人大物理系的中子散射大科學裝置

毛艷玲

在人們過去的認識中，核反應(yīng)堆、中子散射譜儀等這類科學探索前沿的大科學裝置似乎怎么也沒法和中國人民大學（簡稱“人大”）這所以人文社科為主的高等學府聯(lián)系到一起。但隨著中國人民大學理工學科的快速發(fā)展，這種刻板的印象正逐漸在大眾中改變。

新世紀以來，中國人民大學以“高起點、相關(guān)聯(lián)、入主流、高水平”為建設(shè)思路，面向國家在科技發(fā)展與基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求，不斷加大對理工學科的投入力度，作為理工科代表之一的物理系迅速在相關(guān)科技前沿領(lǐng)域嶄露頭角，取得一系列國際矚目的研究成果。這其中，承擔國家重大科研儀器設(shè)備研制專項項目并成功建設(shè)完成兩臺中子散射大科學裝置便是物理系的亮點之一。

自2013年起，國際著名的中子散射專家、中國人民大學物理系鮑威教授領(lǐng)導的中子團隊成功獲得國家自然科學基金委國家重大科研儀器設(shè)備研制專項——“冷中子非彈性散射譜儀的研制”項目資助，開啟了基于中國先進研究堆（CARR堆）中子源的兩臺冷中子非彈性散射譜儀的建設(shè)征程。

該項目總資助金額為1.11億元，是目前為止國家自然科學基金委對高等學校資助單項經(jīng)費最高的項目，代表了國家對中國人民大學物理系的充分信任。鮑威教授團隊也沒有辜負這份信任，2018年底，“行知”冷中子三軸極化譜儀和“博雅”冷中子廣譜譜儀建設(shè)完成。2019年6月，經(jīng)過專家組驗收，兩臺譜儀的各項指標均達到或超過計劃指標，圓滿完成了國家交給的艱巨任務(wù)。

下面我們從譜儀相關(guān)的科普基礎(chǔ)知識、人大中子譜儀的特色、建設(shè)歷程及已取得的科研成果等多個角度，來向大家講述人大與中子譜儀的故事。

什么是中子散射儀器？

我們生活在形形色色的物質(zhì)世界。無論是堅硬的巖石、無處不在的空氣、還是豐富多彩的生命體，如果把它們放大，我們最終會發(fā)現(xiàn)在10-10 m（1 ?，0.1 nm）大小上，它們都是由一個個原子組成。在原子的城邦里，電子們層層“拱衛(wèi)”在外圍，而原子中心10-15 m范圍內(nèi)，原子核如皇城般深居其中。中子和質(zhì)子便在這宮闈深處，是組成原子核的基本粒子。

中子不帶電、自旋1/2、靜質(zhì)量1.67×10-27 kg。物理學家發(fā)現(xiàn)，如果把中子從原子核中分離出來，以合適的能量撞擊到人們感興趣的材料上，觀察材料對中子的散射，由于不同性質(zhì)的材料對中子的散射幾率不同，中子就變成了材料研究的絕佳工具。美國物理學家Clifford G. Shull和加拿大物理學家Bertram N. Brockhouse因為對中子散射技術(shù)的應(yīng)用和中子譜儀發(fā)展的貢獻獲得了1994年的諾貝爾物理學獎。

中子散射在探索材料的磁性、結(jié)構(gòu)、動力學等性質(zhì)中發(fā)揮著強大的作用，打開了一個全新世界的大門。在Shull和Brockhouse等科學家的引領(lǐng)下，人們運用中子散射做出了一系列重要發(fā)現(xiàn)，例如形形色色磁性材料的奧秘，水分子中氫鍵的位置，各種新奇元激發(fā)等。由于中子不帶電，直接與原子核發(fā)生相互作用，穿透深度大，適合對材料進行無損探測，同時利用中子的穿透性，也能研究材料在極限環(huán)境（低溫、強磁場、高壓等）下的性質(zhì);中子的散射截面特點與X射線互補，可以用于探測輕原子，區(qū)分同位素;中子本身帶磁矩，可直接獲得磁性材料磁結(jié)構(gòu)的信息;中子的能量在meV的數(shù)量級，對應(yīng)德布羅意波長在?的數(shù)量級，這使得中子可以在原子尺度上對材料的動力學特征進行探測。中子散射的這些特性能為了解材料內(nèi)部復(fù)雜的形態(tài)和相互作用提供直接的證據(jù)，成為現(xiàn)代物理、化學、材料、生命科學、能源、工程、考古學等多學科研究中強有力的研究手段。

為了開展中子散射實驗，需要對中子進行選擇、聚焦、準直、分析、探測和屏蔽。中子散射譜儀，就是利用這些相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)中子散射測量的儀器。中子散射譜儀根據(jù)不同學科特點，種類繁多，功能各異。按照功能劃分，有粉末衍射儀、單晶四圓衍射儀、小角散射譜儀、反射譜儀、漫散射譜儀等主要用于研究多晶、單晶、大分子材料、液體、薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu);三軸譜儀、斬波器時間飛行譜儀、準彈性中子散射、背散射譜儀、自旋回波譜儀等用于研究材料的動力學行為;還有應(yīng)力譜儀等主要用于工程應(yīng)力的研究。按照中子的能段劃分，有冷中子譜儀，入射中子能量通常在10 meV以下;熱中子譜儀，入射中子能量約十幾或幾十meV。按照產(chǎn)生中子的方式劃分，有依托反應(yīng)堆中子源的譜儀和依托加速器脈沖中子源的譜儀。

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“行知”和“博雅”可以做什么？

“行知”譜儀的基本原理是基于Brockhouse教授發(fā)明的中子非彈性散射三軸譜儀：在單色器處對入射中子能量進行選擇，在樣品處中子發(fā)生散射，在分析器處對出射中子能量進行選擇，如圖2所示。單色器、樣品和分析器在測量過程中均可旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成三軸，故以命名。

歷史上，非彈性中子散射技術(shù)對超流態(tài)旋子元激發(fā)譜、磁性、液晶以及高分子材料長程序及相變理論預(yù)言進行的實驗驗證，曾先后促成朗道在1962年、奈爾在1970年、Van Vleck在1977年，以及de Gennes 在1991年獲得諾貝爾物理學獎;Brockhouse的硅和鍺聲子譜測量不但推動了晶格動力學理論的完善，還為這些重要半導體技術(shù)材料的微觀相互作用參數(shù)的確定起到不可替代的作用。“行知”冷中子三軸極化譜儀具有可觀測能量轉(zhuǎn)移范圍寬，能量分辨率高等一系列特點，并且集成了完備的中子自旋極化分析功能。

測量中子散射因為具有成本高、強度弱、散射幾率低等特點，加上中子的產(chǎn)生十分不容易，需要通過大型的反應(yīng)堆或加速器，因此中子散射是十分昂貴的實驗手段。為了增加中子的利用效率，廣譜譜儀將三軸譜儀的單色器、樣品臺保持不變，增加分析和探測通道，從而可以一次性對多個動量和能量的中子進行選擇，效率達到傳統(tǒng)三軸中子譜儀的百倍以上，在信號搜索和大范圍物理空間的探測中發(fā)揮著重要作用。圖2展示了CAMEA型廣譜譜儀多通道分析-探測系統(tǒng)示意圖?！安┭拧崩渲凶訌V譜譜儀，中子經(jīng)過樣品散射后，能同時探測3.0 meV，3.5 meV，4.0 meV，4.5 meV，5.0 meV五個不同的能量和120°散射角范圍，探測效率比三軸譜儀提升了兩個量級。

現(xiàn)在“行知”“博雅”兩臺儀器已經(jīng)開始科研探索，在高溫超導、非常規(guī)磁性、量子相變、功能材料等凝聚態(tài)物理和高性能材料的前沿研究領(lǐng)域中發(fā)揮它們的作用。

科研與教學，樣樣都在行

譜儀建設(shè)完成后，在中國原子能科學研究院中國先進研究堆（CARR）堆高效開堆運行的有利支持下，中國人民大學物理系中子團隊利用“行知”譜儀系統(tǒng)研究了鐵基超導材料Ba（Fe0.92-xCo0.08Vx）2As2中的超導電性和反鐵磁序隨磁性雜質(zhì)V摻雜的演化，發(fā)現(xiàn)V的摻入可以將無反鐵磁序的超導體調(diào)制為具有C型反鐵磁長程序的材料，調(diào)制出的反鐵磁序的磁矩呈現(xiàn)出dome形狀演化行為，并且在部分摻雜區(qū)域出現(xiàn)奇異的反鐵磁Griffiths相。如圖3所示，研究結(jié)果表明Ba（Fe0.92-xCo0.08Vx）2As2可能成為研究奇異磁性關(guān)聯(lián)的重要體系，并對鐵基超導機理的研究具有積極意義。該研究成果于2020年5月28日在Physical Review B在線發(fā)表，是“行知”譜儀建成以來發(fā)表的第一篇科研文章，標志著“行知”譜儀已經(jīng)正式開啟了在科學前沿領(lǐng)域的攻關(guān)旅程。

除了在科學前沿領(lǐng)域大顯身手外，兩臺中子散射譜儀建設(shè)在CARR堆這一核反應(yīng)堆上，也為中國人民大學面向全校師生特別是人文社科領(lǐng)域的師生，開展核科學與工業(yè)通識和科普教育提供了條件。在2019年12月份，中國人民大學理學院組織“雙青優(yōu)培”科技英才計劃的師生赴中國先進研究堆參觀訪問，參加活動的包括物理系、化學系和心理學系的師生反響強烈，紛紛表示在活動中受到了良好的科普和愛國主義教育。國際上，美國密蘇里大學作為為數(shù)不多的擁有研究型核反應(yīng)堆的大學，也充分利用該校MURR反應(yīng)堆的科學裝置對學校學生及社會開展相關(guān)科普教育，據(jù)此極大地提升了學校的國際影響力。同理，未來依托“行知”和“博雅”組成的中子散射平臺開展相關(guān)的通識和科普教育，必將極大地提升中國人民大學的國際影響力并為學校“雙一流”建設(shè)做出重要貢獻。

博雅行知，砥礪前行

在中子散射領(lǐng)域，全球僅有十余個能夠提供中子散射譜儀的實驗室。研制中子譜儀難度大、耗時長，國外研制一臺儀器的周期通常是五到八年，而且有經(jīng)驗豐富的科學家、工程師團隊和先進的加工能力做支持。中國人民大學物理系中子團隊在首席科學家鮑威教授領(lǐng)導下，以五名教職工（張紅霞、程鵬、汪晉辰、徐大業(yè)、劉娟娟）為主力，在學校大力支持下，用六年就完成了兩臺儀器的建設(shè)。需要特別指出的是，“行知”是國內(nèi)首臺具備中子自旋極化分析功能的三軸譜儀，“博雅”是探測效率處于世界領(lǐng)先水平的冷中子廣譜譜儀。

在譜儀建設(shè)過程中，程鵬副教授負責“行知”譜儀的物理設(shè)計和調(diào)試運行，汪晉辰講師負責“博雅”譜儀的物理設(shè)計和調(diào)試運行，張紅霞高級工程師負責兩臺譜儀的機械總體設(shè)計及安裝準直，徐大業(yè)高級工程師負責兩臺譜儀的軟件電控設(shè)計和調(diào)試，劉娟娟講師負責兩臺譜儀極端樣品環(huán)境的調(diào)試運行。他們中有放棄了海外優(yōu)厚科研條件主動加入國家重大儀器研制的科研人員，有在國內(nèi)具有中子譜儀研制經(jīng)驗的機械總體負責人，有在美國國家實驗室工作多年回到國內(nèi)的儀器控制專家，還有物理系自己培養(yǎng)的優(yōu)秀畢業(yè)生。中子譜儀建設(shè)過程中，他們突破多項關(guān)鍵技術(shù)，凝聚成一支勇于擔當、攻堅克難、通力協(xié)作、精益求精的中子散射青年人才隊伍。

中國人民大學物理系中子團隊有信心基于“行知”和“博雅”組成的大型中子散射實驗研究平臺，在未來實現(xiàn)三個目標：一、聯(lián)合國內(nèi)外實驗用戶開展科研攻關(guān)，產(chǎn)出一批具有國際影響力的科研成果;二、依托人大中子散射平臺，開展中子譜儀先進制造技術(shù)的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，推動我國中子譜儀制造業(yè)的發(fā)展進步;三、依托本平臺，打造一些在國內(nèi)有影響力的科普活動、創(chuàng)辦有國際影響力的中子暑期學校，為國家培養(yǎng)急需的中子人才。