人大物理系的中子散射大科学装置

毛艳玲

在人们过去的认识中，核反应堆、中子散射谱仪等这类科学探索前沿的大科学装置似乎怎么也没法和中国人民大学（简称“人大”）这所以人文社科为主的高等学府联系到一起。但随着中国人民大学理工学科的快速发展，这种刻板的印象正逐渐在大众中改变。

新世纪以来，中国人民大学以“高起点、相关联、入主流、高水平”为建设思路，面向国家在科技发展与基础研究领域的重大战略需求，不断加大对理工学科的投入力度，作为理工科代表之一的物理系迅速在相关科技前沿领域崭露头角，取得一系列国际瞩目的研究成果。这其中，承担国家重大科研仪器设备研制专项项目并成功建设完成两台中子散射大科学装置便是物理系的亮点之一。

自2013年起，国际著名的中子散射专家、中国人民大学物理系鲍威教授领导的中子团队成功获得国家自然科學基金委国家重大科研仪器设备研制专项——“冷中子非弹性散射谱仪的研制”项目资助，开启了基于中国先进研究堆（CARR堆）中子源的两台冷中子非弹性散射谱仪的建设征程。

该项目总资助金额为1.11亿元，是目前为止国家自然科学基金委对高等学校资助单项经费最高的项目，代表了国家对中国人民大学物理系的充分信任。鲍威教授团队也没有辜负这份信任，2018年底，“行知”冷中子三轴极化谱仪和“博雅”冷中子广谱谱仪建设完成。2019年6月，经过专家组验收，两台谱仪的各项指标均达到或超过计划指标，圆满完成了国家交给的艰巨任务。

下面我们从谱仪相关的科普基础知识、人大中子谱仪的特色、建设历程及已取得的科研成果等多个角度，来向大家讲述人大与中子谱仪的故事。

什么是中子散射仪器？

我们生活在形形色色的物质世界。无论是坚硬的岩石、无处不在的空气、还是丰富多彩的生命体，如果把它们放大，我们最终会发现在10-10 m（1 ?，0.1 nm）大小上，它们都是由一个个原子组成。在原子的城邦里，电子们层层“拱卫”在外围，而原子中心10-15 m范围内，原子核如皇城般深居其中。中子和质子便在这宫闱深处，是组成原子核的基本粒子。

中子不带电、自旋1/2、静质量1.67×10-27 kg。物理学家发现，如果把中子从原子核中分离出来，以合适的能量撞击到人们感兴趣的材料上，观察材料对中子的散射，由于不同性质的材料对中子的散射几率不同，中子就变成了材料研究的绝佳工具。美国物理学家Clifford G. Shull和加拿大物理学家Bertram N. Brockhouse因为对中子散射技术的应用和中子谱仪发展的贡献获得了1994年的诺贝尔物理学奖。

中子散射在探索材料的磁性、结构、动力学等性质中发挥着强大的作用，打开了一个全新世界的大门。在Shull和Brockhouse等科学家的引领下，人们运用中子散射做出了一系列重要发现，例如形形色色磁性材料的奥秘，水分子中氢键的位置，各种新奇元激发等。由于中子不带电，直接与原子核发生相互作用，穿透深度大，适合对材料进行无损探测，同时利用中子的穿透性，也能研究材料在极限环境（低温、强磁场、高压等）下的性质;中子的散射截面特点与X射线互补，可以用于探测轻原子，区分同位素;中子本身带磁矩，可直接获得磁性材料磁结构的信息;中子的能量在meV的数量级，对应德布罗意波长在?的数量级，这使得中子可以在原子尺度上对材料的动力学特征进行探测。中子散射的这些特性能为了解材料内部复杂的形态和相互作用提供直接的证据，成为现代物理、化学、材料、生命科学、能源、工程、考古学等多学科研究中强有力的研究手段。

为了开展中子散射实验，需要对中子进行选择、聚焦、准直、分析、探测和屏蔽。中子散射谱仪，就是利用这些相关技术实现中子散射测量的仪器。中子散射谱仪根据不同学科特点，种类繁多，功能各异。按照功能划分，有粉末衍射仪、单晶四圆衍射仪、小角散射谱仪、反射谱仪、漫散射谱仪等主要用于研究多晶、单晶、大分子材料、液体、薄膜材料的晶体结构和磁结构;三轴谱仪、斩波器时间飞行谱仪、准弹性中子散射、背散射谱仪、自旋回波谱仪等用于研究材料的动力学行为;还有应力谱仪等主要用于工程应力的研究。按照中子的能段划分，有冷中子谱仪，入射中子能量通常在10 meV以下;热中子谱仪，入射中子能量约十几或几十meV。按照产生中子的方式划分，有依托反应堆中子源的谱仪和依托加速器脉冲中子源的谱仪。

、

“行知”和“博雅”可以做什么？

“行知”谱仪的基本原理是基于Brockhouse教授发明的中子非弹性散射三轴谱仪：在单色器处对入射中子能量进行选择，在样品处中子发生散射，在分析器处对出射中子能量进行选择，如图2所示。单色器、样品和分析器在测量过程中均可旋转，构成三轴，故以命名。

历史上，非弹性中子散射技术对超流态旋子元激发谱、磁性、液晶以及高分子材料长程序及相变理论预言进行的实验验证，曾先后促成朗道在1962年、奈尔在1970年、Van Vleck在1977年，以及de Gennes 在1991年获得诺贝尔物理学奖;Brockhouse的硅和锗声子谱测量不但推动了晶格动力学理论的完善，还为这些重要半导体技术材料的微观相互作用参数的确定起到不可替代的作用。“行知”冷中子三轴极化谱仪具有可观测能量转移范围宽，能量分辨率高等一系列特点，并且集成了完备的中子自旋极化分析功能。

测量中子散射因为具有成本高、强度弱、散射几率低等特点，加上中子的产生十分不容易，需要通过大型的反应堆或加速器，因此中子散射是十分昂贵的实验手段。为了增加中子的利用效率，广谱谱仪将三轴谱仪的单色器、样品台保持不变，增加分析和探测通道，从而可以一次性对多个动量和能量的中子进行选择，效率达到传统三轴中子谱仪的百倍以上，在信号搜索和大范围物理空间的探测中发挥着重要作用。图2展示了CAMEA型广谱谱仪多通道分析-探测系统示意图。“博雅”冷中子广谱谱仪，中子经过样品散射后，能同时探测3.0 meV，3.5 meV，4.0 meV，4.5 meV，5.0 meV五个不同的能量和120°散射角范围，探测效率比三轴谱仪提升了两个量级。

现在“行知”“博雅”两台仪器已经开始科研探索，在高温超导、非常规磁性、量子相变、功能材料等凝聚态物理和高性能材料的前沿研究领域中发挥它们的作用。

科研与教学，样样都在行

谱仪建设完成后，在中国原子能科学研究院中国先进研究堆（CARR）堆高效开堆运行的有利支持下，中国人民大学物理系中子团队利用“行知”谱仪系统研究了铁基超导材料Ba（Fe0.92-xCo0.08Vx）2As2中的超导电性和反铁磁序随磁性杂质V掺杂的演化，发现V的掺入可以将无反铁磁序的超导体调制为具有C型反铁磁长程序的材料，调制出的反铁磁序的磁矩呈现出dome形状演化行为，并且在部分掺杂区域出现奇异的反铁磁Griffiths相。如图3所示，研究结果表明Ba（Fe0.92-xCo0.08Vx）2As2可能成为研究奇异磁性关联的重要体系，并对铁基超导机理的研究具有积极意义。该研究成果于2020年5月28日在Physical Review B在线发表，是“行知”谱仪建成以来发表的第一篇科研文章，标志着“行知”谱仪已经正式开启了在科学前沿领域的攻关旅程。

除了在科学前沿领域大显身手外，两台中子散射谱仪建设在CARR堆这一核反应堆上，也为中国人民大学面向全校师生特别是人文社科领域的师生，开展核科学与工业通识和科普教育提供了条件。在2019年12月份，中国人民大学理学院组织“双青优培”科技英才计划的师生赴中国先进研究堆参观访问，参加活动的包括物理系、化学系和心理学系的师生反响强烈，纷纷表示在活动中受到了良好的科普和爱国主义教育。国际上，美国密苏里大学作为为数不多的拥有研究型核反应堆的大学，也充分利用该校MURR反应堆的科学装置对学校学生及社会开展相关科普教育，据此极大地提升了学校的国际影响力。同理，未来依托“行知”和“博雅”组成的中子散射平台开展相关的通識和科普教育，必将极大地提升中国人民大学的国际影响力并为学校“双一流”建设做出重要贡献。

博雅行知，砥砺前行

在中子散射领域，全球仅有十余个能够提供中子散射谱仪的实验室。研制中子谱仪难度大、耗时长，国外研制一台仪器的周期通常是五到八年，而且有经验丰富的科学家、工程师团队和先进的加工能力做支持。中国人民大学物理系中子团队在首席科学家鲍威教授领导下，以五名教职工（张红霞、程鹏、汪晋辰、徐大业、刘娟娟）为主力，在学校大力支持下，用六年就完成了两台仪器的建设。需要特别指出的是，“行知”是国内首台具备中子自旋极化分析功能的三轴谱仪，“博雅”是探测效率处于世界领先水平的冷中子广谱谱仪。

在谱仪建设过程中，程鹏副教授负责“行知”谱仪的物理设计和调试运行，汪晋辰讲师负责“博雅”谱仪的物理设计和调试运行，张红霞高级工程师负责两台谱仪的机械总体设计及安装准直，徐大业高级工程师负责两台谱仪的软件电控设计和调试，刘娟娟讲师负责两台谱仪极端样品环境的调试运行。他们中有放弃了海外优厚科研条件主动加入国家重大仪器研制的科研人员，有在国内具有中子谱仪研制经验的机械总体负责人，有在美国国家实验室工作多年回到国内的仪器控制专家，还有物理系自己培养的优秀毕业生。中子谱仪建设过程中，他们突破多项关键技术，凝聚成一支勇于担当、攻坚克难、通力协作、精益求精的中子散射青年人才队伍。

中国人民大学物理系中子团队有信心基于“行知”和“博雅”组成的大型中子散射实验研究平台，在未来实现三个目标：一、联合国内外实验用户开展科研攻关，产出一批具有国际影响力的科研成果;二、依托人大中子散射平台，开展中子谱仪先进制造技术的国产化和产业化，推动我国中子谱仪制造业的发展进步;三、依托本平台，打造一些在国内有影响力的科普活动、创办有国际影响力的中子暑期学校，为国家培养急需的中子人才。