中子粉末衍射

原理

理想情况下，每个可能的晶体取向在粉末试样中可以得到表示。当散射束被一个平板状的探测器搜集时，可以得到围绕束流轴向的光滑衍射环，而不是单晶衍射中的劳厄斑点。

中子衍射的原理与X射线衍射相同，中子通过晶体会发生衍射现象，散射波会在某些特定的散射角（满足布拉格方程2 dsinθ = n λ）形成干涉加强，即形成衍射峰。衍射峰的位置和强度与晶体中原子的位置、排列方式和种类密切相关。对于磁性物质而言，衍射峰的位置和强度还和原子的磁矩大小、方向和排列方式有关。

与X射线粉末衍射相比，中子粉末衍射具有以下优点：①深穿透。中子是电中性粒子，具有远高于常规X射线与电子的穿透深度，易于开展极端条件下（高低温、高压和强磁场）物质结构和动态的研究；②“辨识”核素。X射线散射长度与电子数成正比关系，而中子散射长度则与原子序数Z无关, 且对轻原子也灵敏，因而中子特别适合于区分元素的同位素、确定点阵中轻元素的位置和邻近元素的位置；③磁性探针。中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生中子特有的磁衍射，通过对磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁结构的主要手段。

中子衍射的主要缺点是需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样品量和较长的数据收集时间。随着中子源与大面积位置灵敏探测器技术的发展，上述缺点已得到显著改善。

装置

中子衍射设备也与X 射线粉末衍射仪相似：由核反应堆孔道中引出的热中子束通过准直器后入射到单色器上，经单晶反射获得单一波长的中子再入射到样品上，然后由绕样品旋转布置的中子探测器（一般为阵列式He探测器或大面积二维位置灵敏探测器）在各个角度测定衍射束的强度。

一般中子粉末衍射衍射仪具有中等的分辨率，Δ d/ d = 2.5×10，这比X光差很多。除了堆源，目前应用比较多的还有脉冲中子源，在实验技术上，脉冲中子源利用不同波长中子具有不同速度这一原理建立了飞行时间衍射法。目前世界上最高分辨率的中子粉末衍射谱仪就是飞行时间谱仪。

中国工程物理研究院的高压中子粉末衍射谱仪目前，国内中子衍射谱仪总数量4台，分别是中国工程物理研究院的高分辨中子粉末衍射谱仪、高压中子粉末衍射谱仪；中国原子能科学研究院的高分辨中子粉末衍射谱仪、高强度中子粉末衍射谱仪。中国工程物理研究院的高压中子粉末衍射谱仪（见下图）2013年9月投入运行，谱仪配备了多台原位环境加载装置，压力加载可达10 GPa，并具备10K～300K 和20℃～1000℃原位温度加载条件。目前已连续正常实验运行超过1500小时，开展了大量的中子衍射实验。

应用

与X射线粉末衍射类似，中子粉末衍射可用于多组分混合体系的无损分析，这种可分析未知材料与材料表征的能力使其在冶金、矿物、凝聚态物理、生物等众多科学领域已发挥重要作用。其具体应用包括相组分确定、结晶性、晶格常数、膨胀张量、体模量、相变、结构精修与确定等。由于中子探针的特性，中子粉末衍射还在以下方面具有重要作用：① 在晶体结构方面，用于轻元素的定位与近邻元素的区分。例如，各种无机碳氢、氧化物、超导体等材料结构中轻元素的位置，3d过渡族合金Fe-Co、Ni-Mn、Ni-Cr等含近邻元素合金样品的有序度研究；② 磁结构研究方面，用中子衍射研究磁结构最早的工作是液氮温度下MnO的反铁磁性研究，确定了Mn原子在(111)面内近邻的磁矩方向相反。中子衍射已经成为表征材料磁结构的重要工具之一。

历史

1945年，Ernest O. Wollan在美国橡树岭国家实验室的石墨反应堆进行了第一次中子衍射实验。不久后，他于Clifford Shull一起建立了中子衍射技术的基本原理，并将其成功应用于许多不同材料，解决了诸如冰结构与材料中磁矩的微观排列问题。因为这些成绩，Shull获得了1994年物理诺贝尔奖的一半（Wollan已于1984年逝世），另外一半授予Bert Brockhou（发展了非弹性散射技术）。