDistance21Time

of

Flight。脉冲散裂源的中子散射谱仪基本结构k,

SamplekfkiQ

=kf

-ki

Wavevector

transferħ

Ef

–

Ei

Energy

transfer“Inelastic”

scattering

I(Q,

)|kf

|

|

ki

|方式脉冲散裂源的Detector散裂源谱仪的结构1、简述的主要类型和特点。中国散裂CSNS的应用2谱仪规划中子束道：从原18条增至20条CSNS谱仪的总体安排不同类型谱仪及其应用实例：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其它类型谱仪：单晶衍射仪

准弹性散射仪背散射仪自旋回波谱仪中子compton散射仪3慢化器退耦合和水(300

K)中子带宽(Δλ)4.5

Å最大中子束40(h)×20(w)

mm样品处中子通量~107

n/cm2/s最佳分辨率(d/d)0.2

%

at

2

=150中子导管锥形聚焦,m=3第一飞行距离(L1)30

m第二飞行距离(L2)2

=1501.5

m2

=902.0

m2

=153.8

m高通量粉末衍射仪3慢化器耦合液氢(20

K)中子带宽(Δλ)6

Å中子导管Bender+Sraight+T

r40

×

60

→

20×

30

mm²第一飞行距离(L1)19.5

m第二飞行距离(L2)2

m样品台6-axis极化器/分析器超镜探测器2D位置灵敏BeamStopModeratorshielding0

2.5

4.5BenderDetectorFocused

guideSample0.25m16.5

19Distance

from

moderator

(m)21Spin

FlipperPolarizeryzerSlitChoppersPre-shieldingStraight

guide多功能反射仪慢化器耦合液氢(20K)中子带宽(Δλ)7.6

Å第一飞行距离(L1)14

m第二飞行距离(L2)1~5

m探测器有效探测面积50×50cm2分辨率1

cm

(FWHM)小角散射仪高通量粉末衍射仪应用应用范围：晶态、非晶态结构快速测定；化学反应的实时研究;小样品的结构研究（高压结构相变）;磁结构和磁相变的研究;工程应用：形变、残余应力、织构等;高通量粉末衍射仪应用应用范围：晶态、非晶态结构快速测定；化学反应的实时研究;小样品的结构研究（高压结构相变）;磁结构和磁相变的研究;工程应用：形变、残余应力、织构等;外磁场诱导下，

MnAs键的断裂J

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(2004)结构快速测定——高通量粉末衍射仪应用化学反应的实时研究——高通量粉末衍射仪应用Ba(OD)2.8D2O

and

TiO2

in

10

mL

D2OISIS

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衍射仪的数据（每组15分钟）原位化学反应研究R.

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(2001)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;高分辨粉末衍射仪应用应用范围：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;高分辨粉末衍射仪应用大晶胞复杂分子的结构——高分辨粉末衍射仪应用orthorhombicmonoclinicSi(1-x)O(2-4x)(OH)4x；V

=

5327.62

(5)

Å3Orthorhombic：晶位38；变量>155Monoclinic:

晶位72；变量>292C.

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magnet

based

on

oxalate

(C2O4)2-or

thio-oxalate

((C2O2S2)2-

anionsMagnetic

scatteringfrom

the

dithio-oxalate

salt-J

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of ZrW2O8

with

negative

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333小角衍射仪应用范围：空间尺度在1到1000nm范围内的散射粒子尺寸和形状,以及散射粒子中某些成分的方位。磁畴、磁性纳米和超导磁通结构；纳米团簇和纳米微孔体系;生物分子的溶液系统;聚合物的溶解和熔化；生物囊胞和膜结构;表面活性剂与凝胶溶胶;合金中的空位、缺陷和沉淀物。小角衍射仪应用范围：空间尺度在1到1000nm范围内的散射粒子尺寸和形状,以及散射粒子中某些成分的方位。磁畴、磁性纳米和超导磁通结构；纳米团簇和纳米微孔体系;生物分子的溶液系统;聚合物的溶解和熔化；生物囊胞和膜结构;表面活性剂与凝胶溶胶;合金中的空位、缺陷和沉淀物。CyS0/Nm(db):

28.5Size(nm):

14So

To31.5

3416

24M.

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(2003)磁记录磁盘(CoPtCr)的磁团簇大小纳米颗粒与性能——小角衍射仪应用磁团簇尺寸稍大于其颗粒尺寸;团簇尺寸与其信噪比成反比；颗粒间存在磁耦合。超导磁通晶格——小角衍射仪应用La1.83Sr0.17CuO4

的磁通格子的小角衍射R.

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(2001)聚合物的相变与熔化——小角衍射仪应用聚合物中的拓扑相互作用：聚合物熔化时的粘性，弹性和流变特性聚合物处理过程的速度与稳定性S.

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1691(2003)蛋白质结构与功能——小角衍射仪应用小角中子散射提供低分辨蛋白质分子的形状和次级结构单元的排列等信息。可在生物活性的溶液中开展研究NMRX-ray

crystallographyNeutron

scattering钙离子激活酶蛋白和它的催化蛋白CELL~30%膜蛋白不易结晶生物膜的形态——小角衍射仪应用L.

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(2004);R=Cexp[EF/kBT]cetylpyridinium(CPCl)-hexanol

膜蛋白的拓扑弛豫薄层相-海绵相da=

630

Å;d3=790

Å应用范围：研究物质表面和界面的结构特性。表面和界面磁性；液晶取向；表面吸附；固液界面；聚合物及LB膜；低维结构和界面现象。多功能反射仪应用范围：研究物质表面和界面的结构特性。表面和界面磁性；液晶取向；表面吸附；固液界面；聚合物及LB膜；低维结构和界面现象。多功能反射仪磁性多层膜的层间耦合和层内涨落——反射仪应用F.

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(2002);Si...PdNbFeNbFeNbFeCrFeNbFeHHHHH2H2Modification

of

theexchange

couplingvia

hydrogen

absorption交换作用能:J

sin

(2

kF

tNb)

/

tNb2Fe/Nb

多层膜的吸放氢tNbFMAFM聚合物膜的化学反应控制——反射仪应用Direct

measurement

ofthe

reaction

front

inchemically

amplifiedphotoresistsd1=

534

Å;d2=717Å;

d3=464ÅE.

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(2002)应用范围：测定凝聚态物质中的基本粒子激发。单晶或粉末材料中的声子态密度和声子色散；磁性材料中的自旋波和自旋涨落；单晶或粉末材料中的原子、分子及磁矩的短程关联；非色散激发；布里渊散射。直接几何非弹性散射仪应用范围：测定凝聚态物质中的基本粒子激发。单晶或粉末材料中的声子态密度和声子色散；磁性材料中的自旋波和自旋涨落；单晶或粉末材料中的原子、分子及磁矩的短程关联；布里渊散射；非色散激发。直接几何非弹性散射仪声子态密度——非弹性谱仪应用MgB2的声子态密度：电声子相互作用是超导的NdCeCuO的声子态密度:电子掺杂使声子软化，但并不是超导的R.

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