中子不帶電、能量低、有磁矩、穿透性強(qiáng)、無(wú)破壞性，可分辨輕元素、同位素和近鄰元素。中子散射技術(shù)不僅可研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，還可給出物質(zhì)磁結(jié)構(gòu)的信息；不僅可探索物質(zhì)靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，還可用于觀測(cè)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程；不僅可完成特殊樣品環(huán)境下的實(shí)時(shí)原位實(shí)驗(yàn)測(cè)量，還可嚴(yán)格驗(yàn)證物理假設(shè)并建立新的理論模型。中子散射已廣泛地應(yīng)用到物理、化學(xué)、材料、生物、地質(zhì)、能源、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等眾多研究領(lǐng)域。中子散射技術(shù)的發(fā)展水平和應(yīng)用程度已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科技綜合實(shí)力的主要標(biāo)志之一。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院是我國(guó)最早開展中子散射技術(shù)應(yīng)用的單位，早在上世紀(jì)50年代末就建成了我國(guó)第一個(gè)重水研究堆（HWRR），并建造出我國(guó)第一臺(tái)中子衍射譜儀。到上世紀(jì)80年代初，中國(guó)原子能科學(xué)研究院和中科院物理所合作，依托HWRR建成了擁有6臺(tái)中子散射譜儀的熱中子散射實(shí)驗(yàn)室，在凝聚態(tài)物理、磁學(xué)和材料科學(xué)等方面做出一批創(chuàng)新性工作。但是后期由于國(guó)家投入較少和推廣不足,導(dǎo)致我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)落后。隨著國(guó)際中子科學(xué)研究裝置的迅猛發(fā)展以及國(guó)內(nèi)需求的日漸增強(qiáng)，我國(guó)政府認(rèn)識(shí)到發(fā)展中子散射技術(shù)的重要意義。目前，由中國(guó)原子能科學(xué)研究院建造功率達(dá)60MW的中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）已建成，中子散射設(shè)備已陸續(xù)對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶開放，這為我們迎頭趕上世界水平提供了新的契機(jī)。

一、項(xiàng)目概況

2009年，“中國(guó)先進(jìn)研究堆中子束應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及若干科學(xué)問(wèn)題”（項(xiàng)目編號(hào)：2010CB833100）獲得國(guó)家973計(jì)劃立項(xiàng)批復(fù)。項(xiàng)目由中國(guó)原子能科學(xué)研究院、北京大學(xué)、中科院物理所、山東大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)共同承擔(dān)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院陳東風(fēng)研究員擔(dān)任首席科學(xué)家。項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容涵蓋物理、化學(xué)、材料和工程等領(lǐng)域，擬解決以下三方面的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：（A）中子散射關(guān)鍵技術(shù)方法研究；（B）新型功能材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系的中子散射研究；（C）工程部件應(yīng)力分布和中子成像的方法學(xué)研究。

二、主要成果

1　突破聚焦、單色和準(zhǔn)直等多項(xiàng)中子散射關(guān)鍵技術(shù)

1)首次揭示了常規(guī)中子傳輸系統(tǒng)和聚焦中子傳輸系統(tǒng)中子空間分布不均勻的本質(zhì)原因，并提出有效解決方案；首次建立描述經(jīng)傳輸系統(tǒng)傳輸后中子角分布的理論公式和方法，該研究成果為聚焦中子傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。

2) 國(guó)內(nèi)首次成功研制鍺垂直聚焦單色器、雙聚焦硅單色器和金屬膜中子準(zhǔn)直器，為提高中子散射譜儀的強(qiáng)度和分辨提供必要保證。

3）國(guó)內(nèi)首次成功研制中子散射專用高溫樣品環(huán)境裝置，經(jīng)測(cè)試其最高溫度可達(dá)1600℃，達(dá)到國(guó)際同類設(shè)備的性能水平。國(guó)內(nèi)首次自主研發(fā)了專用于工業(yè)部件殘余應(yīng)力測(cè)試的原位高溫以及放射性樣品加載技術(shù)方法。

4）國(guó)際首次使用納米氮化硼成功制備熱中子閃爍體轉(zhuǎn)換屏，研究了納米級(jí)中子吸收材料的顆粒度對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響，研制的新型B基熱中子屏的性能已接近商業(yè)化⁶LiF屏的性能。

5)中子成像方法方面，在國(guó)際上首次系統(tǒng)地進(jìn)行了編碼源中子成像研究，并在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)了小型加速器上的編碼源中子成像。非平行束中子CT在算法中直接考慮了中子束流及中子與樣品作用的特性，并成功進(jìn)行了重建，這為將來(lái)中子CT重建質(zhì)量的進(jìn)一步提高打下了基礎(chǔ)。

2　建立了先進(jìn)的中子束無(wú)損檢測(cè)技術(shù)體系

1)針對(duì)常見(jiàn)工業(yè)部件，成功研制了中子殘余應(yīng)力譜儀，建立并完善了中子殘余應(yīng)力和織構(gòu)測(cè)試分析方法;開展了石油傳輸管道異種鋼焊接部位深層應(yīng)力分布研究，填補(bǔ)了深層三維無(wú)損應(yīng)力的空白數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了理論模型的優(yōu)劣，為焊接管道的質(zhì)量、安全、壽命評(píng)估提供必不可少的技術(shù)支撐。

2)基于國(guó)內(nèi)首臺(tái)中子織構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立鋯合金材料中子衍射織構(gòu)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法,在國(guó)際上首次開展沿包殼材料徑向測(cè)量的織構(gòu)梯度研究，揭示鋯合金包殼管的織構(gòu)演化機(jī)理。

3)發(fā)展了放射性核燃料元件中子成像無(wú)損定量檢測(cè)技術(shù)，成功開展壓水堆核燃料元件缺陷、包殼氫聚和芯塊元素富集度的定量測(cè)量方法研究，將為保障反應(yīng)堆安全運(yùn)行以及開展高燃耗下核燃料元件的性能研究提供重要手段。

4）在國(guó)內(nèi)首次研制快速中子照相成像系統(tǒng)，成功開展動(dòng)態(tài)兩相流空隙率的測(cè)試與分析，為建立精確預(yù)測(cè)流型現(xiàn)象提供依據(jù)；成功開展燃料電池及鋰離子電池的動(dòng)態(tài)成像，為先進(jìn)能源電池的改進(jìn)和發(fā)展提供指導(dǎo)。

3　建立起先進(jìn)功能材料的中子散射研究方法

1)在鐵基超導(dǎo)方面，發(fā)現(xiàn)BaFe_2-xNi_xAs₂體系中，存在非共度的反鐵磁序，該反鐵磁序隨著摻雜而消失的現(xiàn)象屬于一級(jí)相變，表明最佳摻雜附近不存在量子臨界點(diǎn)。利用中子散射在鐵基超導(dǎo)體FeSe_xTe_1-x中首次觀察到沙漏型激發(fā)譜，為理解該體系復(fù)雜的自旋漲落現(xiàn)象提供支持。

2)鋰離子電池材料方面，研發(fā)了一種含氮元素?fù)诫s碳包覆Li₄Ti₅O₁₂負(fù)極材料的技術(shù)，改性后的材料顯示了突出的循環(huán)性與倍率特性；發(fā)現(xiàn)Li₂MnO₃電化學(xué)脫鋰后，鋰離子從Li層和過(guò)渡金屬層同時(shí)非均勻脫出。

3）確定了水熱法合成的KBe₂BO₃F₂(目前唯一在深紫外區(qū)有應(yīng)用價(jià)值的晶體)的組份和結(jié)構(gòu)，成功解釋了水熱法獲得的大晶體性能差的本質(zhì)原因，從而為進(jìn)一步研究指明了方向。

4)重新確定了BiFeO₃的晶體結(jié)構(gòu)及磁結(jié)構(gòu)，解決了一直以來(lái)BiFeO₃的晶體結(jié)構(gòu)與磁結(jié)構(gòu)之間存在的矛盾，也解決了BiFeO₃的晶體結(jié)構(gòu)與穆斯堡爾譜數(shù)據(jù)和固體核磁數(shù)據(jù)之間存在的分歧。

5)在復(fù)合氧化合物及硼酸鹽體系得到了6種類型40多個(gè)新化合物；解析了這些化合物的結(jié)構(gòu)，分析了其性質(zhì)。得到了一系列新型的化合物RE₃Sb₃M₂O₁₄(RE = 稀土元素，M = Co, Zn, Mg，Fe，Mn，Ni，Cu)。其中，呈Kagome格子分布的磁性稀土離子體系有望在磁阻挫的研究中發(fā)揮重要作用。

4研制出具有高性能的磁性功能材料，獲得新一代磁性材料開發(fā)的技術(shù)和方法

1)成功獲得實(shí)現(xiàn)高性能的物理機(jī)制，制備的各向異性Sm₂Fe₁₇N_x和Nd(Fe,M)₁₂N_x永磁材料磁粉的磁能積分別達(dá)到43MGOe和22MGOe，為國(guó)際領(lǐng)先水平。

2)首次提出了實(shí)現(xiàn)織構(gòu)型無(wú)稀土Mn基納米永磁材料的原理和方法，并獲得強(qiáng)的磁晶各向異性和反常矯頑力溫度系數(shù)的磁性材料，在280度的矯頑力達(dá)到2.6T，為該溫度材料的最高值。

3）發(fā)展了不依賴重稀土元素Dy而僅僅通過(guò)低熔點(diǎn)Pr-Cu合金擴(kuò)散提高磁粉矯頑力及其溫度特性的方法，實(shí)現(xiàn)磁耦合強(qiáng)度的調(diào)控，大大提高各種Nd-Fe-B磁粉的矯頑力性能，節(jié)省Dy稀土資源。

4)利用稀土R-Fe-N材料具有雙各向異性場(chǎng)且有高飽和磁化強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)，成功突破了Snoek 極限，獲得了新型R-Fe-N高頻微波吸收材料。

項(xiàng)目執(zhí)行期間，共發(fā)表論文共計(jì)309篇，其中SCI收錄252篇；申請(qǐng)專利54項(xiàng)，其中已授權(quán)發(fā)明專利26項(xiàng)；軟件著作權(quán)1項(xiàng)，編制中子照相國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)。獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。本項(xiàng)目培養(yǎng)了一批具有高水平的中子散射用戶團(tuán)隊(duì)，成長(zhǎng)出一批國(guó)際知名專家。高性能中子源與高水平用戶隊(duì)伍的緊密結(jié)合，將推動(dòng)我國(guó)中子散射研究的發(fā)展壯大，使我國(guó)中子散射研究在世界科技競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。

項(xiàng)目主持人簡(jiǎn)介

陳東風(fēng)，男，1968年生，研究員,博士生導(dǎo)師, CARR 中子散射工程項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所所長(zhǎng), 中國(guó)物理學(xué)會(huì)中子散射專業(yè)委員會(huì)副主任委員，亞大區(qū)中子散射執(zhí)行委員，國(guó)際中子輻射學(xué)會(huì)執(zhí)行委員，中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)應(yīng)力測(cè)試專業(yè)委員會(huì)常委，《原子能科學(xué)技術(shù)》編委。2000年開始負(fù)責(zé)中子散射工程譜儀的建設(shè)，目前負(fù)責(zé)工程總資產(chǎn)已達(dá)五億，工程項(xiàng)目進(jìn)展順利。在工程建設(shè)過(guò)程中, 在國(guó)內(nèi)外建立了廣泛的合作關(guān)系,針對(duì)工程未來(lái)應(yīng)用的需要, 開展了多項(xiàng)基礎(chǔ)研究方面的工作。在國(guó)內(nèi)外共發(fā)表文章和會(huì)議報(bào)告130余篇。