小角中子散射譜儀技術的發(fā)展及未來展望*

韓澤華 左太森 馬長利 李雨晴，3 程 賀**，

（1.中國科學院高能物理研究所中國散裂中子源，東莞 523803；2.中國散裂中子源科學中心，東莞 523803；3.中國科學院大學，北京 100049）

小角光散射（Small Angle Light Scattering，SLS）、小角 X射線散射 （Small Angle X-ray Scattering，SAXS）和小角中子散射（Small Angle Neutron Scattering，SANS）統(tǒng)稱為小角散射。其基本原理［1］和數(shù)據(jù)處理分析方法［2］類似，實驗結果可以互補和互相驗證。

SANS相較于其它兩種小角散射，具有獨特的優(yōu)缺點。中子直接作用于原子核，有強穿透性，這使得復雜樣品環(huán)境的原位實驗成為可能［3］；中子是核散射，所以相同元素的不同同位素（比如氫和氘）或者近鄰元素對中子的散射能力完全不同，這使得中子在復雜合金［4］的成分解析以及復雜流體結構［5］表征方面有重要的作用；中子有磁矩，可以進行磁結構的無損表征。小角中子散射的最大缺點在于中子源的通量太低。例如，上海同步輻射光源小角線站BL19U2樣品處的通量為1014量級［6］（單位為 n·s-1·cm-2，以下相同），而正在服役的大多數(shù)中子源的SANS譜儀樣品處的通量為106～107量級［7］，所以 SANS譜儀必須建在大型中子源，而無法實現(xiàn)實驗室的小型化。

大型中子源的建設耗資巨大、周期長，因此科學家們選擇積極發(fā)展中子光學和探測技術，從而提高現(xiàn)有SANS譜儀的性能，通常采用的方法有：1）將中子聚焦到樣品或者探測器表面，從而成量級地增加中子通量或者譜儀分辨率（Very Small Angle Neutron Scattering，VSANS）［8］；2）利用單色中子和單晶分析器分辨極小的散射角度（Ultra Small Angle Neutron Scattering，USANS）［9］；3）利用中子自旋進動角度標記中子散射角度（Spin-Echo Small Angle Neutron Scattering，SESANS）［10］；4）結合冷中子和超熱中子的衍射，利用飛行時間方法，獲取樣品內原子尺度到納米尺度的信息（無序大分子全散射技術）［11］。通常情況下，VSANS譜儀將常規(guī)SANS的最大測量尺寸提高到1微米，USANS和 SESANS進一步將其推進到30微米［10］，而無序大分子全散射技術則將常規(guī)SANS的最小測量尺寸推進到了0.1埃。

大型中子源包括反應堆中子源與脈沖中子源（即散裂中子源），前者利用反應堆的核裂變反應，提供連續(xù)白光；后者利用脈沖質子轟擊重金屬靶，產生脈沖中子［12，13］。SANS譜儀根據(jù)光源的不同，其準直結構和數(shù)據(jù)歸一方式（reduction）完全不同。基于反應堆源的SANS譜儀通常利用速度選擇器，從連續(xù)的白光中子中選擇單波長中子進行散射實驗，具有代表性的譜儀有美國國家標準與技術研究院中子研究中心（NIST Center for Neutron Research，NCNR）的 NGB和 NG7［14］、橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）高通量反應堆（High Flux Isotope Reactor，HFIR）的 GP-SANS［15］、法國勞埃-朗之萬研究所（Institut Laue-Langevin，ILL）的 D11和 D33［16，17］、德國柏林亥姆霍茲中心（Helmholtz-Zentrum Berlin，HZB）研究堆的 V4（已關閉）［18］、海因茨邁爾-萊布尼茨中心（Maier-Leibnitz Zentrum，MLZ）FRMⅡ研究堆的 KWS-1和 KWS-2［19］、澳大利亞ANSTO研究堆的 Quokka［20］、日本 JRR3（Japan Research Reactor-3）研究堆的 SANS-J-Ⅱ［21］，以及中國先進研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）的 30 m SANS［22］和綿陽研究堆（Mianyang Research Reactor，MYRR）的狻猊［23］等；基于散裂源的SANS譜儀通常使用一組斬波器選擇脈沖中子束中某段波長范圍內的中子，中子的波長由其到達探測器的飛行時間確定，即飛行時間方法（Time of Flight，TOF），具有代表性的譜儀有英國散裂中子源（ISIS）的 LOQ［24］和SANS2d［25］、美國散裂中子源（Spallation Neutron Source，SNS）的 EQ-SANS［26］、日本散裂源（Japan Proton Accelerator Research Complex，J-PARC）的TAIKAN［27］、中國散裂 中子 源 （China Spallation Neutron Source，CSNS）的小角散射譜儀（SANS）［7］等。這兩類SANS譜儀的數(shù)據(jù)分析方法完全相同。

本文首先介紹SANS的一些基本概念和原理，接下來介紹國外、國內SANS譜儀發(fā)展史和一些有代表性的譜儀，穿插介紹SANS譜儀與技術的一些基本原則、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢及其在多學科中的應用。

1 小角中子散射的基本原理

一般傳統(tǒng)的SANS譜儀采用針孔幾何進行準直。在相同中子通量（flux）情況下，為了讓分辨率盡可能高以達到更小的探測角度，通常讓源光闌到樣品光闌的距離L1和樣品光闌到探測器的距離L2保持一致，如圖1b所示。一般來說，在使用針孔幾何準直時，譜儀的最小q值與樣品處中子通量往往相互制約，樣品處中子通量越大，譜儀的空間分辨就越差，最小q就越大，測量的最大尺寸就越?。?］，因此在譜儀設計時往往需要作出取舍?；诜磻阎凶釉吹男〗亲V儀覆蓋的q值范圍一般為0.001～0.5?-1，對應實空間特征尺度約為1～300 nm；基于散裂源的小角譜儀的q值范圍一般為0.002～1?-1，對應實空間特征尺度約為0.4～150 nm。

圖1 散射矢量q定義示意圖與傳統(tǒng)小角譜儀的針孔幾何示意圖［28］Fig.1 The Definition of Scattering Vector q and the Pinhole Geometry of Conventional SANS［28］

隨著技術應用愈發(fā)廣泛，小角中子散射服務的用戶愈發(fā)多樣，以傳統(tǒng)的小角中子散射技術及譜儀為起點，在譜儀與散射技術的發(fā)展上呈現(xiàn)了兩個趨勢，其一是對中子束進行聚焦、準直或者用中子自旋標記散射角度，使譜儀的最小q能變小一到兩個數(shù)量級，從而能夠表征更大的散射體尺寸，由此發(fā)展出了微小角中子散射譜儀、超小角中子散射譜儀與自旋回波小角譜儀；另一個趨勢是在最小q能夠達到0.01?-1的情況下，引入超熱中子和角度覆蓋更廣的探測器陣列，從而向更高的散射矢量擴展（一般能夠達到50?-1），同時得到散射體整體形狀與散射體中原子相對位置信息等多尺度的結構信息，進而發(fā)展出了針對無序材料（主要是無序大分子）的中子全散射技術。以下將分別介紹國內外SANS譜儀技術的發(fā)展歷史，分析SANS譜儀技術的現(xiàn)狀并簡介其在基礎和應用科學研究中的應用。

2 小角中子散射譜儀發(fā)展歷史

2.1 國外小角中子散射譜儀的發(fā)展和現(xiàn)狀

使用小角中子散射進行微觀結構表征最早始于20世紀60年代的歐洲，20世紀70年代美國的小角中子散射開始起步。對SANS發(fā)展歷史的了解有助于我們更好地發(fā)展自己的SANS譜儀與技術?？紤]到反應堆中子源與散裂源的特點差異，本文將按中子源的不同對小角中子譜儀的發(fā)展進行介紹。

2.1.1 反應堆小角譜儀

1）傳統(tǒng)小角譜儀

1931年查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核中存在中子［29］。20世紀70年代，法國與德國聯(lián)合建設了勞厄-朗之萬研究所（ILL）反應堆中子源，高通量的中子源給小角中子譜儀的建設提供了基礎。在德國Jülich的小角譜儀上進行的實驗驗證了保羅·弗洛里（Paul Flory）的本體（bulk）高分子鏈自由行走理論，為他獲得1974年的諾貝爾化學獎做出了貢獻［30］。之后小角中子散射在軟物質領域的研究中一直扮演著重要角色。歐洲的小角中子散射技術及大型譜儀的建設起步較早，且一直處于世界領先水平，現(xiàn)在歐洲比較具有代表性的反應堆小角譜儀有ILL的D11［31］、D22［32］、D33［33］，德國MLZ反應堆FRM-Ⅱ的KWS-1、KWS-2［19］等（表1）。

表1 反應堆代表性小角譜儀參數(shù)Tab.1 Parameters of Representative SANS Instruments On Reactor Source

美國的小角中子散射譜儀起步相對較晚。1977年在 NCNR的前身 NBSR（Neutron Beam Split-Core Reactor），韓志超研究員與Bert Mozer教授主導建成了一臺小角譜儀，服務了多個領域的用戶，為美國在高分子、復合材料、納米材料等領域的研究提供了重要幫助。20世紀80年代末，NBSR改名為NCNR，并且在原有的基礎上建造了新的冷源（Cold Neutron Radiography Facility，CNRF）。美孚石油為更好地發(fā)展化工產業(yè)，出資在第一臺小角譜儀的位置處新建了一臺30米長的小角譜儀NG7［34］，該譜儀于1991年建成并投入使用，為美國石油化工產業(yè)的發(fā)展提供了強大的助力［35，36］。時至今日，NG7經過多次升級，依然是世界上最好的小角中子譜儀之一，除此之外，美國具有代表性的反應堆小角譜儀還有NCNR的n Soft與NgB［34］，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）反應堆中子源HFIR的GP-SANS［15］、Bio-SANS［37］等（表1）。

除了歐美之外，其他國家也在建造自己的反應堆小角中子散射譜儀并發(fā)展相關技術，比較有代表性的有日本反應堆中子源JRR-3的SANS-J-Ⅱ［38］與SANS-U［39］、澳大利亞反應堆中子源ANSTO的Quokka［20］、韓國反應堆中子源HANARO的CG1B［40］等（表1）。這些譜儀基本都是2000年后開始興建，2005年后投入使用的?；谛〗亲V儀多年的發(fā)展經驗，這些譜儀的設計與建造都使用了先進技術，測量范圍能夠達到1～300 nm。在傳統(tǒng)小角中子散射譜儀的發(fā)展歷程中，有兩個關鍵技術的出現(xiàn)與發(fā)展對小角譜儀性能的提升起到了重要作用。其一是先進中子光學儀器，包括透鏡聚焦和中子導管技術的使用。透鏡聚焦一般是在針孔幾何不改變的情況下在樣品前加一串約20～100片的透鏡（一般為MgF2透鏡），將光束的焦距調整到探測器上，有效降低中子束的發(fā)散度從而達到更小的探測角度，其原理與一般的光學透鏡聚焦原理完全相同，MgF2透鏡聚焦技術是現(xiàn)在應用最廣泛的中子聚焦技術之一［41］，成功的例子有ANSTO的Quokka，F(xiàn)RM-Ⅱ的KWS1、KWS2［19］等。中子導管的出現(xiàn)有效提升了樣品處的中子通量，且通過對中子導管的控制可以改變譜儀準直幾何，從而調整q值范圍和樣品處的中子通量，這給用戶提供了更多選擇；其二是大面積二維探測器［42］，從一維探測器到大面積二維探測器的升級有效提升了散射中子的探測效率，縮短了實驗時間，使小角中子散射的應用更加普及。

2）微小角譜儀與超小角譜儀

微小角譜儀與超小角譜儀類似，本質上都是傳統(tǒng)小角譜儀的一種延伸與升級，其基本原理、數(shù)據(jù)處理方法以及應用領域與傳統(tǒng)小角幾乎一致；區(qū)別在于其所用光學聚焦與準直手段有別于傳統(tǒng)的針孔幾何，從而可以達到更小的q值，以表征更大尺度范圍的結構。一般微小角譜儀的最小q能夠達到10-4?-1量級；而超小角譜儀在犧牲中子通量的前提下，最小q甚至可以達到10-5?-1量級，對應的實空間尺度可達1～30μm。微（超）小角譜儀為了能夠探測到更小的q值，一般采用的方法有如下幾種：單純增加譜儀長度從而拉長準直長度；采用（磁）透鏡聚焦中子束；采用區(qū)別于傳統(tǒng)針孔幾何的多孔或多狹縫聚焦；利用單晶分析器進行中子束的準直從而達到更小的探測角度；利用環(huán)面鏡進行反射聚焦中子束。無論哪種方式，其目的都在于使中子能夠達到更低的散射角度。

下面以采取技術手段的不同分類介紹現(xiàn)有的微（超）小角譜儀（表2）。

表2 反應堆代表性微（超）小角譜儀參數(shù)Tab.2 Parameters of Representative VSANS（USANS）Instruments on Reactor Source

（1）極長譜儀技術

使用該技術建造的最具代表性的譜儀是ILL的反應堆譜儀D11［31］。一般小角譜儀長20～35米，而D11全長80米，在2009年升級后可達最小q值0.00034?-1（由于沒有采用任何聚焦技術，該譜儀是否屬于微小角仍存在爭議）［31］。在散裂源上，由于譜儀長度與所用波長范圍互相制約，且需要考慮通量的問題，一般全長不會超過40米，因此幾乎不可能使用極長譜儀技術。

（2）磁透鏡聚焦

磁聚焦透鏡的原理是利用中子本身的內稟磁矩，通過磁場的改變來使中子聚焦。該技術可用于固定波長中子的聚焦，比如日本JRR-3的SANS-J-Ⅱ；對于白光中子束的聚焦仍處于試驗階段，迄今為止比較成功的實驗是J-PARC與東京大學聯(lián)合制造的一套六級磁鐵模型［43］，該模型可以成功聚焦20～50?的長波中子［44］。

（3）多孔和多狹縫技術

該技術充分利用中子源的高發(fā)散度和大的源面積，將源面分成多個小區(qū)域，將每個小區(qū)域發(fā)出的中子互不干涉地聚焦到探測器表面。1986年NIST的Charlie Glinka研究員最早提出多孔焦微小角的概念，并建設了一臺8米長的樣機［45］，此后多孔與多狹縫技術成為了微小角譜儀的一個可行技術?，F(xiàn)在世界上有代表性的該類譜儀是NIST的VSANS（正在試運行）［46］。此外德國HZB的V16［47］（已關閉）也曾經采用了多孔聚焦技術，雖然由于種種技術原因，并沒有達到更小的q值。

該技術其核心部分為光學準直系統(tǒng)（圖2）［8］。源光闌（source aperture）和樣品光闌（sample aperture）確定光束的發(fā)散度和方向，所有的光束都聚焦到探測器表面，中間的光闌只是防止光束之間的交疊（cross talk）。一般來講，多孔光闌常用于反應堆中子源，而多狹縫光闌可用于兩種中子源。

圖2 多孔與多狹縫準直系統(tǒng)的原理示意圖［14］Fig.2 Schematic Disgram of Mult-slit and Multi-pinhole Collimation System［14］

（4）超小角的Bonse-Hart單晶分析器技術

20世紀80年代Bonse與Hart提出一種使用兩個完美單晶組合的衍射來挑選出單一波長的光束進行入射束準直的方法［9］。用這種方式挑選出的入射束準直度極好，能夠分辨更小的散射角從而達到更小的q值。該技術最早于20世紀90年代應用于超小角X射線譜儀［48］，之后在超小角中子譜儀的建造上也得以實現(xiàn)應用，比較具有代表性的譜儀有NIST的BT-5［49］與ANSTO的Kookaburra［50］。ORNL的散裂中子源SNS曾經的USANS也使用了單晶分析器技術［9］。

（5）環(huán)面鏡聚焦技術

環(huán)面鏡也稱為環(huán)曲面鏡（Toroidal Mirror），其原理是在橢球環(huán)面（Elliptical Toroidal Mirror）［51］或者其與雙曲環(huán)面鏡（Wolter Mirror）［52］的組合的內表面鍍上粗糙度在原子量級的平整的金屬反射鍍層，讓從一個焦點出發(fā)的中子在一次或者兩次反射之后，聚焦到另一個焦點。這一技術在德國Jülich的FRM-II上使用建成了一臺非常成功的VSANS譜儀KWS-3［53］。在美國，Wolter鏡最早是美國國家宇航局（The National Aeronautics and Space Administration，NASA）用于觀察星體X射線的天文望遠鏡，后來麻省理工大學（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Boris Khaykovich教授將這一技術引入到中子的聚焦和成像［54，55］。日本在這方面也有研究［56］，但還未實際應用。Wolter環(huán)面鏡迄今為止沒有得到廣泛應用的主要原因是其技術難度太高，需要非常好的拋光和鍍膜技術，而且橢球面或者拋物面的平整度需要達到原子量級，才能抑制表面產生的漫散射和非鏡面反射。

3）自旋回波小角譜儀

中子的一個重要的特征是具有內稟磁矩，這一性質可以用來表征磁性物質的磁結構（原理如圖3所示）。中子自旋不僅可以探測樣品中的磁結構，還可以被磁場操控，用于標記中子被樣品散射后，微小的能量和角度變化。1972年匈牙利科學家Mezei研究員提出可以用中子的自旋來標記中子的能量［57］，之后ILL建造了第一臺中子自旋回波譜儀（NSE Spectrometer）［58］，用來表征凝聚態(tài)物質中極慢的運動模式（皮秒到納米秒量級）和非常低的能量變化（納電子伏，neV）。1978年美國的Roger Pynn教授提出了利用傾斜磁場界面對中子的散射角進行標記，這就是SESANS的基本原理［59］。2003年荷蘭Delft的自旋回波小角譜儀SESANS對用戶開放［60］。ISIS在2008年完成了一臺SE-SANS譜儀OffSpec的安裝［61］，并在OffSpec的基礎上，于 2007年開始計劃新建一臺集彈性散射和非彈性散射于一體的自旋回波小角散射譜儀Larmor。2014年，Larmor第一階段的建設完成［62］，現(xiàn)正在進一步建設與調試。自旋回波譜儀主要的應用領域包括量子物理［63］、中子譜儀［64］、生物膜［65］、膠體［66］和高分子［67］等領域。

圖3 利用自旋回波方法標記中子散射過程中動量（角度）變化示意圖［68］Fig.3 Schematic Diagram of Marking Momentum Transfer during Neutron Scattering Process by Spinecho Method［68］

2.1.2 散裂源小角譜儀

散裂中子源與反應堆中子源最明顯的區(qū)別是入射中子選擇方式。散裂源使用的帶寬斬波器可在每個（或每兩個）脈沖中截取需要波長范圍的中子。中子的波長由其飛行時間決定。為避免后一個波長的短波中子追上前一個波長的長波中子，散裂源小角譜儀的總長度與其使用的波長帶寬一般是互相耦合的，常用式（2）進行簡單計算［26］。

1）基于散裂源的傳統(tǒng)小角譜儀

現(xiàn)存最早的散裂源小角譜儀是英國散裂中子源（ISIS）的LOQ［24，69］，于1985年投入使用，是迄今為止服役時間最長的散裂源小角譜儀。在服役的三十多年間為凝聚態(tài)物理［70］、高分子物理［71］、生物物理［72］、化學物理［73］等學術領域及工業(yè)領域［74］的研究與進步做出了重要貢獻。由于LOQ的成功，ISIS在自己的第二靶站建造了另一臺小角譜儀SANS2d［25］，SANS2d于2008年建成使用，所覆蓋的q范圍較LOQ有明顯提升，受益于ISIS第二靶站慢化器系統(tǒng)的升級，相較于LOQ，SANS2d樣品處的中子通量有3～10倍的提升（表3）。

美國橡樹嶺國家實驗室ORNL的散裂源SNS的小角譜儀EQ-SANS于2010年建成使用。EQSANS采用了跳幀（frame skip）技術，即通過調節(jié)帶寬斬波器的運行模式，每兩個脈沖中僅使用一個脈沖來截取需要的中子，將SNS 60 Hz的源頻率降低為30 Hz，可使用的波長寬度也拓寬至6?［75］。該技術在譜儀長度有限的情況下可有效拓寬譜儀測量的q值范圍。除此之外，日本散裂中子源J-Parc也有一臺小角譜儀TAIKAN［76，77］，采用帶寬較寬的入射中子波長（8?）與最高達170°的探測器排布，在低q與高q兩個方向上都突破了傳統(tǒng)小角譜儀的限制，是一臺性能優(yōu)良的綜合性小角譜儀（表3）。

表3 散裂源代表性小角譜儀參數(shù)1）Tab.3 Parameters of Representative SANS Instruments on Spallation Source1）

2）基于散裂源的微（超）小角譜儀

受限于譜儀長度與可使用波長帶寬間關系，散裂源無法使用超長譜儀技術，白光中子也使得聚焦技術較難在散裂源應用。ISIS的ZOOM使用中子透鏡聚焦同步中子脈沖，改變光闌的尺寸實現(xiàn)VSANS模式［78］，但由于技術難度比較大，到目前為止，該譜儀還沒有投入運行。技術難度稍低的VSANS實現(xiàn)方案是采用多狹光闌縫聚焦，這一技術剛引入反應堆中子源實用，NIST VSANS仍在調試［79］；目前逐步引入散裂中子源VSANS的設計建設，如歐洲散裂中子源計劃建設的SKADI［80］。

3）針對無序材料的中子全散射譜儀

在向高q拓展測量范圍這個方向上，散裂源有天生的優(yōu)勢，通過協(xié)調使用入射中子的波長范圍及譜儀總長，并同時使用低角和高角探測器的情況下，一般可調節(jié)譜儀的探測范圍達到0.01～50?-1，對應的實空間尺度約為0.1～100?，可以有效探測一般無序材料（尤其是無序大分子）的多尺度結構并進行綜合分析，是研究無序材料結構的有力工具之一。

針對無序材料全散射譜儀的嘗試始于20世紀70年代末，英國Harwell實驗室的直線加速器HELIOS上建造了一臺使用最短0.8?中子的散射譜儀用以拓展原有小角譜儀的高q探測范圍［81］，后在80年代ISIS建造的LAD［82］與ILL建造的D4［83］催生了ISIS在80年代末建成SANDALS［84］。這是第一臺針對無序液體結構表征的譜儀，對高含氫量樣品的數(shù)據(jù)處理過程進行了優(yōu)化［85］，使得各種溶劑、熔融體系全原子結構的研究成為可能，為航空航天、生命科學等方面的研究提供了強大助力［86-90］（表4）。

表4 散裂源代表性全散射儀參數(shù)1）Tab.4 Parameters of Representative Neutron Total Scattering Instruments on Spallation Source1）

2009年ISIS于第二靶站上建成了NIMROD［91］。得益于從SANDALS建成就開始發(fā)展的，針對高含氫量樣品散射實驗結果的數(shù)據(jù)處理方法，NIMROD在溶液領域，尤其是水溶液領域的研究中具有獨特的優(yōu)勢［92-94］。除此之外，日本散裂中子源J-Parc的NOVA也是一臺優(yōu)秀的全散射譜儀［95］（表4）。

除了針對無序材料的中子全散射譜儀，還有一類與衍射譜儀類似，針對晶體中的缺陷、準晶及小分子玻璃等體系的全散射譜儀。該類譜儀一般對最小q值的要求不高，但最高q需要至少達到50?-1，以滿足對精細結構進行分析的要求，其代表是ISIS的GEM［96］與SNS的NOMAD［97］（表4）。

2.2 國內小角中子散射譜儀現(xiàn)狀

2.2.1 反應堆中子源

國內的小角中子散射技術與小角中子散射譜儀的起步都較晚，直到2005年與2006年才分別在中國先進研究堆（CARR）與綿陽研究堆（CMRR）開始建造小角譜儀（圖5、表5）。CARR堆的小角譜儀由科技部、中國科學院和中國原子能科學院聯(lián)合出資，是科技部2005年投資建設的十三個國家大型儀器中心之一，由中科院化學所韓志超研究員作為首席科學家。該譜儀于2012年通過驗收，全長32米，使用的最長波長可達20 ?，主要針對高分子、納米及生物領域等，提供多種樣品環(huán)境滿足實驗需求［22］。CMRR堆的小角譜儀“狻猊”全長25米，測量的正空間尺度為10～3000?，樣品處通量最高可達106量級［23，98］。狻猊作為現(xiàn)今國內最好的小角中子散射譜儀之一，在科研、工業(yè)甚至國防領域的研究中都扮演著重要的角色［99-102］。

表5 國內小角及相關譜儀參數(shù)Tab.5 Parameters of Representative SANS and Corresponding Instruments in China

圖4 NIMROD譜儀示意圖［91］Fig.4 An Overview of NIMROD［91］

圖5 CARR堆30米小角譜儀的設計圖與照片［22］Fig.5 Design and Photography of 30m SANS Instrument on CARR［22］

為了利用中子散射探測更大尺度，在中國綿陽研究堆（CMRR），由中國工程物理研究院主導建設了一臺USANS譜儀與一臺SE-SANS譜儀，其中USANS譜儀已于2022年驗收并正式投入使用，而SESANS譜儀在2022年2月份進行了導管準直，有望于2023年驗收。這兩臺譜儀的建設與使用將為我國在軟物質、凝聚態(tài)物理，尤其是核材料的無損檢測等領域的發(fā)展做出重要貢獻。

2.2.2 散裂中子源

中國散裂中子源（CSNS）的小角譜儀SANS是作為CSNS三臺首批譜儀之一而規(guī)劃建造的，在2017年CSNS第一次出束時進行了調試［7］。CSNSSANS配備有多種樣品環(huán)境，為用戶在不同條件下進行實驗提供了便利，迄今為止，SANS譜儀上已經誕生了上百篇高質量論文，涵蓋化學、物理、生物、材料等多個領域［103-107］，為我國科研事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻（表5）。

由廣東省科學技術廳出資，散裂中子源科學中心正在承建一臺微小角譜儀（圖6），全長34.75米，于2019年年底開工建設，將于2022年年底驗收［108］。該譜儀在使用多狹縫準直系統(tǒng)時可實現(xiàn)VSANS模式，最小q可達0.0003?-1（表5）。

圖6 中國散裂中子源微小角譜儀的設計圖與照片F(xiàn)ig.6 Design and Photography of VSANS Instrument on CSNS

2017年開始，清華大學核工系王學武教授團隊對于將Woltermirror的聚焦技術用于SANS譜儀進行了廣泛的探索［109］。基于清華大學的微型脈沖強子源（CPHS），清華大學聯(lián)合同濟大學、中國科學院高能物理研究所，正在共同建設一臺掠入射中子聚焦SANS譜儀（表5）。該譜儀將驗證利用Wolter鏡聚焦建設VSANS譜儀的可行性。

我國目前為止并沒有建成或計劃建造無序大分子全散射譜儀。程賀課題組針對CSNS源的特點，物理設計了一臺無序大分子全散射譜儀［110］，全長20米，使用0.1～7.8?的中子，探測器覆蓋角度為0.5°～70°，有效的q值范圍為0.01～50?-1，在CSNS以100 kW功率運行時，預計樣品處的中子通量可達106量級。其設計優(yōu)化了準直系統(tǒng)，使用多倍速帶寬斬波器，有效提升了短波中子的通量。通過計算機模擬預測，該譜儀的性能應該與NIMROD相當，這為我國將來針對無序材料全散射譜儀的設計與建設提供了思路。

除此之外，由東莞理工大學與香港城市大學出資，散裂中子源科學中心承建的多物理譜儀（MPI）是一臺針對晶體中的缺陷、準晶及小分子玻璃體系的全散射譜儀。該譜儀全長33米，提供了多種樣品環(huán)境［111］，已于2021年驗收投入使用，現(xiàn)已在凝聚態(tài)物理、晶體材料研究等多個領域支撐了數(shù)篇高質量科研論文的發(fā)表［112-114］（表5）。

3 總結與展望

小角中子散射是探索物質微觀、介觀結構的有力手段，在基礎科學、應用科學和產業(yè)化方面均有重要應用。本文梳理了國內外反應堆中子源和散裂中子源上SANS技術的發(fā)展歷史，并著重介紹一些典型的譜儀。我們從傳統(tǒng)SANS譜儀散射矢量范圍的拓展角度，對VSANS、USANS、SESANS和無序大分子全散射譜儀的發(fā)展和現(xiàn)狀進行介紹，并由此出發(fā)，展望SANS技術的發(fā)展趨勢。

21世紀以來，隨著環(huán)保與安全的考慮，許多國家的研究用反應堆逐漸關閉，未來的趨勢必然是建造更多的散裂中子源。現(xiàn)在在建的世界最大的散裂中子源ESS由歐洲13國聯(lián)合建設，目前為止規(guī)劃建設多達22臺中子譜儀，該中子源采用了連續(xù)打靶的方式產生中子，相較于現(xiàn)在已有的所有散裂中子源，其中子通量將有約兩個量級的提升［116］。這給小角中子散射譜儀及其相關技術的進步提供了堅實的基礎與充裕的空間。

小角中子散射譜儀技術未來的發(fā)展依然是兩個主要方向，即向高q擴展探測范圍的全散射譜儀，與向更小q發(fā)展的微（超）小角譜儀。近些年的全散射譜儀除了之前提到的NOVA、MPI外，J-parc的TAIKAN也加裝了覆蓋角度范圍很廣的探測器模塊，使最高q能夠達到10?-1［77］；而在散裂源微小角譜儀的嘗試上，除了ISIS正在調試的ZOOM，CSNS正在建設的VSNS譜儀外，ESS首期也計劃建造建造一臺小角譜儀LoKI與一臺微小角譜儀SKADI［79，116］，LoKI覆蓋的q值范圍為0.001～1?-1，SKADI使用多狹縫技術進行準直，覆蓋的q值范圍為0.0001～1?-1。得益于ESS的高功率，LoKI與SKADI的樣品處中子通量分別可達109與108量級［116］。相較于傳統(tǒng)的散裂中子源，如此高的通量除了可以大大縮短用戶進行實驗的時間，還可以開發(fā)出一些新的實驗方法，從而使小角中子散射譜儀及相關技術煥發(fā)新的活力。

圖7 針對中國散裂中子源的無序大分子全散射譜儀的物理設計［104］Fig.7 Physical Design of a Neutron Total Scattering Instrument for Disordered Material based on CSNS［104］