3.1同步輻射光源與中子源1同步輻射光源與中子源X射線的產(chǎn)生涉及將高速電子通過加速器加速后引導(dǎo)到靶材上，電子與靶材原子發(fā)生相互作用時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，即X射線。通過控制加速器參數(shù)和選擇靶材，可以調(diào)節(jié)和控制X射線的能量、強(qiáng)度和光譜。中子的產(chǎn)生方式包括核裂變、加速器產(chǎn)生、中子反應(yīng)堆和自然放射性衰變。核裂變是一種重要的中子產(chǎn)生機(jī)制，其中重核裂變成兩個(gè)或多個(gè)輕核，同時(shí)釋放出大量的中子。加速器產(chǎn)生的中子通常通過加速帶電粒子（如質(zhì)子）與靶材相互作用產(chǎn)生。中子反應(yīng)堆則是專門設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生中子的設(shè)備，通過核裂變反應(yīng)過程產(chǎn)生中子。此外，一些天然放射性同位素的衰變過程中也會(huì)釋放出中子。盡管X射線技術(shù)和中子技術(shù)的原理和應(yīng)用有所不同，但它們?cè)诓牧峡茖W(xué)和工程中都發(fā)揮著重要作用。根據(jù)具體的研究需求和樣品特性，可以選擇合適的技術(shù)進(jìn)行材料表征和分析，以獲得所需的信息和數(shù)據(jù)。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線技術(shù)的歷史可以追溯到19世紀(jì)末期的1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在進(jìn)行陰極射線管實(shí)驗(yàn)時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了一種新型輻射。當(dāng)電流通過陰極射線管時(shí)，管外的屏幕上出現(xiàn)了一種能夠穿透物體并在屏幕上產(chǎn)生影像的輻射，這種輻射被稱為X射線。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)界的廣泛興趣，人們開始探索X射線的性質(zhì)和潛在應(yīng)用。隨后的幾年里，科學(xué)家們對(duì)X射線進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并嘗試將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。1896年，首次在人體上使用X射線進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷的實(shí)驗(yàn)在德國(guó)進(jìn)行，很快X射線就被用于診斷骨折、腫瘤和其他人體內(nèi)部疾病。20世紀(jì)初，X射線成像技術(shù)得到了改進(jìn)，包括放射學(xué)和X射線攝影等技術(shù)的發(fā)展。1920年代，放射學(xué)家貝特森斯在美國(guó)開發(fā)了放射學(xué)技術(shù)，這使得醫(yī)學(xué)影像學(xué)得以快速發(fā)展，為醫(yī)學(xué)診斷提供了新的手段。20世紀(jì)中葉，隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字X射線成像技術(shù)的出現(xiàn)使醫(yī)學(xué)影像學(xué)邁入了數(shù)字化時(shí)代。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和數(shù)字放射攝影（DR）等技術(shù)的出現(xiàn)使醫(yī)學(xué)影像學(xué)的分辨率和準(zhǔn)確性得到了極大的提高。如今，X射線技術(shù)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)、工業(yè)、材料科學(xué)和考古學(xué)等領(lǐng)域的重要工具。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生涉及將高速電子通過加速器加速后引導(dǎo)到靶材上，與靶材原子相互作用產(chǎn)生廣義輻射和特征輻射，形成連續(xù)譜和特定能量的X射線。廣義輻射是電子在減速過程中釋放出的能量連續(xù)的X射線，而特征輻射是由內(nèi)層電子躍遷導(dǎo)致的特定能量的X射線。這些步驟共同構(gòu)成了X射線的產(chǎn)生過程。連續(xù)X射線譜是X射線的一種特殊譜線，其特點(diǎn)是呈現(xiàn)連續(xù)的能譜分布而不是離散的譜線。連續(xù)X射線譜是由高能電子與原子的外層電子相互作用時(shí)產(chǎn)生的廣義輻射形成的。當(dāng)高速電子與原子的外層電子碰撞時(shí)，它們可能被原子核引力場(chǎng)束縛，但也可能受到相互作用的影響而被打出原子束縛，導(dǎo)致原子的外層電子脫離原子，形成自由電子。當(dāng)這些自由電子再次被原子所束縛時(shí)，可能會(huì)釋放出X射線，其能量分布是連續(xù)的，因?yàn)樽杂呻娮釉诒皇`時(shí)可以釋放任意能量的X射線。因此，連續(xù)X射線譜是X射線的一個(gè)重要特征，提供了有關(guān)X射線產(chǎn)生機(jī)制和與物質(zhì)相互作用的重要信息。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生特征X射線譜則是由高能電子與原子內(nèi)層電子相互作用時(shí)產(chǎn)生的X射線譜線。當(dāng)高速電子與原子的內(nèi)層電子碰撞時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致原子內(nèi)層電子被激發(fā)到高能級(jí)。隨后，這些激發(fā)態(tài)的電子會(huì)在短時(shí)間內(nèi)返回到較低能級(jí)，釋放出X射線。這些X射線的能量是由原子的電子結(jié)構(gòu)決定的，因此它們具有特定的能量和頻率，形成了一系列銳利的峰值，稱為特征X射線譜線。每個(gè)元素都有其獨(dú)特的特征X射線譜線，因此特征X射線譜線可以用于確定物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。圖3-1展示了銅管在40kV操作時(shí)的發(fā)射波長(zhǎng)譜，其中Kα和Kβ是光譜中的兩個(gè)重要發(fā)射線。它們來自于原子的內(nèi)層電子被外層電子躍遷所產(chǎn)生的輻射，對(duì)應(yīng)著不同的能級(jí)躍遷。Kα線是由原子的K殼層（最內(nèi)層）到L殼層（次內(nèi)層）的電子躍遷所產(chǎn)生的X射線輻射。Kα線通常是X射線光譜中最強(qiáng)的譜線之一，其能量和波長(zhǎng)相對(duì)較小。Kβ線是由原子的K殼層到M殼層（更外層）的電子躍遷所產(chǎn)生的X射線輻射。Kβ線的能量和波長(zhǎng)通常比Kα線要大，其強(qiáng)度一般比Kα線要弱。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生圖3-1銅管在40kV操作時(shí)的發(fā)射波長(zhǎng)譜X射線既表現(xiàn)出粒子性質(zhì)，又表現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)，這一特性在量子力學(xué)中被稱為波粒二象性。從粒子性質(zhì)的角度來看，X射線可以被看作是由一系列能量不同的光子組成的粒子流。這些光子在與物質(zhì)相互作用時(shí)，表現(xiàn)出光電效應(yīng)、康普頓散射等現(xiàn)象。另一方面，X射線也表現(xiàn)出波動(dòng)性質(zhì)。從電磁波的角度來看，X射線是一種電磁輻射，具有特定的頻率和波長(zhǎng)。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生X射線的波長(zhǎng)通常在幾納米到數(shù)十納米之間，比可見光的波長(zhǎng)要短，因此具有更高的能量和穿透能力。這種波動(dòng)性質(zhì)使得X射線可以產(chǎn)生干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，可以用來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室X射線系統(tǒng)中，光源通常是密封X射線管、旋轉(zhuǎn)陽極或液態(tài)金屬陽極。此外，同步輻射也是產(chǎn)生X射線的一種重要方法，相比其他X射線源，同步輻射不但提供了最高的光子通量，還允許使用不同的波長(zhǎng)。密封X射線管的基本設(shè)計(jì)如圖3-2所示。它包含一個(gè)放置在真空密封殼體中的絲狀電子發(fā)射體（絲）和一個(gè)陽極（靶）。通過電流加熱絲，使電子發(fā)射。在絲和陽極之間施加一定的高電壓（約30kV至60kV），以加速電子朝向陽極運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子撞擊陽極時(shí)，它們被減速，從而引起X射線的發(fā)射。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生這種輻射稱為布萊姆斯輻射，它是一種具有廣泛波長(zhǎng)譜的輻射，其能量不超過施加的高電壓（例如，40kV的限制為40keV）。一部分電子將從陽極的原子中釋放。然后，剩余電子的內(nèi)部重新排列導(dǎo)致發(fā)射出與陽極材料（主要為銅）典型波長(zhǎng)的特征輻射。X射線管的強(qiáng)度（即光子數(shù)量）受到撞擊陽極的電子的數(shù)量密度（電流）的控制。通常，銅管的操作功率為2kW，可以通過將高電壓設(shè)置為40kV和電子電流設(shè)置為50mA來實(shí)現(xiàn)。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的產(chǎn)生圖3-2密封X射線管示意圖同步輻射X射線是一種高亮度、高能量、高度聚焦的X射線輻射，通常由同步輻射源產(chǎn)生。這些同步輻射源通常是由電子加速器和磁體組成的設(shè)備，通過高能電子束與磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生。在同步輻射源中，高能電子通過電子加速器加速到接近光速的速度。然后，這些高速電子進(jìn)入磁體區(qū)域，在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行彎曲或偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電子在磁場(chǎng)中彎曲或偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生加速度，釋放出電磁輻射。這個(gè)過程產(chǎn)生的輻射波長(zhǎng)范圍從遠(yuǎn)紅外到硬X射線，包括可見光、紫外線、軟X射線和硬X射線等。相比于實(shí)驗(yàn)室X射線系統(tǒng)，同步輻射X射線具有高亮度、寬能譜和短脈沖時(shí)間等特點(diǎn)。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的散射X射線與物質(zhì)的相互作用是一個(gè)多方面的過程，如圖3-3所示，包括光電效應(yīng)、康普頓散射、特征X射線發(fā)射等機(jī)制。當(dāng)X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，它們可能會(huì)將物質(zhì)的內(nèi)層電子釋放出來，改變X射線的傳播方向和能量，或者激發(fā)原子的內(nèi)層電子并產(chǎn)生特定能量的X射線。此外，X射線在物質(zhì)中傳播時(shí)也可能會(huì)發(fā)生反散射和吸收。圖3-3X射線與物質(zhì)的相互作用示意圖1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的散射X射線的散射是指X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。這種相互作用可以導(dǎo)致X射線的能量和方向發(fā)生改變。X射線的散射通常涉及X射線與物質(zhì)中的電子或原子核之間的相互作用，可分為彈性散射和非彈性散射，如圖3-4所示。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的散射圖3-4X射線的散射示意圖a）彈性散射b）非彈性散射在彈性散射中（也稱相干散射或湯姆遜散射），X射線與物質(zhì)中的電子或原子核相互作用，但不會(huì)改變其能量。這種散射會(huì)導(dǎo)致X射線的方向發(fā)生改變，但其能量保持不變。在晶體學(xué)中，彈性散射可以產(chǎn)生衍射圖樣，這些圖樣包含有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息，1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的散射因此被廣泛用于確定材料的晶體結(jié)構(gòu)。在非彈性散射中（也稱非相干散射或康普頓散射），X射線與物質(zhì)相互作用后，會(huì)改變其能量。這種散射通常涉及X射線與物質(zhì)中的電子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移的過程，從而導(dǎo)致X射線的能量損失或增加。非彈性散射在X射線吸收光譜學(xué)中非常重要，可以用來研究材料的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)分布。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的吸收X射線的吸收是指X射線通過物質(zhì)時(shí)，部分或全部能量被物質(zhì)吸收的過程。X射線在物質(zhì)中的吸收程度取決于幾個(gè)因素，包括X射線的能量、物質(zhì)的密度和成分、以及物質(zhì)的厚度等。X射線的吸收過程主要包括光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)是指當(dāng)光子（例如X射線或紫外線）與物質(zhì)中的原子相互作用時(shí)，能量足夠大以至于能夠?qū)⒃又械氖`電子從原子中釋放出來的現(xiàn)象，如圖3-5所示。具體來說，當(dāng)光子的能量足夠高時(shí)，它們可以將物質(zhì)中的內(nèi)層電子從原子的束縛態(tài)中擊出，形成自由電子，同時(shí)使得原子變?yōu)閹д姷碾x子。這一過程使得光子的能量完全或部分被吸收，而原子內(nèi)層的空位則可能由外層的電子填補(bǔ)，釋放出特定能量的X射線，稱為特征X射線。光電效應(yīng)的發(fā)生與光子的能量、原子的電子結(jié)構(gòu)以及物質(zhì)的性質(zhì)等密切相關(guān)，在X射線成像、光電二極管和光電倍增管等技術(shù)中具有重要作用。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的吸收?qǐng)D3-5光電效應(yīng)示意圖俄歇效應(yīng)是指當(dāng)高能光子（如X射線或紫外線）與物質(zhì)中的原子相互作用時(shí)，將原子的內(nèi)層電子從原子中擊出，同時(shí)使得原子處于激發(fā)態(tài)，如圖3-6所示。在俄歇效應(yīng)中，被擊出的電子稱為俄歇電子，而原子的空位則可能由外層的電子填補(bǔ)，釋放出特定能量的X射線，也可以是其他形式的輻射，如紫外線或可見光。與光電效應(yīng)不同，俄歇效應(yīng)中釋放出的電子不是來自光子，而是來自原子內(nèi)層電子。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)X射線的吸收?qǐng)D3-6俄歇效應(yīng)示意圖1.1X射線與中子的基本性質(zhì)中子與物質(zhì)的相互作用中子是構(gòu)成原子核的基本粒子之一，其電荷為零，質(zhì)量稍大于質(zhì)子。作為費(fèi)米子，中子具有自旋1/2，遵循泡利不相容原理。中子在核反應(yīng)、核衍射、中子吸收和散射等過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在核能研究中，中子被廣泛用于誘發(fā)核裂變和核聚變，為核能的應(yīng)用提供能量。此外，中子衍射技術(shù)在材料科學(xué)中用于研究晶體結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)，而中子散射則可提供關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為的詳細(xì)信息。在生物學(xué)領(lǐng)域，中子與生物分子相互作用的研究有助于理解生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。中子與物質(zhì)的相互作用是多方面的，涵蓋了從微觀到宏觀的各個(gè)層面，如圖3-7所示。首先，中子在物質(zhì)中的傳輸過程中會(huì)發(fā)生彈性散射和非彈性散射，從而提供關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的信息。這種散射過程是中子散射技術(shù)的基礎(chǔ)，可用于研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、磁性等性質(zhì)，對(duì)于材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的研究至關(guān)重要。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)中子與物質(zhì)的相互作用其次，中子可以被物質(zhì)中的原子核吸收，從而引發(fā)核反應(yīng)。這種吸收過程可以導(dǎo)致原子核的激發(fā)態(tài)或產(chǎn)生新的核素，例如核裂變或核聚變。在核能研究中，中子是引發(fā)核反應(yīng)的重要驅(qū)動(dòng)因素，在核電站中用于控制核反應(yīng)堆中的裂變過程，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)未來核聚變能源的關(guān)鍵。此外，中子對(duì)生物分子的相互作用也引起了廣泛的關(guān)注。中子與生物分子如蛋白質(zhì)、核酸等的相互作用研究，有助于理解它們的三維結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制。例如，中子衍射技術(shù)可用于解析生物大分子的高分辨率結(jié)構(gòu)，對(duì)于藥物設(shè)計(jì)和疾病治療至關(guān)重要?？偟膩碚f，中子與物質(zhì)的相互作用在材料科學(xué)、核能研究、生物學(xué)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用和意義。1.1X射線與中子的基本性質(zhì)中子與物質(zhì)的相互作用圖3-7中子與物質(zhì)的相互作用示意圖1.2同步輻射光源同步輻射光源是一種高亮度、高能量的電磁輻射源，通過粒子加速器中高速運(yùn)動(dòng)的電子束與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生。這些電子束在磁場(chǎng)中彎曲或偏轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生輻射，其頻譜范圍從遠(yuǎn)紅外到硬X射線，具有高能量、高亮度和高度聚焦的特點(diǎn)。同步輻射光源通常由電子加速器和磁體組成，電子加速器用于加速電子，而磁體用于彎曲或偏轉(zhuǎn)電子束。同步加速器是一種圓形粒子加速器，如圖3-8所示，可以將帶電粒子從低能量加速到高能量，或者將粒子在圓形軌道上保持恒定能量循環(huán)運(yùn)動(dòng)，持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，這被稱為儲(chǔ)存環(huán)。電子儲(chǔ)存環(huán)是同步輻射光源的核心部分。電子在儲(chǔ)存環(huán)中循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過三個(gè)路徑上的主要光源組件時(shí)（彎曲磁鐵、搖擺器和束流線），會(huì)產(chǎn)生同步輻射。這種同步輻射在廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)非常強(qiáng)烈，從紅外線、可見光和紫外線，一直到電磁譜的軟X射線和硬X射線部分。彎曲磁鐵輻射具有寬廣的光譜和良好的光子通量；搖擺器輻射提供更高能量的光子和更多的光子通量；而束流線則提供更亮的輻射，具有更小的光斑尺寸和部分相干性。1.2同步輻射光源圖3-8同步加速器組成示意圖同步加速器一般由五個(gè)主要組件組成：（1）電子源（e-gun）：通常由熱絲產(chǎn)生的熱電子發(fā)射來生成電子，位于電子槍中。這些電子通過線性加速器（LINAC）加速到約100MeV。同步加速器需要定期補(bǔ)充電子，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過程中不斷損失，這是由于與儲(chǔ)存環(huán)中殘余氣體粒子的碰撞導(dǎo)致的。1.2同步輻射光源（2）提升環(huán)（boosterring）：電子從線性加速器中進(jìn)入提升環(huán)，并被進(jìn)一步加速。它們可以被加速到與主儲(chǔ)存環(huán)中的電子相同的能量。然后定期將它們注入儲(chǔ)存環(huán)，以維持指定的儲(chǔ)存環(huán)電流。（3）存儲(chǔ)還（storagering）：包含電子，并通過一組磁鐵維持它們?cè)陂]合路徑上，通常稱為環(huán)的“磁鐵陣列”。這些磁鐵主要有三種類型：偏轉(zhuǎn)（或彎曲）磁鐵使電子改變其路徑，從而沿著閉合軌道運(yùn)動(dòng)；四極磁鐵用于聚焦發(fā)散的電子束；六極磁鐵用于校正由四極磁鐵聚焦引起的色差。（4）射頻腔（RF）：電子因發(fā)射同步輻射而損失能量。如果不補(bǔ)充這部分能量，電子將會(huì)螺旋進(jìn)入儲(chǔ)存環(huán)的內(nèi)壁并丟失。這個(gè)過程通過一個(gè)射頻（RF）腔實(shí)現(xiàn)，每次電子通過時(shí)都會(huì)向其提供恰到好處的額外能量。（5）插入設(shè)備（insertiondevice）：束線沿著插入設(shè)備的軸和彎曲磁鐵的切線方向從儲(chǔ)存環(huán)側(cè)向延伸。1.2同步輻射光源光束然后通常在光學(xué)小屋內(nèi)被聚焦和/或單色化，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)小屋。對(duì)于產(chǎn)生高能X射線的束線，小屋使用鉛襯墊、厚混凝土墻進(jìn)行屏蔽，以保護(hù)用戶不僅免受X射線，還免受伽瑪射線和高能中子的影響。小屋內(nèi)的實(shí)驗(yàn)通常是遠(yuǎn)程執(zhí)行的，從輻射區(qū)外部執(zhí)行。在全球范圍內(nèi)，主要的同步加速器包括上海同步輻射光源（SSRF）、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源（APS）、美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步輻射光源II（NSLS-II）、歐洲核子研究組織（CERN）、斯坦福線性加速器中心（SLAC）、德國(guó)電子同步加速器（DESY）、日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）等。這些設(shè)施在粒子物理、加速器科學(xué)以及材料研究等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為科學(xué)家們提供了進(jìn)行前沿研究所需的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源。1.2同步輻射光源值得一提的是，同步輻射X射線和普通X射線各有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。同步輻射X射線由于其高亮度和廣譜特性，在尖端科學(xué)研究中具有不可替代的作用，而普通X射線則以其操作簡(jiǎn)便和廣泛應(yīng)用在日常成像和分析中占據(jù)重要位置。1.3中子源在普通凝聚物中，中子被束縛在原子核內(nèi)。中子可以通過幾種不同的核反應(yīng)被釋放出來。查德威克（Chadwick）在1932年通過a粒子與鈹核碰撞的核反應(yīng)發(fā)現(xiàn)了中子。一個(gè)α粒子（一個(gè)氦-4核）與一個(gè)鈹-9核碰撞。碰撞導(dǎo)致鈹核激發(fā)，分裂成一個(gè)碳-12核和一個(gè)中子。查德威克觀察到，這種反應(yīng)產(chǎn)生的輻射能夠比預(yù)期更有效地穿透材料，而不像α粒子或γ射線那樣。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和對(duì)這種輻射的特性進(jìn)行分析，查德威克得出結(jié)論，這些輻射由帶有大約與質(zhì)子相同質(zhì)量的無電荷粒子組成。他將這些粒子稱為“中子”，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈﹄姾?。在高通量中子散射設(shè)施中，通常采用兩種不同的方法來產(chǎn)生中子。其中之一是核裂變（fission），具體來說是在核反應(yīng)堆中引起的中子誘導(dǎo)裂變。這是指重核（如鈾235）吸收中子，隨后分裂成兩個(gè)或更多輕核，伴隨著每個(gè)裂變平均釋放大約2.4個(gè)中子，1.3中子源每個(gè)中子的典型動(dòng)能約為2MeV，如圖3-9所示。在穩(wěn)定的核中，中子的數(shù)量等于或超過質(zhì)子的數(shù)量，并且中子/質(zhì)子比隨著原子序數(shù)Z的增加而增加。因此，當(dāng)一個(gè)重核裂變成穩(wěn)定的輕核時(shí)，中子將被釋放出來。圖3-9鈾-235核的中子誘發(fā)裂變示意圖1.3中子源核反應(yīng)堆的核心包含裂變?nèi)剂显?，這些元件的排列使得一個(gè)裂變釋放的中子與其他核碰撞時(shí)，有很高的概率誘導(dǎo)至少一次額外的裂變。這反過來又誘導(dǎo)了另一次裂變，如此循環(huán)，引起了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在中子束反應(yīng)堆中，大多數(shù)未參與裂變反應(yīng)的多余中子會(huì)從核心中逃逸出去。為了適用于散射實(shí)驗(yàn)，這些中子必須通過減速器將它們的動(dòng)能從約MeV減少到小于1eV。這是在調(diào)制材料中進(jìn)行的，調(diào)制材料是一種通過與調(diào)制物質(zhì)的核多次碰撞來減慢中子速度的介質(zhì)。經(jīng)過許多次碰撞后，中子達(dá)到熱平衡，其能量分布為麥克斯韋分布，其平均動(dòng)能由調(diào)制劑的溫度確定。實(shí)際的調(diào)制劑物質(zhì)包括25K的液態(tài)氫、300K的液態(tài)水和2400K的固態(tài)石墨。從這些調(diào)制劑中出來的中子分別被稱為冷、熱和熱中子。從調(diào)制劑出來后，中子沿著束管和導(dǎo)管被傳輸?shù)街凶由⑸鋬x器。1.3中子源另一種產(chǎn)生中子的方法是剝離（spallation）。核剝離是指由于受到高能（約1GeV）質(zhì)子轟擊而導(dǎo)致重核釋放出輕核碎片的過程，如圖3-10所示。環(huán)形加速器或線性加速器可以用來產(chǎn)生接近光速運(yùn)行的質(zhì)子脈沖。剝離靶由重金屬制成，通常是鎢、汞或鉛。在碰撞中，質(zhì)子進(jìn)入靶核并將其置于短暫的、高度激發(fā)的狀態(tài)，該狀態(tài)隨后迅速衰變，伴隨著輕核、中子和其他基本粒子的發(fā)射。去激發(fā)過程也可能導(dǎo)致裂變。每個(gè)入射質(zhì)子產(chǎn)生大約30個(gè)中子，其平均能量約為20-30MeV。這些中子在類似于反應(yīng)堆源中使用的調(diào)制器中減速，然后被輸送到束管中傳輸?shù)絻x器中。1.3中子源圖3-10質(zhì)子誘導(dǎo)剝離示意圖與產(chǎn)生恒定中子通量的反應(yīng)堆源不同，剝離源產(chǎn)生的中子以一系列脈沖的形式出現(xiàn)，其頻率在10至60Hz之間變化，具體取決于設(shè)施。大多數(shù)剝離源在調(diào)制器后具有約100μs的脈沖持續(xù)時(shí)間。從調(diào)制器出來的中子具有一定能量和速度的分布，但隨著它們沿著束線傳播，它們?cè)诳臻g和時(shí)間上會(huì)擴(kuò)散，快速中子會(huì)比慢速中子先到達(dá)。因此，可以通過測(cè)量中子在已知距離上的飛行時(shí)間來確定中子的速度（因而確定其能量和波長(zhǎng)）。剝離源的中子儀器采用各種時(shí)間飛行技術(shù)，以最大限度地利用源的脈沖結(jié)構(gòu)來進(jìn)行不同類型的測(cè)量。1.4當(dāng)代設(shè)備和技術(shù)進(jìn)展X射線技術(shù)主要包括：（1）X射線衍射（XRD）是一種重要的材料表征技術(shù)，利用X射線與晶體結(jié)構(gòu)相互作用的原理，通過衍射現(xiàn)象來分析晶體的結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)入射的單色X射線束照射到晶體上時(shí)，由于X射線與晶格原子的周期性排列相互作用，會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，即X射線在晶體中被散射成不同方向上的特定角度。通過測(cè)量這些衍射角度和強(qiáng)度，可以推斷出晶體的晶格常數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)、晶面間距等信息，從而揭示材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為材料科學(xué)、固體物理、化學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了重要的手段和依據(jù)。（2）X射線熒光光譜（XRF）是一種非破壞性的分析技術(shù)，通過研究樣品受到X射線激發(fā)后發(fā)出的熒光輻射來確定樣品的化學(xué)成分，如圖3-14所示。當(dāng)樣品暴露于高能X射線束時(shí)，其原子會(huì)吸收X射線的能量，并在短時(shí)間內(nèi)釋放出熒光輻射。通過測(cè)量這些熒光輻射的能量和強(qiáng)度，可以確定樣品中元素的類型和含量。X射線熒光光譜廣泛應(yīng)用于金屬、巖石、礦物、玻璃、陶瓷等材料的分析和檢測(cè)，以及考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究中，為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確、快速、無損的分析手段。1.4當(dāng)代設(shè)備和技術(shù)進(jìn)展（3）X射線光電子能譜（XPS），是一種表面分析技術(shù)，通過研究材料表面被X射線激發(fā)后發(fā)射的光電子能譜來分析材料的表面化學(xué)成分