硬核長文：極化中子技術
2022-03-26由 中科院物理所 發表于 農業
衰變常數怎麼讀
|
作者：
童 欣
1，
2
（1 中國科學院高能物理研究所）
（2 散裂中子源科學中心）
本文
選
自
《物理》2020年第11期
摘要
極化中子技術是利用中子的自旋與樣品及磁場的相互作用進行測量的一種技術，是中子散射技術中的重要組成部分。極化中子技術已經成功地應用於磁性、強關聯、奈米、自旋電子、高分子和生物等材料中，為前沿材料學研究與工業應用提供了所亟需的探測與表徵手段。另外，極化中子也被廣泛應用於核物理和粒子物理相關領域的基礎測量。文章對極化中子技術的發展進行了簡要的介紹，概括了極化中子實驗所涉及的理論知識，以及在實驗中所使用的主要技術，並在此基礎上展示了當前極化中子技術在科研中的應用及其所使用的實驗裝置。
關鍵詞
極化中子，中子散射，中子成像，散裂中子源
1 引 言
在1932年查德威克（Chadwick）發現中子後，布洛赫（Bloch）就指出了將中子透射過磁化的鐵可以產生極化中子
［1］
，並可利用中子磁矩探測材料結構。1939年Halpern和Johnson發表的相關文獻奠定了極化中子實驗的前期理論基礎
［2］
。至20世紀50年代，隨著反應堆的產生，中子散射技術已發展成為材料研究領域不可替代的一種技術。極化中子散射理論在20世紀60年代得到進一步完善，明確了透過中子極化分析來分辨材料核散射、磁散射、核磁干涉散射以及非共線磁性散射的理論方法。這些理論工作分別是由當時歐洲與蘇聯的科學家 Izyumov、Schermer、Blume
［3，4］
和Maleyev
［5］
完成的，最終形成了當今極化中子散射的理論基礎：Blume—Maleyev方程。
與極化中子散射理論同時發展的還有極化中子實驗技術。在20世紀50年代的先驅實驗基礎上，1969年由Moo
n、R
iste和Koehler等人
［6］
在美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）確立了單軸中子極化的分析技術。1971年Mezei提出的中子自旋迴波技術
［7］
，開創了中子極化的相干測量，將中子散射所能達到的時間和空間解析度提升了多個數量級。20世紀80年代，Scharpf等人進行了
x-y-z
三個方向的極化分析
［8］
，開啟了多軸極化中子技術的先河。80年代末期，Tasset
［9］
利用超導體實現了完全極化分析技術，並在朗之萬研究所中子科學中心（ILL）建造了低溫超導極化分析（CryoPAD）裝置
［10，11］
。
極化中子散射作為一項基礎的科學研究手
段，目前在材料、工程、生物與基礎物理研究等
領域有著廣泛應用。從極化中子的發展歷史中可
以看到，這一應用的背後是極化中子散射經歷的
長期理論發展與技術突破，以及大量的實驗手段
與裝置的研發。在本文中，我們將對相關重要領
域進行簡要介紹，對極化中子散射理論及其相關
技術有興趣的讀者，可以參考
Squires
［12］
、
Wil
liams
［13］
、
Krupchitsky
［14］
等人的相關書籍。
2 極化中子的理論基礎
2.1 中子自旋和極化
中子不帶電，但帶有磁矩和1/2自旋，其自旋在外磁場中存在兩個極化本徵態：與外磁場
平行的“正向”自旋態和反平行的“反向”自旋態。當一束中子裡處於兩個本徵態的中子數量不等時，即成為本文所主要討論的極化中子（polarized neutron）。極化中子實驗觀測的資料包括中子束流的散射向量、散射截面和中子的初始極化與最終極化向量，這些向量和它們所在的散射座標系（
x-y-z
）下的幾何關係如圖1所示。
圖1 極化中子實驗的觀測量與其在散射座標系下的幾何關係。散射截面
σ
（
2.1 中子自旋和極化
，E） 是中子在特定散射向量
Q
與能量轉移
E
下的散射強度，散射向量
Q
是在散射過程中由入射動量
Q
i
到出射動量
k
f
的變化量，而初始極化
k
i
與最終極化
P
f
則分別是極化中子與樣品作用前後的極化向量方向
圖1定義了在本文所討論的中子散射中的“散射座標系”，即以 x 軸沿散射向量
P
方向，
z
軸垂直於散射截面，而
y
軸與其他兩軸正交構成右手笛卡爾座標系。而在圖1中引入的中子的極化向量被定義為一個在散射座標系下的三維向量
Q
：
其中
P
x
、
P
y
、
P
z
分別是中子沿
x
、
y
、
z
三個方向的極
化率。對於一箇中子而言，其極化向量是歸一
的；而對於一束中子，其極化率則是沿單一方向
上測量不同“正向”自旋與“反向”自旋中子束
的差異：
其
中
n
α
+
與
n
α
-
分別是沿
x
、
y
、
z
方向測量時，正向自旋與反向自旋的中子總個數。（2）式定義了極化中子實驗中極化率的測量方式，即進行極化中子實驗測量的基本方法。
P
極化中子對散射過程的貢獻體現在兩個方
面。首先，中子和原子核的強相互作用與它們之
間的自旋態相關；其次，中子的磁矩會和外層非
配對電子產生的磁場發生磁相互作用，散射過程
也會對中子的自旋產生一定的影響。因此，測量
極化中子的自旋改變可以區分材料的核散射與磁
性散射這兩種不同的相互作用，這是非極化中子
散射所無法實現的。極化中子散射應用的基礎理
論是
Blume—Maleyev
公式
［3—5］
，在這一理論的基
礎上，現在的極化中子實驗已能夠對極化向量的
變化進行較為完整的解析
［15—17］
：
其中，
（3a）
式是總散射截面的表示式，而
（3b）
式則
是中子極化率的變化表示式。在這兩個公式中，
σ
total
是樣品的總散射截面，
是
樣品的化學結構因子，而
則是樣品的磁性結構因子，
b
j
與
2.2 極化中子散射
（
2.2 極化中子散射
）
分別為材料
中
j
原子的散射長度
（scattering length）
與局域磁
化。
（3）
式定義了所有與極化中子散射相關的信
息，並將散射分為了四大類：核散射
N
*
N
、非手
性磁散射
m
*
⊥
∙
r
⊥
、
核磁相干散射
N
M
*
⊥
+
N
*
M
⊥
，
以及手性磁散射
M
*
⊥
×
M
⊥
。在這一理論基礎上
，
極化中子實驗得以依據所探測樣品的特性選擇適
合的極
化中子實驗方法，並對實驗結果進行有效
的分析。
M
中子的自旋極化在外磁場中會產生進動，稱為拉莫爾進動（Larmor precession），這種進動可以表述為極化向量
M
的動力學方程：
其中
2.3 極化中子的拉莫爾進動
是外磁場向量，而
γ
n
=
-
1。83247171 ×
10
-8
rad ⋅s
-1
⋅ T
-1
則是中子的磁旋比常數。在靜磁場
條件下，將外磁場方向定義為
z
軸，則拉莫爾進
動可以描述為極化中子向量在外磁場中平行於磁
場的分量
（
P
z
）
維持不變，而垂直於磁場的分量
（
P
x
，
P
y
）
以左手
螺旋做進動旋轉，這一進動如圖
2
所示。
圖2 中子的極化向量在靜態外磁場下的拉莫爾進動
中子垂直分量進動旋轉的角度，即拉莫爾進動角
φ
，正比於外磁場的強度與中子在外磁場中進動的時間，這使得中子在靜磁場中的進動可以被精確地算出。中子在變化磁場中的衍變非常複雜，在當前的極化中子實驗中，目前只有中子的絕熱磁場變換與完全非絕熱變換這兩種常用方法。拉莫爾進動的存在使得在極化中子實驗中，可
以透過外加磁場來對中子的極化進行調控，這一應用廣泛地存在於各類極化中子實驗中，是完全極化分
析
［9］
、中子
自旋
回波技術
［7］
、極化
中子相干成像
［18］
等諸多極化中子
應用的技術基礎。
3 極化中子技術的應用
極化中子技術在以凝聚態物理學為主的諸多領域取得了豐碩的成果，其當前的應用主要包括磁結構和自旋密度、磁漲落和它們的本徵態、測量大尺度結構、分離相干和非相干散射、非彈性散射、中子自旋調製、完全極化分析和極化中子成像等。此外，極化中子在基礎粒子物理中也有相當重要的應用。
2.3 極化中子的拉莫爾進動
物質的磁結構對於理解低維繫統、相變、阻挫等現象至關重要，非極化的中子衍射實驗很難無差別地確定磁結構，而極化中子衍射是唯一能無差別分離磁散射和核散射的技術，可以精確地確定磁結構。在樣品的分子結構，即化學結構因子
N
已知的情況下，極化中子測量可以直接提供磁性結構因子
M
，以及透過逆傅立葉變換得到的自旋密度。極化中子衍射適用於粉末和單晶樣品，能夠有效地區分佈拉格衍射峰中核散射與磁散射各自的
貢獻
［19］
，並辨別單晶內同時存在的不同磁
性相
［20］
。這一應用自
20
世紀
60
年代由
Shull
等人
首次完成了
3d
軌道鐵磁體
［21］
的測量
（
圖
3）
後，極化
中子衍射就一直被用於測量自旋密度以增進對固
態材料中電子分佈的理解，至今仍然是極化中子
的一種主要應用。目前，極化中子衍射測量自旋
密度的應用已經拓展到了順磁材料以及
4f
電
子軌
道的稀土化合物
［22］
。除此之外，極化中子對自旋
密度的空間分佈與溫度相關的探測也使得實驗可
以測量自旋磁化率，對於探索非常規超導體中電
子配對現象的本質
［23］
具有非常重要的意義。極化
中子衍射測量磁性結構因子也同時被應用於磁性
分子和有機磁鐵的表徵
［24］
，這種分子磁性系統與
離子系統相比，其磁性密度分佈不侷限在核子周
圍，因而對其分佈資訊的準確測量能揭示固體中
緊鄰分子軌道的磁性相互作用、化學鍵和電子分
布的本質，為理論驗證和預測提供實驗佐證。
圖3 Shull等人採用極化中子磁性散射方法測量3d軌道鐵磁體的自旋密
度
［21］
在無差別分離核散射與磁散射的基礎上，透過對中子極化向量在三維空間變化的追蹤，可以對由樣品導致的中子極化改變進行完整的分析，這一技術被稱為完全極化分析（general polarization analysis）。完全極化分析可以作為一種極化調控手段安裝在單晶衍射譜儀
［25］
上或三軸散射譜儀
［11］
上，測量核磁相干散射及手性磁性散射訊號。這其中，核磁相干散射揭示了磁性系統中電子軌道、電荷擾動和晶格扭曲效應的相互競爭，因此在研究量子材料這一熱門學科時具
有決定性的作用。而手性磁性散射則承載著非共線型磁性材料的結構資訊，使得完全極化分析成為探索重費米子和長程磁有序材料時無法被其他探測手段替代的唯一分析方法。
P
極化中子技術廣泛應用於進行大尺度研究的小角中子散射與中子反射中，是當前半導體電子學、自旋電子學乃至量子計算材料的重要研究手段之一。在這方面的應用主要集中於對低維度磁性系統和奈米磁性材料中，由 Fitzsimmons 等人在2004年進行了綜述［26］。極化中子技術在這些具有巨大應用前景的材料研究中，能夠有效地將材料的物理學性質（輸運、磁化）與其物理/化學結構聯絡起來。其中，極化中子反射（polarized neutron
reflectometry）測量是使用最為成功與廣泛的應用之一，尤其在奈米材料、薄膜系統、拓撲絕緣體等方面。極化中子反射透過掠入射測量具有對錶面磁性極高的探測靈敏度和垂直解析度，能夠測量單層原子的絕對磁化（10
- 4
emu），其探測範圍包括數十至數百奈米的薄膜厚度，如圖4所示的實驗結果。極化中子反射在過去的10年中經歷了在大型中子源上的快速發展，並已被成功地應用於諸如交換偏置來源探索、薄膜磁化重新定向相變、表面與交介面磁化強化、超導體表面磁場滲透等研究
［26］
。極化中子也可以和小角中子散射（small angle neutron scattering，SANS）結合測量奈米磁性粒子分佈以及粒子之間的關聯，這一系列成功的應用能夠為新的結構原理、模型與計算的發展提供實驗驗證
。
圖4 （a）極化小角中子散射觀測奈米顆粒的自旋失序結構
［27］
；（b）透過極化中子反射觀測鐵磁/反鐵磁層狀結構的磁性反轉，右側所示資料為左側樣品層狀結構所產生的核散射（上）與磁性散射（下）訊號
［28］
B
3.1 極化中子衍射
3.1 極化中子衍射
非彈性中子散射技術觀測中
子在散射過程中與材料的動量和
能量轉換，用於研究物質內部的
動力學。
1980
年法國朗之萬科學
中心
（Institut Laue-Langevin
，
ILL）
開始在傳統熱中子及冷中子三軸
衍射能譜儀基礎上進行升級，實現
了非彈性極化中子能譜
（polarized
neutron spectrometry）
功能。由於
物質內部的聲子不改變中子的極
化方向，而自旋波會改變，因此
透過中子的極化分析可以很好地
確定磁性材料中的各種不同自旋
譜。
ILL
的譜儀
IN12
、
IN20
和
IN14
在研究材料聲子、磁振子的動力學過程、自
旋波的傳播方面取得了巨大的成功。使用該技術
所獲得的成果包括對
Haldane
猜想的證實
［29］
、測量
各向同性鐵磁體內自旋擴散的能譜
［30］
、探明一維
磁體中新的耦合模式
［31］
、研究非共線低維度鐵磁
與反鐵磁系統中孤波的動力學性質
［32
］
等，如圖
5
所展示的極化中子非彈性散射實驗。在
2000
年
後，極化中子非彈性散射更被成功地應用於高溫
超導體內自旋動力學的研究以及其他強關聯電子
系統中。
圖5 極化中子非彈性散射測量二維反鐵磁材料的希格斯模式及衰變
［33］
極化中子在非彈性散射實驗中的一項重要應用是區分散射過程中材料本身的相干與非相干散射。中子和原子核的作用勢和它們的自旋是相關的，核散射的中子散射強度由三部分組成：相干散射、同位素非相干散射和自旋非相干散射。相干散射測量的是原子核之間的關聯散射，非相干散射測量的是單個原子的自關聯，這個特性對於很多非磁性材料特別是軟物質材料非常重要，因為它可以對樣品內部的物理過程進行很好的區分，例如區分原子跳躍和擴散（非相干散射）和聲子（相干散射）等。例如Cook等人在1990年的實驗中透過準彈性極化中子測量，分離了Nb中的氘的自關聯和關聯過程
［34］
。此外利用極化中子分離相干和非相干散射可以很好地抑制軟物質內部的氫元素造成的非相干散射背底，從而提高相干散射的信噪比。此方法可以同時和對比度調節（contrast variation）的技術相結合，來精確測量高聚物中特殊部分的性質。
3.2 極化中子大尺度結構分析
中子自旋迴波（neutron spin echo，NSE）技術於1
972
年由
Mezei
提出
［7］
，透過感知中子能量的
變化所導致的解調退極化而獲取極高的能量分辨
率
（neV）
。中子自旋迴波最重要的意義在於打破了
中子散射實驗中束流強度與解析度之間的負相
關，使得其相比於傳統高解析度手段
（
如中子背散
射
）
可以在不大量犧牲束流強度的條件下獲得極佳
的測量解析度。中子自旋迴波技術在高聚物與其
他複雜液體的研究中有廣泛的應用，並且也能夠
被應用到玻璃體中的慢動態過程研究中
［35］
。以中
子自旋迴波技術為基礎，其他型別的中子極化調
制技術也在
20
世紀80
年代出現。其中，
1979
年
Mezei
和
Pynn
指出，中子自旋迴波技術可以被用
於測量聲子的能量展寬以及提升中子散射實驗中
的角度解析度。這一理論逐
漸發展成為中子共振
自旋迴波
（neutron resonant spin echo
，
NRSE）
技
術，採用射頻交變磁場對中子的自旋極化進行調
制與解調，於
1995
年在德國由
Golub
等人實現
［36］
。
NRSE
技術也可以被用於調製解調散射實驗中的
角度，這種新方法使用了磁性薄膜來定義中子自
旋迴波的場，使之可以被用於小角中子散射測量
中，並將其可達到的尺度拓展到微米量級
［37］
。
21
世紀初，極化中子調製技術的一項最新技術發展
是中子沃拉斯頓稜鏡
［3
8
］
（neutron Wollaston prism
，
NWP）
，透過一對反向的三角形磁場對中子的兩
個不同自旋態進行雙折射，從而對中子的動量進
行調製和解調
（
圖
6）
。這種測量方式對極化中子調
制過程中的磁場強度與約束精度提出了更高的要
求，因此產生了使用第二類超導體進行設計的超
導極化中子調控裝置
［39］
。
圖6 使用中子沃拉斯頓稜鏡進行中子自旋迴波測量的實驗原理
［38］
3.2 極化中子大尺度結構分析
中子除了和未配對電子產生的磁場發生散射之外，還會受到外磁場的直接影響，中子的自旋在磁場中會產生拉莫爾進動。因此，透過測量入射和出射中子自旋的改變，結合中子成像技術，可以直接給出宏觀磁力線大小及分佈，此技術稱為極化中子
成像（polarized neutron imaging，PNI）
［40］
。極化中子成像對於特殊樣品例如超導體內部捕獲靜磁場和交變
磁場都是理想的磁場實空間探測手段
［41］
。另外，極化中子成像還可以結合三維成像技術給出空間的三維磁場分佈圖（圖7）
［42］
。極化中子成像於2000年後快速發展，得益於更適合其應用的極化
3
He 中子自旋過濾裝置的成型，尤其是美國橡樹嶺實驗室的線上極化
3
He 系統的出現，同時滿足了成像實驗長時間計數、大可視區域與影象無偏折等多項要求
［43］
，使這項技術可以被應用於超導體表面與內部的磁場觀測，以及電動發動機與變壓器內部的磁感線分佈研究等。
圖7 極化中子成像觀測超導體塊體內部的磁感線分佈
［42］
3.
3.
極化中子也可以被應用於基礎物理學研究，
包括物理學常數的測量、精確檢驗粒子物理的基
本對稱性，以及天體物理和宇宙學引數的測量
等，併為核物理和基礎物理提供一種關聯的測量
手段
［14］
。利用極化中子，可以測量
β
衰變相關常
數，給出弱相互作用的實驗證據。例如，
2018
年
首次於實驗中成功地利用極化中子分離強子間的
強相互作用和弱相互作用，獲取了其弱相互作用
常數
［44］
。極化中子還可以用來探測中子的電偶極
矩以及電荷宇稱不守恆和時間反演不守恆。中子
是否存在電偶極矩是物理學界近百年來未被回答
的問題之一，非零的中子電偶極矩直接造成電荷
宇稱不守恆
（CP-violation）
和宇稱不守恆
（P-viola
tion）
，對於基礎粒子物理有著深遠及顛覆性的意
義。最早的中子電偶極矩測量由諾貝爾獎獲得者
Purcell
和
Ramsey
於
1950
年完成，給出的中子電
偶極矩上限為
5 × 10
-20
e·cm
；最近的一次中子電
偶極矩測量於
2006
年在瑞士保羅謝勒研究所
（PSI）
完成
［45］
，給出的上限為
2。9 × 10
-26
e·cm
，而絕對
非零的中子電偶極矩至今仍未被證實。
4 極化中子技術的實驗裝置
極化中子實驗的基礎在於能夠穩定高效地產生極化中子並測量其極化率。由於中子的極化率並不是一個直接測量的物理量，其測量是一個複雜過程，通常要透過多次測量完成。在極化中子實驗中，首先需要中子極化器產生極化中子，然後由導向磁場維持極化中子的自旋極化；
當極化中子透過樣品後由中子極化分析器再次過濾，並最終由中子探測器所接收；在樣品前後還裝有中子極化翻轉器，以控制中子入射樣品前和出射樣品後的自旋態（圖8）。
這其中，極化過濾器與極化分析器都屬於中子極化的產生裝置，而極化翻轉器則屬於中子極化的調控裝置。極化中子實驗需要如此多極化裝置的根本原因是中子探測器本身並不區分中子的極化態，因此需要極化產生裝置與極化調控裝置配合對不同的極化態進行區分。
圖
8 極化中子實驗測量所需的基本裝置設定
中子的極化產生裝置透過反射、衍射和過濾吸收等方式將未極化中子中的一個自旋態去掉，從而得到極化中子束。極化產生裝置長期以來都是極化中子技術廣泛應用的技術瓶頸，其缺陷主要體現在透過率低、極化率低、接受角度小以及可用波長範圍窄等。這一技術瓶頸從20世紀70年代開始逐漸得到解決。1976年Mezei研製了極化中子超鏡（polarized neutron supermirror），依據中子的兩種極化態在不同金屬中的折射率不同，使得一個自旋態透過相干加強被反射，而另一個自旋態透過，產生極化中子（圖9（b））。這一技術目前已經相當成熟，使用Fe/Si或Co/Ti等兩種不同金屬製作的極化超鏡已經廣泛應用於各類極化中子譜儀線。與中子極化超鏡同時發展的極化手段還有極化單晶（Heusler crystal），這一材料最初是由Brown和Forsyth於1964年發現，並最終在1980年早期被成功地應用於中子極化單色器，透過大體積單晶Heusler合金同時完成對中子的極化與在樣品上聚
焦
［47］
，使得能夠用於極化中子實驗的中子束流強度大大增強（圖9（a））。
圖9 （a）Heusler合金極化單色器；（b）極化中子超鏡（MirrorTron©）；（c）自旋交換光泵（SEOP）極化
3
He
氣體中子自旋過濾
20世紀90年代，為了解決超鏡接收角度過小的技術缺陷，Tasset和Humblot等人研製出了用於極化中子的亞穩態交換 （metastability exchangeoptical pumping，MEOP）極化
3
He中子自旋過濾器（neutron spin filter，NSF）
［48，49］
，利用極化
3
He原子對於極化中子不同的透過率
［50］
產生極化中子，併成功將該技術應用於ILL多個譜儀
［51
］。由於極化
3
He
對於極化中子的重要性，21世紀初美國的中子源裝置也開始轉向極化
3
He
領域，Gentile和Snow使用自旋交換光泵（spin exchange optical pumping，SEOP）產生極化
3
He
［52，53］
進行中子自旋過濾（圖9（c））。2012年，美國橡樹嶺國家實驗室的
Ton
g等人
［54］
首次成功地研製了線上極化
3
He
系統，進一步提升了極化中子產生效率。
極化調控裝置最基本的部分是極化翻轉器，用以改變中子的自旋與其導向磁場之間的相對角度。最早設計的“電流層翻轉器”透過兩個緊貼著的相反磁場，對中子的自旋極化進行完全非絕熱變換而產生翻轉。這項技術的出現可以追溯到1950年Hughes與1969年Drabkin等人所做的研
究
［55］
，在這一設計基礎上的改進最終定性為矩形螺線管或電流層的結構。這種翻轉器由於產生磁場的導線本身存在著不可避免的雜散場，在長波長中子（10 Å以上）存在著退極化的缺陷。直到1997年，這一技術缺陷才被超導翻轉器解決
［56］
，採用相
同的非絕熱變換原理，超導翻轉器利用了超導體的完全抗磁性替代了電流層，使得非極化翻轉的磁場平整程度大大提高且完全分立。超導極化翻轉器同時也拓展了可翻轉的角度範圍，使得中子極化方向可以被90°翻轉，從而啟動或停止可控的極化進動。同時超導極化翻轉器作為新一代的超導中子極化調控裝置的一部分，被用來研發超導完全極化分析裝置等新一代的極化中子技術
［57］
。
透過中子的拉莫爾進動同樣可以實現極化翻轉，這一方法的經典應用是Mezei翻轉器。Mezei翻轉器的基本原理是在導向磁場B0的本底上透過一個反向的補償磁場
B
1
與之抵消從而形成一個去磁場區，再通
過一個與
B
0
和
B
1
正交的進動磁場
B
2
在去磁場區產生一個180°的中子極化進動，從而實現極化翻轉。Mezei翻轉器通常的厚度只有幾釐米，因此非常適用於長度較短的譜儀線，儘管在使用時必須根據譜儀線波長進行引數調節。由於Mezei翻轉器依靠進動對中子極化進行翻轉，因此不能被應用於多波長的中子實驗。另一種依靠拉莫爾進動進行反轉的射頻交變磁場翻轉器
［58］
透過一個逐漸增強的靜態磁場與一個與之方向正交的交變磁場相組合，對處於旋轉座標系內的中子進行近似於絕熱的翻轉變換。這種翻轉器在使用時不需要補償磁場，能夠滿足多波長中子應用並且沒有透射率損失，然而這種裝置在廣角譜儀線上的應用存在一定的技術難度。
3 極化中子非彈性散射
當前中子散射實驗所依託的高束流強度中子源分為兩種：透過原子核裂變反應產生中子的反應堆和高能質子加速撞擊靶材散裂產生中子的散裂源。反應堆通常產生連續的中子束，如法國的ILL與LLB、德國的MLZ與HZB、美國的NIST、澳大利亞的ANSTO等，適用於白光與單波長中子應用；而散裂源產生的中子通常為脈衝型，因此更適用於透過飛行時間進行能量分辨的多波長中子應用；瑞士的PSI是為數不多的連續性散裂源之一。直至20世紀80年代，幾乎所有的中子散射實驗都是在反應堆中進行。隨著大型脈衝型散裂中子源在英國（1985）、美國（2006）、日本（2009）和中國（2018）逐漸建立，在散裂中子源上極化中子技術與應用仍存在大量空白，有著長足的發展空間。從單一波長到具有能量分辨的多波長的轉變，以及從單一方向到多角度同時測量的轉變，對極化中子的產生與調控裝置都提出了新的要求。極化中子當前在散裂源中的應用需在裝置和技術上進一步提升，包括廣角極化中子產生和分析器尤其是極化
3
He
裝置的研製、多波長極化中子翻轉及調製裝置、廣角極化分析理論、軟體、新型中子光學裝置等多個方面。這些新技術有望在未來的10—20年內為極化中子在更廣範圍上的應用提供技術支援，實現廣角測量、極化分析與飛行時間分辨共存的新型測量技術。
5 結束語
極化中子實驗技術目前在國際先進中子源中已經廣泛推廣，尤其在發達國家的先進中子源上，已經有超過半數的譜儀線從設計時就囊括了極化中子實驗能力。以極化中子為基礎的單晶、粉末、高分子、奈米、薄膜及量子材料的研究，為當前的材料科學、能源科學、生物醫藥及精密製造產業提供了不可或缺的實驗表徵支援。中子散射技術自2010年起在我國迅猛發展，隨著中國先進研究堆（CARR）、中國綿陽研究堆（CMRR）與中國散裂中子源（CSNS）的建成以及開放執行，包括極化中子在內的一系列先進表徵手段將為我國的前沿科學研究提供亟需的實驗技術支援。可以預見在未來10年的發展中，中國的中子源將建設獨立自主的極化中子技術力量，同時推廣極化中子領域的研究應用。
3 極化中子非彈性散射
感謝中國散裂中子源的王天昊、秦澤聰與黃楚怡三位研究人員為本文撰寫所作的貢獻。
3.4 中子自旋迴波
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