中国散裂中子源和极化中子技术童欣中科院高能所pnp.ustc.edu.cn/html/upload/2019/01/17/154769957753986600.pdf两个例子极化中子成像 ... 2014年10月~2017年9月

散裂中子源进展汇报 January 15, 2019

中国散裂中子源和极化中子技术

童欣

中科院高能所


Self-introduction


Outlines

▪ 中子散射简介

▪ 中国散裂中子源概况

▪ 极化中子散射

▪ 两个例子▪ 极化中子成像▪ 弱相互作用的测量


Study of MaterialsOur Society and cultrue depends on materials, macroscopic properties and microscopic properties


Study probes for microstructures

Light : Infrared spectroscopyRaman spectroscopy

Electrons : Electron spectroscopyScanning electron microscopeTransmission electron microscope

X-ray : X-ray DiffractionX-ray absorption spectroscopySmall angle X-ray scattering

Can also use Neutrons


中子 vs X射线

中子：原子核（强相互作用，~fm）unpaired 电子（磁）

X-射线：电子（电磁波）

中子： ~10-2m

X-射线：~10-5m

和物质相互作用穿透深度


Neutrons vs. X-rays!

Neutrons allow easy access to atoms that are usually unseen in X-ray Scattering

Chatterji, Neutron Scattering from Magnetic Materials (2006)


• Neutral

• Penetrating, probe

nuclei

• Non-destructive

• Magnetic moment

• Magnetic fluctuations

and domains

• Magnetization density

• Magnetic excitations

• Can be polarized

Properties of Neutrons

散裂中子源进展汇报 January 15, 2019http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1994/illpres/neutrons.html

1994 Nobel Prize in Physics -- Shull and Brockhouse


Sources of neutrons

• Natural sourcesRadioactive elements, e.g., U, CfLifetime ~ 15minutes

• ProcessesFissionFusionOther nuclear reactions

• Man-made Neutron sourcesNuclear reactor sourceSpallation source


裂变反应堆

• 链式反应• 连续中子束• 2-3个中子/裂变• ~180MeV/中子（热能）• 全世界30座+

散裂中子源

• 无链式反应• 脉冲型中子束• 30-40个中子/质子• ~30MeV/中子（热能）• 全世界仅4座

Reactors and Spallations


Reactors and Spallations

中国散裂中子源


Outlines






2000年7月向国家科技领导小组提交的“中国高能物理和

先进加速器发展目标”提出建设散裂中子源

2005年7月国务院科教领导小组原则批准散裂中子源项目

2007年2月科学院与广东省签订共建散裂中子源协议，落户东莞

2008年9月国家发改委批复项目建议书

2011年2月国家发改委批复可行性研究报告

2011年5月初步设计报告批复

2011年9月开工报告批复，工期6.5年

2011年10月工程奠基仪式

2011年9月~2016年7月设备加工与制造

2012年5月~2016年8月土建工程

2014年10月~2017年9月安装与测试

2017年8月质子打靶成功获得第一束中子2017年11月首轮加速器和靶站谱仪的联合调试，功率达到10kW

2018年3月工程达到全部验收指标，对用户试开放

2018年4月第一篇用户实验科学成果文章在Nano Energy发表

2018年8月通过国家验收

散裂子中子源工程重要里程碑

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一期建设 – 基本信息


主要技术指标一期

质子束功率 (kW) 100

脉冲重复频率 (Hz) 25

靶站数 1

束流平均流强 (A) 62.5

束流能量(GeV) 1.6

RCS注入能量(MeV)

80

谱仪数量 3

直线加速器

靶站

谱仪

快循环

同步加

速器

根据《国家发展改革委关于散裂中子源国家重大科技基础设施项目可

行性报告的批复》，主要建设1台80MeV负氢离子直线加速器、1台

1.6GeV快循环同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台中子谱仪

及配套设施和土建工程。

一期建设 – 建设内容


LINAC Building RCS Building

Target and Experiment Halls


直线隧道：直线加速器安装完成

环隧道：快循环同步加速器安装完成

一期建设 – 加速器


靶站包括靶体、慢化器反射体、氦容器、屏蔽体等。屏蔽体系统中子束线开

关总成共20套，分布于靶站南北两侧扇形区域内。

一期建设 – 靶站

2017年7月底靶站屏蔽与中子束线开关完成安装与调试


通用粉末衍射谱仪

多功能反射仪小角散射仪

一期建设 – 谱仪

散射腔、样品腔安装完成



散裂中子源进展汇报 January 15, 2019 21

国家重大科技基础设施中国散裂中子源工程顺利通过国家验收，投入正式运行。历经6年半的紧张建设，中国散裂中子源作为我国首台散裂中子源，粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施，按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，综合性能进入国际同类装置先进行列，将正式对国内外各领域的用户开放。

一期建设 – 国家验收（2018年8月23日）


20条中子通道，一期工程建造3台中子谱仪，目前在同时建造7台中子谱仪

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中国散裂中子源谱仪规划图


通用粉末衍射仪

• 测量粉末样品• 测量原子之间间距• 测量磁结构• 温度：2 K - 1600 K• 磁场：9 T• 压强：5 GPa• 其它原位测量

Energy Storage Materials 16 (2019) 354-363

该新型高容量富锂正极材料电化学性能优于常见大部分富锂材料体系，常用的X射线粉末衍射很难精确定量分析该材料的结构、组份以及锂离子分布情况，因此采用中子粉末衍射实验来获取更多精确的材料结构信息。


Outlines






• 自旋 1/2

• 带有磁矩• 可以被极化

中子的磁性及自旋，极化中子


The use of polarized neutrons

➢ Study Magnetism▪ Skyrmion

▪ Muhlbauer, et al., Science 323 915-919, 2009

▪ Spin density

▪ Lazpita, et al., PRL 119 155701, 2017

▪ Topological insulator

▪ Katmis, et al., Nature 533, 513-516, 2016

➢ Manipulation of neutron spins▪ Spin-Echo spectrometer

▪ Gooben，et al., PRL 115 148302, 2015

▪ Larmor Diffraction

▪ Pfleiderer, et al., Science 316 1871, 2007

➢ Separation of coherent / incoherent scattering▪ Arbe, et al., PRL 117 185501, 2016

➢ Fundamental physics➢ Neutron electric dipole moment

➢ Weak interaction

➢ Quantum phenomena

➢ Many more..


My 10-year tenure at ORNL as Polarization Scientist

➢Polarized 3He program▪ One of the best SEOP programs

▪ The best in-situ 3He program

➢Polarized neutron instrumentation and development▪ Reflectometer

▪ Triple-axis Spectrometer

▪ Wide angle Spectrometer

▪ Diffractometer

▪ Small angle neutron scattering

➢Polarized neutron imaging program

➢Other New neutron techniques

Polarized neutron scattering is the only technique that can

unambiguously separate magnetic scattering from nuclear scattering


Spallation Neutron Source

High Flux Isotope Reactor

橡树岭国家实验室(ORNL)的中子源装置


• Polarizing monochromators (HB1, HYSPEC)

➢ Usually Heusler alloy (Cu2MnAl)

➢ Using preferential Bragg diffraction

➢ Can only work with Monochromatic beam

• Polarizing filters

➢ Usually polarized 3He

➢ Using preferential absorption cross

section

➢ Good for polarizing large wavelength band,

divergent neutron beams

• Supermirrors (MAGICS, FNPB, NSE)

➢ Very efficient, broad-band polarizers

➢ Using perfect reflection

➢ Disadvantage is that small angular beam

divergence required

How to polarize neutrons

3He CellUnpolarized

Neutron Beam

Polarized

Neutron Beam


➢GE180 glass

➢3He

➢N2

➢Rb & K

Alkali atom

electron spin

3He atom

nuclear spin

Polarizing the cells – Spin Exchange Optical Pumping


Outlines






Spin rotation in magnetic field B, length s, v = velocity of neutrons

Setup:

= = = . .v v

L

path

st B ds B

( )0

( , )

1( , ) ( , ) exp( ) 1 cos ( , )

2

a

path

I x y

I x y I x y ds x y = − +

N. Kardjilov, et al, Nature Physics 4, 399-403, (2008), W. Treimer, et al., Phys. Rev. B 85 184522 (2012)

Polarized Neutron Imaging


❖ How does Polarized Neutron Imaging work?

➢ Larmor precession

➢ Transform magnetic field distribution into neutron polarization shift

❖ Why use Polarized Neutron Imaging?

➢ Sensitive to magnetic field distribution

❑ Contrast between magnetic/non-magnetic material

❑ Measure magnetic field distribution

❑ Characterize magnetic structure

Polarized Neutron Imaging


Polarized Neutron Imaging Setup


Polarized neutron imaging measurements – Cylindrical coils


While warming

Fe3Pt: TC depends on whether it is in structurally or disordered state but ranges from 300-400 K. TC = approx. 450 K (177C). The sample is a good single crystal.

(a)

(d)

(b)

(e)

(c)

(f)

425 K 430 K 435 K

440 K 445 K 450 K

Polarized Neutron Imaging of Fe3Pt sample


Polarized Neutron Imaging Fancy Pictures


❖ Operating with both monochromatic (2.58Å) and polychromatic neutron

❖ Supermirror Polarizer

❖3He neutron spin filter analyzer

❖ ~90% neutron polarization

❖ 350 µm resolution

❖ Controlled magnetic guide field

❑ Solenoid❑ Permanent magnets❑ Nutator (Rotatable

Electro-magnets)

B

极化中子成像装置


Visualizing the Meissner effect at superconductor surface

YBCO (thin film)7cm×10cm ×100nm

Magnetic field distribution simulated


❖Measured Polarization:P = Cos (B1 ∙ B2)

B1

B2

❖ Adiabatic neutron transition along nutator and

solenoid field

➢ Neutron Polarization direction follows solenoidfield

❖ Non-adiabatic neutron transition across YBCO

film

➢ Neutron Polarization parallel to nutator field are

preserved



𝑷 = 𝑪𝒐𝒔𝜸𝒎

𝒉𝝀 ∙ 𝑩𝒕𝒓𝒂𝒑 ∙ 𝒍

YBCO (bulk)4cm×4cm ×1cm



Outlines






First Observation of P-odd γ Asymmetry in

Polarized Neutron Capture on Hydrogen

A total of 64 people from 28 institutions worldwide contributed to the study.


PV was discovered by C.S. Wu in

1957, by observing a correlation

between the polarization of Co

nuclei and the direction of beta

emission.

Parity Violation


Weak

InteractionStrong

Interaction

The Standard Model

Hadronic

Interaction

(residual nuclear

force)

Matter is composed of quarks and leptons, which interact

through the exchange of bosons (force carriers). The

nuclear force (between neutrons and protons) is a residual

effect of both the strong and weak interactions, and can

be interpreted as the exchange of quark-antiquark pairs (,

, -mesons).


Measuring difficulties


NPDG experiment


Hardronic weak interaction theory

For NPDGamma:


Spallation Neutron Source at ORNL

•1.4 GeV protons, 60Hz

•Hg Spallation target neutrons

•H2 moderator

•17 m SM guide, curved

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Experimental design


Results

We report the most precise and direct determination of h1

π in a few-body system without atomic or nuclear corrections,

and it is the best constraint for future investigation of the HWI.


Closing Remarks

中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段，在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用，可以广泛的应用于晶体学、物理、化学、生物、催化、新能源、核工程,、环境,、医药、纳米技术、材料工程、基础物理和信息工程等各科学领域。


合作，招聘 -- 建设极化中子中心

[email protected]

正式职工、博后、学生

研究领域：极化3He

极化中子设备极化中子谱仪建设极化中子技术研发控制软件开发


Thank you

Documents

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中国散裂中子源和极化中子技术童欣中科院高能所pnp.ustc.edu.cn/html/upload/2019/01/17/154769957753986600.pdf两个例子极化中子成像 ... 2014年10月~2017年9月