中子散射原理与实验设施

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1、National Central UniversityNational Central University 中子散射原中子散射原中子散射原中子散射原 及實驗設施簡介及實驗設施簡介及實驗設施簡介及實驗設施簡介 Principles and facilities 文献文献 of neutron scattering Wen- Hsien Li (文献文献) Center for Neutron Beam Applications (中子束應用研究中心中子束應用研究中心)(中子束應用研究中心中子束應用研究中心) Department of Physics (物系物系) National Centr

2、al University (中央大學中央大學)National Central University (中央大學中央大學) whliphy.ncu.edu.tw 米物性實驗室米物性實驗室 散射概散射概 Scattering process 藉由入射子被散射後藉由入射子被散射後動與能的變化動與能的變化解物質內原子解物質內原子 以散射探測原子景觀以散射探測原子景觀以散射探測原子景觀以散射探測原子景觀 藉由入射子被散射後藉由入射子被散射後動與能的變化動與能的變化,解物質內原子解物質內原子 的排方式及其動為。的排方式及其動為。 動改變動改變 Elastic scattering Incident b

3、eam 動改變動改變 能變能變 Ili 動改變動改變 Inelastic scattering 動改變動改變 能改變能改變 中子源波長範圍:中子源波長範圍: 適合繞射實驗,探討物質晶體結構訊息適合繞射實驗,探討物質晶體結構訊息 中子源能範圍:中子源能範圍: meV 適合非彈性散射實驗適合非彈性散射實驗, 探討凝體系統之動現象探討凝體系統之動現象 (dynamical phenomena) 如晶格震盪、電子組態、磁激發如晶格震盪、電子組態、磁激發 Scattering processScattering process Elastic scattering 4 sin k = 0 Inciden

4、t kf k 2 22 neutronfifi E = E E = (k k ) = 0 2m Incident neutron ki f 2 k Diffraction for structureDiffraction for structure ki Inelastic scattering 4 sin k = 0 g 2 22 neutronfifi E = E E= (k k ) 0 2m Incident neutron kf 2 k Eneutron 0, neutron gains energy 0, neutron loses energy kiExcitation for d

5、ynamics Excitation for dynamics Energy scalesEnergy scales Photon : Energy dispersion of with h = 4 13 10- 15eV s and c = 2 998 108m/s /Ehhc o 12.4 (A) (k V)E with h = 4.13 10 5 eV s and c = 2.998 108m/s. for photons. (keV)E For an x- ray photon of = 1 E = 12.4 keV. For laser photon of = 5145 E = 2.

6、41 eV. 2222 kp iif 2 222 kp E mmm Neutron : Energy dispersion of with h = 4.13 10- 15eV s and m = 1.675 10- 24g. o 0.289.04 (A) (eV)(meV)EE with h 4.13 10eV s and m 1.675 10g. for neutrons. (eV)(meV)EE For diffraction neutron of = 1 E = 82 meV. Energy scalesEnergy scales Neutron: in the meV range Co

7、mparable to the dynamical energy of solids Epithermal neutron: 200 meV0 64 Epithermal neutron: 200 meV, 0.64 Thermal neutron: :20 meV, 2 Cold neutron: :2 meV, 6.4 X- ray: in the keV rangeX- ray: in the keV range Laser: in the eV range Electron: in the 100 eV range 米物性實驗室米物性實驗室 核反應源核反應源 中子束特性中子束特性 Re

8、actor neutron sourceReactor neutron source 核分鎖反應核分鎖反應核反應提供續性中子源核反應提供續性中子源1. 核分鎖反應核分鎖反應 核反應提供續性中子源核反應提供續性中子源 2. n + 235U 36Ba + 56Kr + free n (平均 平均2.5) + betas 3. D2O moderator: 減速核分所滋生中子能減速核分所滋生中子能 ( 1 MeV)至熱中子至熱中子(eV) 增加鎖反應速增加鎖反應速。(1 MeV)至熱中子至熱中子(eV) 增加鎖反應速增加鎖反應速。 SpallationSpallation neutron sour

9、ceneutron source Beam guides 以高能質子以高能質子(500MeV)撞擊屬靶 平均每次撞擊可滋生約 撞擊屬靶 平均每次撞擊可滋生約10個中子個中子 EtitEnergetic proton 中子源中子源中子源中子源 核反應中子源核反應中子源: 穩態,能依穩態,能依Maxwellian分佈分佈 以以H2O/D2O/石墨低能至石墨低能至meV範圍範圍 中子源中子源: 内增設致器内增設致器(液態氫液態氫: 20 K) 加速器中子源加速器中子源: 脈衝式,瞬時通較高脈衝式,瞬時通較高 能能: :meV範圍範圍( (適合探討凝體系統動現象適合探討凝體系統動現象) ) 能能: :

10、meV範圍範圍( (適合探討凝體系統動現象適合探討凝體系統動現象) ) 超熱中子:超熱中子: 200 meV, 0.64 熱中子熱中子: :20 meV2 熱中子熱中子: :20 meV, 2 中子:中子:2 meV, 6.4 Average flux Average flux 1 MW spallation source 10 MW reactor source 中子散射作用中子散射作用中子散射作用中子散射作用 散射作用:散射作用: 中子中子原子核原子核: :強交互作用強交互作用中子中子原子核原子核: :強交互作用強交互作用 (到原子核,散射機並非隨原子序增加而增大)(到原子核,散射機並非隨

11、原子序增加而增大) 偵測原子核位置偵測原子核位置 晶體結構晶體結構 偵測原子核位置偵測原子核位置 晶體結構晶體結構 中子自旋未成對電子自旋:中子自旋未成對電子自旋:磁偶矩交互作用磁偶矩交互作用 偵測未成對電子自旋 磁結構 偵測未成對電子自旋 磁結構 對樣品穿透對樣品穿透: : 除少元素(除少元素(Gd、Cd、Sm、B)外,基本上全然穿透)外,基本上全然穿透 散射長因同位素而散射長因同位素而: :散射長因同位素而散射長因同位素而: : 對比調變 (對比調變 (contrast variation) 技術) 技術 中子束基本功能中子束基本功能中子束基本功能中子束基本功能 為一非破壞性探測的工具。

12、為一非破壞性探測的工具。 能深入系統的內部能深入系統的內部。 中子能中子能: meV 中子為電中性中子為電中性 能深入系統的內部能深入系統的內部 目前唯一能探測磁性結構的工具目前唯一能探測磁性結構的工具 磁性材磁性材 中子為電中性中子為電中性 中子具磁耦矩中子具磁耦矩 磁性材磁性材。 在重原子間判定輕原子在重原子間判定輕原子 Scattering power: 生化分子氫原子的測定。 生化分子氫原子的測定。 動組態探討。動組態探討。 D OCa Si 所具能與動激發子相當。 所具能與動激發子相當。 中子影像中子影像。 D H 中子影像中子影像 漸層分析,觀看動態氫。 漸層分析,觀看動態氫。 W

13、hat makes neutron so special for diffractionWhat makes neutron so special for diffraction Neutron: carries no charge small in size relative to atomic radius heavy in weight relative to electron Incident neutron mneutron= 1.675 1027 kg mproton= 1.673 1027 kg p melectron= 9.109 1031 kg He atom Strong

14、neutron-nucleus interaction Determine the atom position with high precision What makes neutron so special for diffractionWhat makes neutron so special for diffraction Strong neutron-nucleus interaction Discriminate elements with similar atomic number M n FeCo Discriminate elements with similar atomi

15、c number n X-ray N Neutron T d tttib tit tidi t ib tiTo detect cation substitution, distribution, site occupancies and order-disorder processes ex : (Fe Mn) SiO Al- Mg order- disorder in spinel structureex.: (Fe, Mn)2SiO4, Al- Mg order- disorder in spinel structure Al- Si distribution in silicates Scattering leng

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