中子譜儀利用中子與原子核的作用來進行物質微觀結構和動力學的研究。如果把散裂中子源比做超級顯微鏡，每臺中子譜儀都是一個“顯微鏡”。中子譜儀的工作原理如圖1 所示，中子源產生的中子當做一束“光”，入射到科學家用戶要研究的“黑盒子”樣品上進行觀測，中子將與樣品內部原子核發生作用，中子探測器類似人的“眼睛”收集與樣品作用后各方向出射的中子，最終通過散射中子方向、速度和自旋等的數據分析，獲得樣品內部原子和分子在哪里，以及如何運動等信息。這些微觀結構將幫助我們理解物質的力、熱、光、電等宏觀屬性。

圖1 中子譜儀的構成示意圖

01 中子譜儀構成

中子譜儀的主要構成包括：

1. 中子源慢化器

中國散裂中子源擁有三種類型的慢化器：快中子在退耦合水(300K)、耦合液氫(20K)、退耦合窄化液氫(20K)，輸出短脈沖、高通量的冷、熱中子。譜儀根據對中子通量、分辨率和能譜等的需求，選擇不同的慢化器。退耦合水慢化器適合短波中子需求的譜儀,耦合液氫慢化器適合高通量需求的譜儀，退耦合窄化液氫慢化器適合高分辨率需求的譜儀。

2. 中子導管

中子束流是通過中子導管傳輸到譜儀大廳中，進而傳輸到樣品上。中子能夠在中子導管內部的Ni/Ti 超鏡涂層上進行反射，從慢化器傳輸到幾十米甚至上百米以外的樣品中心。中子導管能夠有效地減小束流損失，保障樣品處的中子通量，節省樣品輻照時間，提高譜儀工作效率。

中子導管從結構上可以分成兩大類：常規中子導管和特殊中子導管。常規中子導管是指矩形中子導管，即內部腔體結構為矩形，主要作用是最小損傷地進行中子傳輸。特殊中子導管包括橢圓聚焦中子導管、拋物線聚焦中子導管、六邊形中子導管等非常規結構的中子導管，主要作用是對寬范圍的中子起到聚焦作用。中子導管按照基片的材料可以分成兩大類：玻璃基片中子導管和金屬基片中子導管。玻璃基片中子導管采用含硼或者不含硼的浮法玻璃作為基片。在其表面鍍制超鏡涂層。而金屬基片中子導管則采用鋁或者銅作為基片制作中子導管。

3. 中子斬波器

中子斬波器是一種從時間尺度上對束流調控的中子光學器件，又稱中子能量選擇器。在飛行時間型中子散射譜儀中，中子斬波器通過相位控制使轉動體的轉動與中子的飛行時間同步，對中子束流進行吸收阻擋和選擇。根據功能可以分為T0 斬波器、帶寬斬波器、脈沖斬波器、費米斬波器等類型。

T0 斬波器功能是去除打靶產生中子瞬間釋放出的大量快中子和高能伽馬射線，降低譜儀本底。帶寬斬波器主要功能是截取指定波段中子，消除多個脈沖之間長波中子飛行時間重疊本底，提高信噪比。脈沖斬波器與帶寬斬波器結構類似，主要區別是脈沖斬波器轉速遠遠高于帶寬斬波器，可以截取極窄時間窗的束流脈沖。費米斬波器主要功能是選擇出單一能量中子，通過相位同步控制技術，使得所需要的某個單一波長中子才能夠通過狹縫，其他中子則被中子狹縫包所吸收。

4. 中子探測器

中子探測器是中子譜儀關鍵設備之一，被譽為中子譜儀的“眼睛”。中子入射到樣品后，與物質發生相互作用，通過探測器測量穿過樣品后的中子強度和空間分布，從而得到物質內部的微觀結構信息。由于中子本身不帶電，不會引起電離和激發，無法進行直接探測。因此中子的探測是通過中子與敏感材料相互作用，產生帶電粒子或光子實現間接探測。常用的熱中子敏感材料有3He，6Li，10B等，這些同位素與熱中子的核反應截面大，有利于提高探測器的中子探測效率。中子與中子敏感材料作用產生帶電粒子或者光子，產生微弱的模擬電信號，經多通道專用集成電路芯片進行放大，然后進入數字邏輯電路進行邏輯處理得到入射中子空間和時間信息，最后通過數據獲取系統經光纖網絡的方式將數據傳輸到服務器用于物理分析(圖2)。

圖2 中子探測器的基本組成

5. 樣品環境

中子散射原位樣品環境設備(圖3)為待測試樣品提供溫度、壓力、磁場、電場、氣氛、應力應變以及多場耦合等原位實驗環境，使得中子散射譜儀能夠在用戶所需要的各種特殊實驗條件下對樣品進行原位測量。將中子散射技術與極端條件樣品環境相結合，可充分發揮中子散射技術在原位測量晶體結構、晶體織構、動態相變、電磁特性、應力應變等方面的優勢。

圖3 主要中子散射原位樣品環境示意圖

6. 控制與數據分析

譜儀運行需要實驗控制、數據分析和計算等軟硬件支持。實驗控制負責各種設備的配置、調度、檢測與控制，以及不同設備之間必要的安全連鎖。在實驗過程中，進行實驗參數配置、運動控制和數據采集、實驗運行狀態監測，以及實驗狀態記錄與管理等，保證實驗的自動化運行。數據分析負責中子實驗數據的在線處理和可視化，實驗數據的重建、規約和物理分析，以及數據的計算模擬等，為譜儀和用戶提供數據分析軟件和數據平臺。

02 中子譜儀分類

利用中子、電子、X射線和激光等手段觀測物質微觀結構和運動的基本原理相似。由于中子和物質作用不同，與其他手段互補，從而能夠從不同方面對物質微觀結構形成完整的描述。中國散裂中子源中子譜儀充分利用中子與物質作用的特點，包括：中子散射能測定較輕原子，區分同位素，直接測定磁結構，具有極強的穿透性等，開展高溫、高壓和強磁場等極端條件下的原位實驗，最大化發揮中子技術的優勢，與其他手段形成充分互補。為物質科學、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術研發提供了強有力的研究平臺，滿足國家重大戰略需求、解決前沿科學問題和瓶頸問題。

中國散裂中子源三類慢化器提供20 條中子束流孔道，根據不同科學研究的目標和各類型譜儀的設計需求，中子譜儀布局如圖4。

圖4 中國散裂中子源中子譜儀布局圖。01：小角中子散射儀，02：多功能反射儀，03：液體中子反射儀，04：冷中子直接幾何非彈譜儀，05：高能直接幾何非彈譜儀，06：逆幾何分子振動譜儀，07：預留，08：工程材料中子衍射儀，08A：中子技術發展線站，09：高分辨中子衍射儀，10A：預留，11：大氣中子輻照譜儀，12：中子物理與應用譜儀，13：能量分辨成像譜儀，14：微小角中子散射儀，15：高壓中子衍射儀，16：多物理譜儀，17：彈性漫散射中子譜儀，18：通用粉末衍射儀，19：單晶中子衍射儀，20：直接幾何極化非彈譜儀

1. 彈性散射

中子與原子核作用后，沒有能量的改變，可用于靜態結構的表征。中子波長與物質中原子、團簇的距離相近，可以測量小到原子的晶體結構(?)、大到納米(nm)/微米(μm)的介觀尺度結構，覆蓋物理、化學、生物等體系中多尺度結構。

中國散裂中子源建設5 臺粉末衍射儀：通用粉末衍射儀、多物理譜儀、工程材料中子衍射儀、高壓中子衍射儀、高分辨中子衍射儀。從應用上覆蓋：晶體結構、磁結構、無序結構表征和殘余應力無損檢測多方面的應用。從分辨率上覆蓋：高、中、低三檔分辨率，滿足不同的實驗需求。從樣品環境上覆蓋：高低溫、高壓、強磁場多種實驗條件。

中國散裂中子源建設1 臺單晶衍射儀：單晶中子衍射儀。主要用于單晶材料的磁性結構和生物大分子結構表征。

中國散裂中子源建設2 臺小角散射儀：小角中子散射譜儀、微小角中子散射譜儀。前者覆蓋常規的1~100 納米尺度范圍，后者能夠測量1 微米以上更大尺度的結構。主要應用于聚合物、生物大分子、多孔材料等領域納米尺度結構的表征。

中國散裂中子源建設2 臺中子反射儀：多功能反射儀、液體中子反射儀。前者為垂直幾何，主要用于固體界面結構表征；后者為水平幾何，主要用于液體界面結構表征。

2. 非彈性散射

中子與原子核作用后，能量增加或損失，用于物質運動的表征。中子能量和物質的動力學能量范圍相符，可以探測小到納電子伏特(neV)、大到電子伏特(eV)的原子運動、分子振動和磁激發，覆蓋凝聚態、軟物質等體系中的微觀運動。

中國散裂中子源建設4 臺直接幾何非彈性散射譜儀：高能直接幾何非彈性中子散射譜儀、直接幾何極化非彈譜儀、彈性漫散射譜儀、冷中子直接幾何非彈譜儀。從應用上覆蓋：晶格和自旋動力學。從能量范圍上覆蓋高、中、低能段，滿足不同的研究需求。

中國散裂中子源建設2 臺逆幾何非彈性散射譜儀：中子背散射譜儀、逆幾何分子振動譜儀。前者用于原子/分子擴散等慢動力學的準彈性測量，后者用于分子振動譜的大范圍測量。

3. 其他

中國散裂中子源建設1 臺中子成像譜儀：能量分辨中子成像譜儀。可以開展常規中子成像和布拉格邊成像，對材料和部件內部微結構進行設計、加工、運行與服役性能評估。主要應用于能源、材料、裝備制造等領域。

中國散裂中子源建設1 臺中子俘獲譜儀：中子物理與應用譜儀。可以開展瞬發伽瑪活化分析(PGA)、共振中子俘獲分析和中子深度剖面測量(NDP)，對樣品內微量和痕量元素進行快速和非破壞式檢測。主要應用于能源、地質、考古、醫學等領域。

中國散裂中子源建設1 臺大氣中子輻照譜儀：模擬大氣中子不同環境下的樣品輻照試驗，主要應用于航空航天、電子通訊、核電、高性能計算等領域。

中國散裂中子源建設1 臺中子技術發展線站：開展中子器件、中子技術和實驗方法學的測試和研究，主要應用于中子探測器、極化器、導管等領域。

審核編輯：劉清