非彈性中子散射譜儀

李歷斯，王 猛

(中山大學(xué) 物理學(xué)院 中子科學(xué)與技術(shù)中心，廣東 廣州 510275)

非彈性中子散射能量和物質(zhì)中的元激發(fā)能量相符，且能量和動量分辨率高，便于加載個(gè)性化的樣品環(huán)境，在整個(gè)動量空間測量材料動力學(xué)性質(zhì)(如聲子、自旋波)和相關(guān)機(jī)理研究(如高溫超導(dǎo)機(jī)理、熱電機(jī)理)時(shí)更加直觀，同時(shí)也可用于進(jìn)行晶體場測量.非彈性中子散射技術(shù)的發(fā)展是中子散射科學(xué)發(fā)展的一個(gè)縮影，其中理論的建立及技術(shù)的發(fā)展互相促進(jìn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛.目前中子自旋回波譜儀和背散射譜儀等在生物、物理、化學(xué)、材料等需要更低能量、更高分辨率的研究中廣泛應(yīng)用.本文簡要介紹非彈性中子散射的基本原理及應(yīng)用，儀器方面主要聚焦凝聚態(tài)領(lǐng)域常用的三軸譜儀和飛行時(shí)間譜儀.

1 中子散射

上世紀(jì)20年代，Rutherford在理論上提出原子核中存在中性粒子的可能性.1932年，Chadwick在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在1種中性粒子，確定了其質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量相當(dāng)，且呈電中性，將其命名為中子.1936年，Elsasser和Halban等人提出中子具有波動性，并用鐳鈹中子源證明熱中子的德布羅意波波長與晶體中原子距離相當(dāng)，并首次進(jìn)行了中子衍射實(shí)驗(yàn)[1-3].同年，Bloch等人在理論上提出中子具有磁矩并且與質(zhì)子磁矩相當(dāng)，因此中子既可以與原子核發(fā)生碰撞，又可通過磁偶極矩與核外未配對的電子相互作用.1940年，Alvarez和Bloch測得中子的磁矩為(1.93±0.02)μN(yùn)，約為質(zhì)子磁矩的0.7倍[4-5].1948年，Néel預(yù)言了磁性材料中存在反鐵磁排列的磁結(jié)構(gòu)[6].1949年，Shull和Smart利用中子衍射技術(shù)確定了MnO中存在長程反鐵磁結(jié)構(gòu)[7].在中子衍射過程中，彈性散射過程，即中子和散射體之間僅有動量交換無能量交換的部分被廣泛關(guān)注.以上實(shí)驗(yàn)及理論的發(fā)展為彈性中子散射確定晶格結(jié)構(gòu)及磁結(jié)構(gòu)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

2 非彈性中子散射的基本原理

中子入射晶體后發(fā)生散射，該過程遵守能量和動量守恒，動量和能量轉(zhuǎn)移關(guān)系為

Q=ki-kf,

(1)

(2)

(a)中子散射波矢轉(zhuǎn)移示意圖

非彈性中子散射過程中，入射到晶體中的中子被當(dāng)作較小的擾動.中子初態(tài)為λi，末態(tài)波矢為λf時(shí)，對應(yīng)的雙微分散射截面為

δ(E+Ei-Ef),

(3)

(4)

在磁散射過程中，中子磁矩與樣品中磁性原子未配對的電子產(chǎn)生磁偶極相互作用，從而使中子發(fā)生磁性散射.因此磁性相互作用的作用勢V與磁偶極相互作用相關(guān)，中子發(fā)生磁性散射的雙微分散射截面為

(5)

其中，

3 非彈性中子散射譜儀

3.1 三軸譜儀

在中子散射過程中，會同時(shí)發(fā)生非彈性中子散射，即中子與散射體之間同時(shí)交換動量和能量.20世紀(jì)40年代中期至50年代初期，Weinstock,Finkelstein和van Hove等人發(fā)展了非彈性中子散射理論，為非彈性中子散射研究樣品的動力學(xué)性質(zhì)(如聲子譜和磁激發(fā)譜等)奠定了理論基礎(chǔ)[8,13-14].1955年，加拿大Chalk River實(shí)驗(yàn)室Brockhouse發(fā)明了三軸譜儀(Triple axis spectrometer)，并與Stewart首次利用三軸譜儀測量了單晶鋁的聲子色散關(guān)系[15].隨后，利用三軸譜儀研究非彈性中子散射的方法被廣泛用于材料聲子及磁激發(fā)譜等研究領(lǐng)域[16].非彈性中子散射技術(shù)的發(fā)展得益于高通量中子源的出現(xiàn).1942年底，F(xiàn)ermi等人在美國芝加哥成功建設(shè)首個(gè)人工核反應(yīng)堆(CP-1)，中子通量達(dá)到～107cm-2·s-1.1952年，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室建成的反應(yīng)堆中子源通量達(dá)到～5×1014cm-2·s-1.三軸譜儀是核反應(yīng)堆中子源中非常重要的一類中子散射譜儀.

三軸譜儀安裝于反應(yīng)堆中子源中，一般將反應(yīng)堆中子源產(chǎn)生的中子慢化為冷中子(0.1～10 meV)和熱中子(5～100 meV).因而，三軸譜儀根據(jù)入射中子能量范圍分為冷中子三軸譜儀和熱中子三軸譜儀.

（3）地質(zhì)災(zāi)害治理行業(yè)無序競爭激烈，缺乏規(guī)?；瘞?，專門從事地質(zhì)災(zāi)害治理相關(guān)業(yè)務(wù)的單位數(shù)量很少，其特點(diǎn)是數(shù)量多、業(yè)務(wù)雜、地質(zhì)災(zāi)害治理專業(yè)化程度參差不齊。

(a)三軸譜儀的平面圖

(a)不同能量對應(yīng)的波矢掃描

三軸譜儀測量模式一般為點(diǎn)測量法，適用于物理量在改變溫度、磁場等條件下的對比研究.通過在(Q，ω)空間的多點(diǎn)測量，可以完成整個(gè)布里淵區(qū)散射方程S(Q，ω)的測量，由此可以得到聲子或者磁激發(fā)譜的全部信息.為了提高實(shí)驗(yàn)效率，可以使用二維PSD，由于分析器的面積限制了PSD的尺寸，因此該方法只適用于測量選定的(Q0，ω0)空間內(nèi)臨近的信號.該方法的缺點(diǎn)是背景信號很高，導(dǎo)致信噪比較低[19-20].另一種方法是在樣品軸后方安裝呈圓形排列的多個(gè)分析器-探測器臂，也稱為多臂分析器-探測器譜儀[21].通過擴(kuò)展探測器，譜儀可以同時(shí)測量多個(gè)出射波矢的方向，實(shí)現(xiàn)在(Q，ω)空間上的多點(diǎn)測量.

目前三軸譜儀已經(jīng)較為成熟，在世界范圍內(nèi)的反應(yīng)堆中子源中，具有多臺不同入射能量范圍的三軸譜儀，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)反應(yīng)堆中子源中的SPINS(冷中子)[19]、BT7(熱中子)[20]，澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)組織(ANSTO)反應(yīng)堆中子源中的TAIPAN(熱中子)[22]和SIKA(冷中子)[23]，法國朗之萬研究所(ILL)反應(yīng)堆中子源中的IN20(熱中子)[24]、ThALES(冷中子)[25]，中國原子能科學(xué)研究院先進(jìn)研究堆中子源的“翠竹”(熱中子)、“知行”和“博雅”(冷中子)等.

3.2 飛行時(shí)間譜儀

飛行時(shí)間譜儀(Time-of-flight spectrometer)是另一類重要的非彈性中子散射譜儀.1935年，Dunning等人首次將飛行時(shí)間技術(shù)應(yīng)用于中子散射能量關(guān)系的測量中，該技術(shù)通過中子飛行時(shí)間及散射角度確定中子的能量及動量[26].脈沖式中子源、中子斬波、中子傳輸、中子探測等技術(shù)的發(fā)展極大地推動了飛行時(shí)間譜儀的進(jìn)步.1947年，F(xiàn)ermi等人發(fā)明了通過旋轉(zhuǎn)吸收中子狹縫選擇中子波長的斬波器，命名為費(fèi)米斬波器[27].1963年，Springer等人通過在玻璃管內(nèi)增加Ni/Ti涂層對中子全反射建立輸送中子的管道，避免中子通量在傳輸過程中大幅減少；而大面積二維3He探測器的使用，極大提高了動量空間的測量范圍和數(shù)據(jù)采集效率.另外，飛行時(shí)間譜儀的發(fā)展還得益于脈沖式散裂中子源的發(fā)展.散裂中子源具有反應(yīng)易控制，無放射性廢料，產(chǎn)熱低等優(yōu)點(diǎn)，是目前中子散射發(fā)展的趨勢.目前世界上有4個(gè)正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源，分別為英國盧瑟福艾普爾頓實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(ISIS)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)、日本散裂中子源(JSNS)以及中國散裂中子源(CSNS).以上散裂中子源都建有或計(jì)劃建造至少2臺非彈性中子散射飛行時(shí)間譜儀.

飛行時(shí)間譜儀根據(jù)中子飛行時(shí)間和探測位置確定中子能量和動量，通過使用二維探測器并提高探測器面積等途徑提高測量效率，可以同時(shí)測量(Q，ω)空間中較大的范圍.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中既包含彈性散射的信號，也包含非彈性散射的信號.飛行時(shí)間譜儀可以建造于連續(xù)式和脈沖式中子源上.對于連續(xù)產(chǎn)生入射中子的核反應(yīng)堆中子源，入射中子通過斬波器等設(shè)備后，產(chǎn)生脈沖中子，同時(shí)篩選出單色中子進(jìn)行后續(xù)的散射過程.位于澳大利亞ANSTO反應(yīng)堆中子源的Pelican為建造于反應(yīng)堆中子源上的冷中子飛行時(shí)間譜儀[28].能脈沖式入射中子的散裂中子源較適合飛行時(shí)間方法.由于入射中子為脈沖式中子，可以通過調(diào)制斬波器的頻率以及與散裂中子源的頻率相位差，以篩選單色脈沖中子進(jìn)行后續(xù)的散射過程.

飛行時(shí)間譜儀根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為直接幾何譜儀和非直接幾何譜儀.前者通過斬波器選取確定能量的入射中子，與樣品發(fā)生散射后，根據(jù)飛行時(shí)間和探測器角度確定出射中子能量；后者具有連續(xù)波長入射中子，中子與樣品散射后通過晶體或者濾波器篩選固定能量的出射中子并進(jìn)行探測.同樣，根據(jù)中子飛行時(shí)間確定入射中子能量.下面介紹直接幾何飛行時(shí)間譜儀的基本結(jié)構(gòu).

飛行時(shí)間譜儀的主要部件有中子導(dǎo)管、斬波器、樣品環(huán)境、散射腔、探測器等，數(shù)據(jù)收集及處理則需要電子學(xué)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)等.斬波器包括T0斬波器、帶寬斬波器和費(fèi)米斬波器.T0斬波器用于去除散裂過程中產(chǎn)生的快中子和γ射線，帶寬斬波器可以選擇入射能量的范圍，而費(fèi)米斬波器決定入射中子的具體能量.實(shí)驗(yàn)中需要3種斬波器協(xié)同作用，選擇出入射中子能量.中子導(dǎo)管一般由內(nèi)部涂Ni/Ti多層膜的超凈玻璃組成，利用涂層材料對中子的全反射聚焦傳輸并聚焦中子，通過橢圓、傾斜等幾何設(shè)計(jì)盡可能地使中子聚焦于樣品處，加大入射中子的通量.由于非彈性中子散射信號較弱，中子探測器一般采用二維的PSD.探測器產(chǎn)生微弱的電信號，需要經(jīng)過前置放大器放大后送入電子學(xué)系統(tǒng)，再經(jīng)過放大、成形、甄別、數(shù)字化處理后，包裝成數(shù)據(jù)包，送到在線的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)做進(jìn)一步處理.

圖4為直接幾何飛行時(shí)間譜儀結(jié)構(gòu)示意圖.通過慢化器的白光脈沖入射中子經(jīng)過斬波器后被單色化，成為能量為Ei的單色脈沖入射中子.單色脈沖中子被樣品散射后被探測器俘獲，完成出射中子信號的收集.入射能量Ei通過斬波器篩選，而出射能量Ef則通過飛行時(shí)間確定.實(shí)驗(yàn)過程中，可以直接測量中子從斬波器到探測器的時(shí)間tTOT，tTOT包括中子從斬波器到樣品的時(shí)間tCS以及中子從樣品到探測器的時(shí)間tSD.斬波器到樣品臺和樣品臺到探測器的距離分別為LCS和LSD，對于能量為Ei的單色中子，tCS為定值，因此tSD可以通過tSD=tTOT-tCS計(jì)算.通過tSD和LSD進(jìn)一步計(jì)算出射中子的速度和能量Ef.出射波矢kf的大小則可以通過Ef獲得，方向由出射中子在探測器上的位置決定，最后根據(jù)動量守恒可以計(jì)算波矢轉(zhuǎn)移Q.因此，通過飛行時(shí)間譜儀同樣可以獲得樣品的散射方程S(Q，ω).飛行時(shí)間譜儀的分辨率由入射中子能量、中子飛行距離、斬波器、中子導(dǎo)管、探測器等參量和譜儀的幾何設(shè)計(jì)共同決定[29].在中子散射實(shí)驗(yàn)中，提高分辨率往往需要以降低中子束流強(qiáng)度為代價(jià)，因此要根據(jù)實(shí)際需求確定分辨率.

圖4 直接幾何飛行時(shí)間譜儀的平面圖

飛行時(shí)間譜儀技術(shù)還在不斷的發(fā)展中.提高效率的主要途徑為：通過提高中子源功率以提高束流強(qiáng)度，通過優(yōu)化導(dǎo)管設(shè)計(jì)提高強(qiáng)度降低背景，通過帶寬斬波器和費(fèi)米斬波器組合實(shí)現(xiàn)多入射中子能量模式，通過增加探測器面積提高數(shù)據(jù)采集效率和范圍，通過快速換樣節(jié)省實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間，等等.提高信噪比的途徑包括：在譜儀設(shè)計(jì)中使用B4C等材料吸收雜散中子，優(yōu)化斬波器設(shè)計(jì)和頻率選擇，使用準(zhǔn)直器去除雜散中子，通過限制狹縫改變中子束流尺寸適應(yīng)樣品大小，等等.擴(kuò)大適用領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)多樣性的途徑包括：拓寬入射中子能量范圍，提高分辨率，豐富樣品環(huán)境(包括寬溫區(qū)、強(qiáng)磁場、高壓、極化中子)，等等.

由于入射中子的能量范圍較大，散裂中子源在高能非彈性中子散射方面具有反應(yīng)堆中子源無法替代的優(yōu)勢.目前，正在運(yùn)行的散裂中子源中，均建造了多臺不同入射能量范圍的飛行時(shí)間譜儀，以滿足測量需求.美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源建有4臺不同入射能量的飛行時(shí)間譜儀：CNCS(入射能量為0.5～80 meV)[29]、HYSPEC(入射能量為3.8～60 meV)[30]、SEQUOIA(入射能量為8～2 000 meV)[31]和ARCS(入射能量為10～1 500 meV)[32].圖5為HYSPEC平面構(gòu)造圖和實(shí)際外觀圖.

(a)平面構(gòu)造圖[33]

3.3 樣品環(huán)境

由于非彈性中子散射強(qiáng)度較弱，為了獲得更強(qiáng)的信號，在實(shí)驗(yàn)中一般需要準(zhǔn)備幾克甚至幾十克單晶或粉末樣品，可通過將多塊單晶同向排列在樣品臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以獲得更高的信號強(qiáng)度.圖6為定向后的待測單晶樣品.根據(jù)研究問題需要，非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)一般需要研究樣品的激發(fā)信號隨外界條件如溫度、磁場、壓強(qiáng)等的變化.因此，需要在相應(yīng)的樣品環(huán)境進(jìn)行測量.

(a)Ca0.82La0.18Fe0.96Ni0.04As2[35] (b)MgCr2O4[36]

在研究磁性材料性質(zhì)和量子現(xiàn)象時(shí)，常采用低溫樣品環(huán)境.低溫一般由低溫恒溫器提供，通過4He閉循環(huán)制冷的方式可以得到最低2～5 K的低溫，結(jié)合稀釋制冷機(jī)(3He/4He dilution refrigerator)可提供50 mK左右的極低溫.強(qiáng)磁場環(huán)境一般會帶來較強(qiáng)的背景信號，同時(shí)散射后中子窗口有一定限制.英國散裂中子源ISIS的譜儀MERLIN可以提供4 T磁場的樣品環(huán)境[37].美國橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室散裂中子源SEQUOIA的譜儀可以實(shí)現(xiàn)14 T磁場和1.5～400 K的溫度范圍.高壓條件一般需要傳壓介質(zhì)，會引入較大的背景信號，且加壓設(shè)備的樣品腔較小，少量樣品難以進(jìn)行非彈性中子散射，產(chǎn)生的信號較弱.目前在高壓環(huán)境中進(jìn)行非彈性中子散射測量的實(shí)驗(yàn)還較少.

4 非彈性中子散射譜儀的應(yīng)用

非彈性中子散射譜儀是研究材料動力學(xué)性質(zhì)非常重要的實(shí)驗(yàn)手段，應(yīng)用范圍涵蓋了材料、工程、生物、化學(xué)、物理等領(lǐng)域.在凝聚態(tài)物理磁激發(fā)、聲子譜激發(fā)、晶體場研究方面，非彈性中子散射譜儀都起到了重要作用.

利用非彈性中子散射研究量子磁性材料的磁激發(fā)是探究凝聚態(tài)物理新現(xiàn)象和新機(jī)制的重要實(shí)驗(yàn)手段.利用非彈性中子散射譜儀對準(zhǔn)一維自旋鏈材料磁激發(fā)譜的測量提供了自旋子激發(fā)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[38-39]；對磁阻挫材料連續(xù)激發(fā)譜的測量提供了量子自旋液體存在的證據(jù)[40]；在高溫超導(dǎo)機(jī)理研究方面，中子散射自旋共振峰的發(fā)現(xiàn)以及自旋漲落隨超導(dǎo)電性演化的研究，為自旋漲落參與超導(dǎo)配對的實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)[41-45].準(zhǔn)確確定磁交換關(guān)聯(lián)強(qiáng)度對于研究和磁性相關(guān)的物理機(jī)理十分重要.如圖7所示，利用非彈性中子散射譜儀可以在動量空間直接觀測磁激發(fā)譜的演變并確定其色散關(guān)系，結(jié)合理論模型可以準(zhǔn)確確定磁交換關(guān)聯(lián)強(qiáng)度J、自旋量子數(shù)S等物理量.圖7(f)～(j)為通過海森堡模型擬合出S-J后模擬的磁激發(fā)譜，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖7(a)～(e)符合得非常好.

(a) (b) (c) (d) (e)

(a) (b)

非彈性中子散射還可以直接測量單離子的晶體場激發(fā)，結(jié)合理論模型分析確定離子的基態(tài).如在層狀三角晶格材料NaYbSe2中，通過測量晶體場激發(fā)(圖9)確定出磁性離子Yb3+的基態(tài)為J=1/2，保證其在低溫下有較強(qiáng)的量子漲落，提供了其為量子自旋液體候選材料的證據(jù)[48].

(a)

在以上幾類物性研究方面，非彈性中子散射具有能量、動量分辨高，可直接觀測磁性信息，可定量計(jì)算絕對強(qiáng)度，可測量塊體材料的性質(zhì)，樣品環(huán)境豐富等顯著優(yōu)勢，可作為物理和材料等學(xué)科的重要實(shí)驗(yàn)手段.

5 結(jié)束語

非彈性中子散射譜儀應(yīng)用廣泛，自發(fā)展以來已經(jīng)取得了重要成果并成為了研究型中子源必不可少的一類譜儀.該技術(shù)仍在不斷進(jìn)步，未來將會朝著更高的中子通量、更高的數(shù)據(jù)采集效率、更低的背景信號以及更加豐富的樣品環(huán)境等方向發(fā)展.2010年后，中國的中子散射研究迅猛發(fā)展.中國的3個(gè)中子源[中國先進(jìn)研究堆(CARR)、中國綿陽研究堆(CMRR)與中國散裂中子源(CSNS)]已經(jīng)開放運(yùn)行.目前，在非彈性中子散射譜儀建設(shè)方面，CARR已建成了“行知”冷中子三軸譜儀、“博雅”冷中子廣譜譜儀及“翠竹”熱中子三軸譜儀[49]和與德國Juelich中心合作建設(shè)的熱中子三軸譜儀SV30，CMRR已建成了“鯤鵬”三軸譜儀[50].中國散裂中子源于2017年8月成功打靶產(chǎn)生中子，已經(jīng)建成通用粉末衍射譜儀、背散射譜儀和小角散射譜儀[51].后續(xù)的譜儀建造也正在緊張進(jìn)行.目前中山大學(xué)物理學(xué)院正在與散裂中子源科學(xué)中心合作建造中國首臺高能直接幾何非彈性散射飛行時(shí)間譜儀.該譜儀投入運(yùn)行后，將為我國科研人員在國內(nèi)開展相關(guān)方向的前沿科學(xué)研究提供實(shí)驗(yàn)條件.