韓澤華 左太森 馬長(zhǎng)利 李雨晴，3 程 賀**，

（1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所中國(guó)散裂中子源，東莞 523803；2.中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心，東莞 523803；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

小角光散射（Small Angle Light Scattering，SLS）、小角 X射線散射 （Small Angle X-ray Scattering，SAXS）和小角中子散射（Small Angle Neutron Scattering，SANS）統(tǒng)稱為小角散射。其基本原理［1］和數(shù)據(jù)處理分析方法［2］類似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以互補(bǔ)和互相驗(yàn)證。

SANS相較于其它兩種小角散射，具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。中子直接作用于原子核，有強(qiáng)穿透性，這使得復(fù)雜樣品環(huán)境的原位實(shí)驗(yàn)成為可能［3］；中子是核散射，所以相同元素的不同同位素（比如氫和氘）或者近鄰元素對(duì)中子的散射能力完全不同，這使得中子在復(fù)雜合金［4］的成分解析以及復(fù)雜流體結(jié)構(gòu)［5］表征方面有重要的作用；中子有磁矩，可以進(jìn)行磁結(jié)構(gòu)的無(wú)損表征。小角中子散射的最大缺點(diǎn)在于中子源的通量太低。例如，上海同步輻射光源小角線站BL19U2樣品處的通量為1014量級(jí)［6］（單位為 n·s-1·cm-2，以下相同），而正在服役的大多數(shù)中子源的SANS譜儀樣品處的通量為106～107量級(jí)［7］，所以 SANS譜儀必須建在大型中子源，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的小型化。

大型中子源的建設(shè)耗資巨大、周期長(zhǎng)，因此科學(xué)家們選擇積極發(fā)展中子光學(xué)和探測(cè)技術(shù)，從而提高現(xiàn)有SANS譜儀的性能，通常采用的方法有：1）將中子聚焦到樣品或者探測(cè)器表面，從而成量級(jí)地增加中子通量或者譜儀分辨率（Very Small Angle Neutron Scattering，VSANS）［8］；2）利用單色中子和單晶分析器分辨極小的散射角度（Ultra Small Angle Neutron Scattering，USANS）［9］；3）利用中子自旋進(jìn)動(dòng)角度標(biāo)記中子散射角度（Spin-Echo Small Angle Neutron Scattering，SESANS）［10］；4）結(jié)合冷中子和超熱中子的衍射，利用飛行時(shí)間方法，獲取樣品內(nèi)原子尺度到納米尺度的信息（無(wú)序大分子全散射技術(shù)）［11］。通常情況下，VSANS譜儀將常規(guī)SANS的最大測(cè)量尺寸提高到1微米，USANS和 SESANS進(jìn)一步將其推進(jìn)到30微米［10］，而無(wú)序大分子全散射技術(shù)則將常規(guī)SANS的最小測(cè)量尺寸推進(jìn)到了0.1埃。

大型中子源包括反應(yīng)堆中子源與脈沖中子源（即散裂中子源），前者利用反應(yīng)堆的核裂變反應(yīng)，提供連續(xù)白光；后者利用脈沖質(zhì)子轟擊重金屬靶，產(chǎn)生脈沖中子［12，13］。SANS譜儀根據(jù)光源的不同，其準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)歸一方式（reduction）完全不同?；诜磻?yīng)堆源的SANS譜儀通常利用速度選擇器，從連續(xù)的白光中子中選擇單波長(zhǎng)中子進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)，具有代表性的譜儀有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院中子研究中心（NIST Center for Neutron Research，NCNR）的 NGB和 NG7［14］、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）高通量反應(yīng)堆（High Flux Isotope Reactor，HFIR）的 GP-SANS［15］、法國(guó)勞埃-朗之萬(wàn)研究所（Institut Laue-Langevin，ILL）的 D11和 D33［16，17］、德國(guó)柏林亥姆霍茲中心（Helmholtz-Zentrum Berlin，HZB）研究堆的 V4（已關(guān)閉）［18］、海因茨邁爾-萊布尼茨中心（Maier-Leibnitz Zentrum，MLZ）FRMⅡ研究堆的 KWS-1和 KWS-2［19］、澳大利亞ANSTO研究堆的 Quokka［20］、日本 JRR3（Japan Research Reactor-3）研究堆的 SANS-J-Ⅱ［21］，以及中國(guó)先進(jìn)研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）的 30 m SANS［22］和綿陽(yáng)研究堆（Mianyang Research Reactor，MYRR）的狻猊［23］等；基于散裂源的SANS譜儀通常使用一組斬波器選擇脈沖中子束中某段波長(zhǎng)范圍內(nèi)的中子，中子的波長(zhǎng)由其到達(dá)探測(cè)器的飛行時(shí)間確定，即飛行時(shí)間方法（Time of Flight，TOF），具有代表性的譜儀有英國(guó)散裂中子源（ISIS）的 LOQ［24］和SANS2d［25］、美國(guó)散裂中子源（Spallation Neutron Source，SNS）的 EQ-SANS［26］、日本散裂源（Japan Proton Accelerator Research Complex，J-PARC）的TAIKAN［27］、中國(guó)散裂 中子 源 （China Spallation Neutron Source，CSNS）的小角散射譜儀（SANS）［7］等。這兩類SANS譜儀的數(shù)據(jù)分析方法完全相同。

本文首先介紹SANS的一些基本概念和原理，接下來(lái)介紹國(guó)外、國(guó)內(nèi)SANS譜儀發(fā)展史和一些有代表性的譜儀，穿插介紹SANS譜儀與技術(shù)的一些基本原則、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)及其在多學(xué)科中的應(yīng)用。

1 小角中子散射的基本原理

一般傳統(tǒng)的SANS譜儀采用針孔幾何進(jìn)行準(zhǔn)直。在相同中子通量（flux）情況下，為了讓分辨率盡可能高以達(dá)到更小的探測(cè)角度，通常讓源光闌到樣品光闌的距離L1和樣品光闌到探測(cè)器的距離L2保持一致，如圖1b所示。一般來(lái)說(shuō)，在使用針孔幾何準(zhǔn)直時(shí)，譜儀的最小q值與樣品處中子通量往往相互制約，樣品處中子通量越大，譜儀的空間分辨就越差，最小q就越大，測(cè)量的最大尺寸就越?。?］，因此在譜儀設(shè)計(jì)時(shí)往往需要作出取舍?；诜磻?yīng)堆中子源的小角譜儀覆蓋的q值范圍一般為0.001～0.5?-1，對(duì)應(yīng)實(shí)空間特征尺度約為1～300 nm；基于散裂源的小角譜儀的q值范圍一般為0.002～1?-1，對(duì)應(yīng)實(shí)空間特征尺度約為0.4～150 nm。

圖1 散射矢量q定義示意圖與傳統(tǒng)小角譜儀的針孔幾何示意圖［28］Fig.1 The Definition of Scattering Vector q and the Pinhole Geometry of Conventional SANS［28］

隨著技術(shù)應(yīng)用愈發(fā)廣泛，小角中子散射服務(wù)的用戶愈發(fā)多樣，以傳統(tǒng)的小角中子散射技術(shù)及譜儀為起點(diǎn)，在譜儀與散射技術(shù)的發(fā)展上呈現(xiàn)了兩個(gè)趨勢(shì)，其一是對(duì)中子束進(jìn)行聚焦、準(zhǔn)直或者用中子自旋標(biāo)記散射角度，使譜儀的最小q能變小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而能夠表征更大的散射體尺寸，由此發(fā)展出了微小角中子散射譜儀、超小角中子散射譜儀與自旋回波小角譜儀；另一個(gè)趨勢(shì)是在最小q能夠達(dá)到0.01?-1的情況下，引入超熱中子和角度覆蓋更廣的探測(cè)器陣列，從而向更高的散射矢量擴(kuò)展（一般能夠達(dá)到50?-1），同時(shí)得到散射體整體形狀與散射體中原子相對(duì)位置信息等多尺度的結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而發(fā)展出了針對(duì)無(wú)序材料（主要是無(wú)序大分子）的中子全散射技術(shù)。以下將分別介紹國(guó)內(nèi)外SANS譜儀技術(shù)的發(fā)展歷史，分析SANS譜儀技術(shù)的現(xiàn)狀并簡(jiǎn)介其在基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究中的應(yīng)用。

2 小角中子散射譜儀發(fā)展歷史

2.1 國(guó)外小角中子散射譜儀的發(fā)展和現(xiàn)狀

使用小角中子散射進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征最早始于20世紀(jì)60年代的歐洲，20世紀(jì)70年代美國(guó)的小角中子散射開(kāi)始起步。對(duì)SANS發(fā)展歷史的了解有助于我們更好地發(fā)展自己的SANS譜儀與技術(shù)?？紤]到反應(yīng)堆中子源與散裂源的特點(diǎn)差異，本文將按中子源的不同對(duì)小角中子譜儀的發(fā)展進(jìn)行介紹。

2.1.1 反應(yīng)堆小角譜儀

1）傳統(tǒng)小角譜儀

1931年查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核中存在中子［29］。20世紀(jì)70年代，法國(guó)與德國(guó)聯(lián)合建設(shè)了勞厄-朗之萬(wàn)研究所（ILL）反應(yīng)堆中子源，高通量的中子源給小角中子譜儀的建設(shè)提供了基礎(chǔ)。在德國(guó)Jülich的小角譜儀上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了保羅·弗洛里（Paul Flory）的本體（bulk）高分子鏈自由行走理論，為他獲得1974年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)做出了貢獻(xiàn)［30］。之后小角中子散射在軟物質(zhì)領(lǐng)域的研究中一直扮演著重要角色。歐洲的小角中子散射技術(shù)及大型譜儀的建設(shè)起步較早，且一直處于世界領(lǐng)先水平，現(xiàn)在歐洲比較具有代表性的反應(yīng)堆小角譜儀有ILL的D11［31］、D22［32］、D33［33］，德國(guó)MLZ反應(yīng)堆FRM-Ⅱ的KWS-1、KWS-2［19］等（表1）。

表1 反應(yīng)堆代表性小角譜儀參數(shù)Tab.1 Parameters of Representative SANS Instruments On Reactor Source

美國(guó)的小角中子散射譜儀起步相對(duì)較晚。1977年在 NCNR的前身 NBSR（Neutron Beam Split-Core Reactor），韓志超研究員與Bert Mozer教授主導(dǎo)建成了一臺(tái)小角譜儀，服務(wù)了多個(gè)領(lǐng)域的用戶，為美國(guó)在高分子、復(fù)合材料、納米材料等領(lǐng)域的研究提供了重要幫助。20世紀(jì)80年代末，NBSR改名為NCNR，并且在原有的基礎(chǔ)上建造了新的冷源（Cold Neutron Radiography Facility，CNRF）。美孚石油為更好地發(fā)展化工產(chǎn)業(yè)，出資在第一臺(tái)小角譜儀的位置處新建了一臺(tái)30米長(zhǎng)的小角譜儀NG7［34］，該譜儀于1991年建成并投入使用，為美國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的助力［35，36］。時(shí)至今日，NG7經(jīng)過(guò)多次升級(jí)，依然是世界上最好的小角中子譜儀之一，除此之外，美國(guó)具有代表性的反應(yīng)堆小角譜儀還有NCNR的n Soft與NgB［34］，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）反應(yīng)堆中子源HFIR的GP-SANS［15］、Bio-SANS［37］等（表1）。

除了歐美之外，其他國(guó)家也在建造自己的反應(yīng)堆小角中子散射譜儀并發(fā)展相關(guān)技術(shù)，比較有代表性的有日本反應(yīng)堆中子源JRR-3的SANS-J-Ⅱ［38］與SANS-U［39］、澳大利亞反應(yīng)堆中子源ANSTO的Quokka［20］、韓國(guó)反應(yīng)堆中子源HANARO的CG1B［40］等（表1）。這些譜儀基本都是2000年后開(kāi)始興建，2005年后投入使用的?；谛〗亲V儀多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，這些譜儀的設(shè)計(jì)與建造都使用了先進(jìn)技術(shù)，測(cè)量范圍能夠達(dá)到1～300 nm。在傳統(tǒng)小角中子散射譜儀的發(fā)展歷程中，有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展對(duì)小角譜儀性能的提升起到了重要作用。其一是先進(jìn)中子光學(xué)儀器，包括透鏡聚焦和中子導(dǎo)管技術(shù)的使用。透鏡聚焦一般是在針孔幾何不改變的情況下在樣品前加一串約20～100片的透鏡（一般為MgF2透鏡），將光束的焦距調(diào)整到探測(cè)器上，有效降低中子束的發(fā)散度從而達(dá)到更小的探測(cè)角度，其原理與一般的光學(xué)透鏡聚焦原理完全相同，MgF2透鏡聚焦技術(shù)是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的中子聚焦技術(shù)之一［41］，成功的例子有ANSTO的Quokka，F(xiàn)RM-Ⅱ的KWS1、KWS2［19］等。中子導(dǎo)管的出現(xiàn)有效提升了樣品處的中子通量，且通過(guò)對(duì)中子導(dǎo)管的控制可以改變譜儀準(zhǔn)直幾何，從而調(diào)整q值范圍和樣品處的中子通量，這給用戶提供了更多選擇；其二是大面積二維探測(cè)器［42］，從一維探測(cè)器到大面積二維探測(cè)器的升級(jí)有效提升了散射中子的探測(cè)效率，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使小角中子散射的應(yīng)用更加普及。

2）微小角譜儀與超小角譜儀

微小角譜儀與超小角譜儀類似，本質(zhì)上都是傳統(tǒng)小角譜儀的一種延伸與升級(jí)，其基本原理、數(shù)據(jù)處理方法以及應(yīng)用領(lǐng)域與傳統(tǒng)小角幾乎一致；區(qū)別在于其所用光學(xué)聚焦與準(zhǔn)直手段有別于傳統(tǒng)的針孔幾何，從而可以達(dá)到更小的q值，以表征更大尺度范圍的結(jié)構(gòu)。一般微小角譜儀的最小q能夠達(dá)到10-4?-1量級(jí)；而超小角譜儀在犧牲中子通量的前提下，最小q甚至可以達(dá)到10-5?-1量級(jí)，對(duì)應(yīng)的實(shí)空間尺度可達(dá)1～30μm。微（超）小角譜儀為了能夠探測(cè)到更小的q值，一般采用的方法有如下幾種：?jiǎn)渭冊(cè)黾幼V儀長(zhǎng)度從而拉長(zhǎng)準(zhǔn)直長(zhǎng)度；采用（磁）透鏡聚焦中子束；采用區(qū)別于傳統(tǒng)針孔幾何的多孔或多狹縫聚焦；利用單晶分析器進(jìn)行中子束的準(zhǔn)直從而達(dá)到更小的探測(cè)角度；利用環(huán)面鏡進(jìn)行反射聚焦中子束。無(wú)論哪種方式，其目的都在于使中子能夠達(dá)到更低的散射角度。

下面以采取技術(shù)手段的不同分類介紹現(xiàn)有的微（超）小角譜儀（表2）。

表2 反應(yīng)堆代表性微（超）小角譜儀參數(shù)Tab.2 Parameters of Representative VSANS（USANS）Instruments on Reactor Source

（1）極長(zhǎng)譜儀技術(shù)

使用該技術(shù)建造的最具代表性的譜儀是ILL的反應(yīng)堆譜儀D11［31］。一般小角譜儀長(zhǎng)20～35米，而D11全長(zhǎng)80米，在2009年升級(jí)后可達(dá)最小q值0.00034?-1（由于沒(méi)有采用任何聚焦技術(shù)，該譜儀是否屬于微小角仍存在爭(zhēng)議）［31］。在散裂源上，由于譜儀長(zhǎng)度與所用波長(zhǎng)范圍互相制約，且需要考慮通量的問(wèn)題，一般全長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)40米，因此幾乎不可能使用極長(zhǎng)譜儀技術(shù)。

（2）磁透鏡聚焦

磁聚焦透鏡的原理是利用中子本身的內(nèi)稟磁矩，通過(guò)磁場(chǎng)的改變來(lái)使中子聚焦。該技術(shù)可用于固定波長(zhǎng)中子的聚焦，比如日本JRR-3的SANS-J-Ⅱ；對(duì)于白光中子束的聚焦仍處于試驗(yàn)階段，迄今為止比較成功的實(shí)驗(yàn)是J-PARC與東京大學(xué)聯(lián)合制造的一套六級(jí)磁鐵模型［43］，該模型可以成功聚焦20～50?的長(zhǎng)波中子［44］。

（3）多孔和多狹縫技術(shù)

該技術(shù)充分利用中子源的高發(fā)散度和大的源面積，將源面分成多個(gè)小區(qū)域，將每個(gè)小區(qū)域發(fā)出的中子互不干涉地聚焦到探測(cè)器表面。1986年NIST的Charlie Glinka研究員最早提出多孔焦微小角的概念，并建設(shè)了一臺(tái)8米長(zhǎng)的樣機(jī)［45］，此后多孔與多狹縫技術(shù)成為了微小角譜儀的一個(gè)可行技術(shù)?，F(xiàn)在世界上有代表性的該類譜儀是NIST的VSANS（正在試運(yùn)行）［46］。此外德國(guó)HZB的V16［47］（已關(guān)閉）也曾經(jīng)采用了多孔聚焦技術(shù)，雖然由于種種技術(shù)原因，并沒(méi)有達(dá)到更小的q值。

該技術(shù)其核心部分為光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)（圖2）［8］。源光闌（source aperture）和樣品光闌（sample aperture）確定光束的發(fā)散度和方向，所有的光束都聚焦到探測(cè)器表面，中間的光闌只是防止光束之間的交疊（cross talk）。一般來(lái)講，多孔光闌常用于反應(yīng)堆中子源，而多狹縫光闌可用于兩種中子源。

圖2 多孔與多狹縫準(zhǔn)直系統(tǒng)的原理示意圖［14］Fig.2 Schematic Disgram of Mult-slit and Multi-pinhole Collimation System［14］

（4）超小角的Bonse-Hart單晶分析器技術(shù)

20世紀(jì)80年代Bonse與Hart提出一種使用兩個(gè)完美單晶組合的衍射來(lái)挑選出單一波長(zhǎng)的光束進(jìn)行入射束準(zhǔn)直的方法［9］。用這種方式挑選出的入射束準(zhǔn)直度極好，能夠分辨更小的散射角從而達(dá)到更小的q值。該技術(shù)最早于20世紀(jì)90年代應(yīng)用于超小角X射線譜儀［48］，之后在超小角中子譜儀的建造上也得以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，比較具有代表性的譜儀有NIST的BT-5［49］與ANSTO的Kookaburra［50］。ORNL的散裂中子源SNS曾經(jīng)的USANS也使用了單晶分析器技術(shù)［9］。

（5）環(huán)面鏡聚焦技術(shù)

環(huán)面鏡也稱為環(huán)曲面鏡（Toroidal Mirror），其原理是在橢球環(huán)面（Elliptical Toroidal Mirror）［51］或者其與雙曲環(huán)面鏡（Wolter Mirror）［52］的組合的內(nèi)表面鍍上粗糙度在原子量級(jí)的平整的金屬反射鍍層，讓從一個(gè)焦點(diǎn)出發(fā)的中子在一次或者兩次反射之后，聚焦到另一個(gè)焦點(diǎn)。這一技術(shù)在德國(guó)Jülich的FRM-II上使用建成了一臺(tái)非常成功的VSANS譜儀KWS-3［53］。在美國(guó)，Wolter鏡最早是美國(guó)國(guó)家宇航局（The National Aeronautics and Space Administration，NASA）用于觀察星體X射線的天文望遠(yuǎn)鏡，后來(lái)麻省理工大學(xué)（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Boris Khaykovich教授將這一技術(shù)引入到中子的聚焦和成像［54，55］。日本在這方面也有研究［56］，但還未實(shí)際應(yīng)用。Wolter環(huán)面鏡迄今為止沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的主要原因是其技術(shù)難度太高，需要非常好的拋光和鍍膜技術(shù)，而且橢球面或者拋物面的平整度需要達(dá)到原子量級(jí)，才能抑制表面產(chǎn)生的漫散射和非鏡面反射。

3）自旋回波小角譜儀

中子的一個(gè)重要的特征是具有內(nèi)稟磁矩，這一性質(zhì)可以用來(lái)表征磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)（原理如圖3所示）。中子自旋不僅可以探測(cè)樣品中的磁結(jié)構(gòu)，還可以被磁場(chǎng)操控，用于標(biāo)記中子被樣品散射后，微小的能量和角度變化。1972年匈牙利科學(xué)家Mezei研究員提出可以用中子的自旋來(lái)標(biāo)記中子的能量［57］，之后ILL建造了第一臺(tái)中子自旋回波譜儀（NSE Spectrometer）［58］，用來(lái)表征凝聚態(tài)物質(zhì)中極慢的運(yùn)動(dòng)模式（皮秒到納米秒量級(jí)）和非常低的能量變化（納電子伏，neV）。1978年美國(guó)的Roger Pynn教授提出了利用傾斜磁場(chǎng)界面對(duì)中子的散射角進(jìn)行標(biāo)記，這就是SESANS的基本原理［59］。2003年荷蘭Delft的自旋回波小角譜儀SESANS對(duì)用戶開(kāi)放［60］。ISIS在2008年完成了一臺(tái)SE-SANS譜儀OffSpec的安裝［61］，并在OffSpec的基礎(chǔ)上，于 2007年開(kāi)始計(jì)劃新建一臺(tái)集彈性散射和非彈性散射于一體的自旋回波小角散射譜儀Larmor。2014年，Larmor第一階段的建設(shè)完成［62］，現(xiàn)正在進(jìn)一步建設(shè)與調(diào)試。自旋回波譜儀主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括量子物理［63］、中子譜儀［64］、生物膜［65］、膠體［66］和高分子［67］等領(lǐng)域。

圖3 利用自旋回波方法標(biāo)記中子散射過(guò)程中動(dòng)量（角度）變化示意圖［68］Fig.3 Schematic Diagram of Marking Momentum Transfer during Neutron Scattering Process by Spinecho Method［68］

2.1.2 散裂源小角譜儀

散裂中子源與反應(yīng)堆中子源最明顯的區(qū)別是入射中子選擇方式。散裂源使用的帶寬斬波器可在每個(gè)（或每?jī)蓚€(gè)）脈沖中截取需要波長(zhǎng)范圍的中子。中子的波長(zhǎng)由其飛行時(shí)間決定。為避免后一個(gè)波長(zhǎng)的短波中子追上前一個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)波中子，散裂源小角譜儀的總長(zhǎng)度與其使用的波長(zhǎng)帶寬一般是互相耦合的，常用式（2）進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算［26］。

1）基于散裂源的傳統(tǒng)小角譜儀

現(xiàn)存最早的散裂源小角譜儀是英國(guó)散裂中子源（ISIS）的LOQ［24，69］，于1985年投入使用，是迄今為止服役時(shí)間最長(zhǎng)的散裂源小角譜儀。在服役的三十多年間為凝聚態(tài)物理［70］、高分子物理［71］、生物物理［72］、化學(xué)物理［73］等學(xué)術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域［74］的研究與進(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。由于LOQ的成功，ISIS在自己的第二靶站建造了另一臺(tái)小角譜儀SANS2d［25］，SANS2d于2008年建成使用，所覆蓋的q范圍較LOQ有明顯提升，受益于ISIS第二靶站慢化器系統(tǒng)的升級(jí)，相較于LOQ，SANS2d樣品處的中子通量有3～10倍的提升（表3）。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ORNL的散裂源SNS的小角譜儀EQ-SANS于2010年建成使用。EQSANS采用了跳幀（frame skip）技術(shù)，即通過(guò)調(diào)節(jié)帶寬斬波器的運(yùn)行模式，每?jī)蓚€(gè)脈沖中僅使用一個(gè)脈沖來(lái)截取需要的中子，將SNS 60 Hz的源頻率降低為30 Hz，可使用的波長(zhǎng)寬度也拓寬至6?［75］。該技術(shù)在譜儀長(zhǎng)度有限的情況下可有效拓寬譜儀測(cè)量的q值范圍。除此之外，日本散裂中子源J-Parc也有一臺(tái)小角譜儀TAIKAN［76，77］，采用帶寬較寬的入射中子波長(zhǎng)（8?）與最高達(dá)170°的探測(cè)器排布，在低q與高q兩個(gè)方向上都突破了傳統(tǒng)小角譜儀的限制，是一臺(tái)性能優(yōu)良的綜合性小角譜儀（表3）。

表3 散裂源代表性小角譜儀參數(shù)1）Tab.3 Parameters of Representative SANS Instruments on Spallation Source1）

2）基于散裂源的微（超）小角譜儀

受限于譜儀長(zhǎng)度與可使用波長(zhǎng)帶寬間關(guān)系，散裂源無(wú)法使用超長(zhǎng)譜儀技術(shù)，白光中子也使得聚焦技術(shù)較難在散裂源應(yīng)用。ISIS的ZOOM使用中子透鏡聚焦同步中子脈沖，改變光闌的尺寸實(shí)現(xiàn)VSANS模式［78］，但由于技術(shù)難度比較大，到目前為止，該譜儀還沒(méi)有投入運(yùn)行。技術(shù)難度稍低的VSANS實(shí)現(xiàn)方案是采用多狹光闌縫聚焦，這一技術(shù)剛引入反應(yīng)堆中子源實(shí)用，NIST VSANS仍在調(diào)試［79］；目前逐步引入散裂中子源VSANS的設(shè)計(jì)建設(shè)，如歐洲散裂中子源計(jì)劃建設(shè)的SKADI［80］。

3）針對(duì)無(wú)序材料的中子全散射譜儀

在向高q拓展測(cè)量范圍這個(gè)方向上，散裂源有天生的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)協(xié)調(diào)使用入射中子的波長(zhǎng)范圍及譜儀總長(zhǎng)，并同時(shí)使用低角和高角探測(cè)器的情況下，一般可調(diào)節(jié)譜儀的探測(cè)范圍達(dá)到0.01～50?-1，對(duì)應(yīng)的實(shí)空間尺度約為0.1～100?，可以有效探測(cè)一般無(wú)序材料（尤其是無(wú)序大分子）的多尺度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行綜合分析，是研究無(wú)序材料結(jié)構(gòu)的有力工具之一。

針對(duì)無(wú)序材料全散射譜儀的嘗試始于20世紀(jì)70年代末，英國(guó)Harwell實(shí)驗(yàn)室的直線加速器HELIOS上建造了一臺(tái)使用最短0.8?中子的散射譜儀用以拓展原有小角譜儀的高q探測(cè)范圍［81］，后在80年代ISIS建造的LAD［82］與ILL建造的D4［83］催生了ISIS在80年代末建成SANDALS［84］。這是第一臺(tái)針對(duì)無(wú)序液體結(jié)構(gòu)表征的譜儀，對(duì)高含氫量樣品的數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化［85］，使得各種溶劑、熔融體系全原子結(jié)構(gòu)的研究成為可能，為航空航天、生命科學(xué)等方面的研究提供了強(qiáng)大助力［86-90］（表4）。

表4 散裂源代表性全散射儀參數(shù)1）Tab.4 Parameters of Representative Neutron Total Scattering Instruments on Spallation Source1）

2009年ISIS于第二靶站上建成了NIMROD［91］。得益于從SANDALS建成就開(kāi)始發(fā)展的，針對(duì)高含氫量樣品散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法，NIMROD在溶液領(lǐng)域，尤其是水溶液領(lǐng)域的研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［92-94］。除此之外，日本散裂中子源J-Parc的NOVA也是一臺(tái)優(yōu)秀的全散射譜儀［95］（表4）。

除了針對(duì)無(wú)序材料的中子全散射譜儀，還有一類與衍射譜儀類似，針對(duì)晶體中的缺陷、準(zhǔn)晶及小分子玻璃等體系的全散射譜儀。該類譜儀一般對(duì)最小q值的要求不高，但最高q需要至少達(dá)到50?-1，以滿足對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的要求，其代表是ISIS的GEM［96］與SNS的NOMAD［97］（表4）。

2.2 國(guó)內(nèi)小角中子散射譜儀現(xiàn)狀

2.2.1 反應(yīng)堆中子源

國(guó)內(nèi)的小角中子散射技術(shù)與小角中子散射譜儀的起步都較晚，直到2005年與2006年才分別在中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）與綿陽(yáng)研究堆（CMRR）開(kāi)始建造小角譜儀（圖5、表5）。CARR堆的小角譜儀由科技部、中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)原子能科學(xué)院聯(lián)合出資，是科技部2005年投資建設(shè)的十三個(gè)國(guó)家大型儀器中心之一，由中科院化學(xué)所韓志超研究員作為首席科學(xué)家。該譜儀于2012年通過(guò)驗(yàn)收，全長(zhǎng)32米，使用的最長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)20 ?，主要針對(duì)高分子、納米及生物領(lǐng)域等，提供多種樣品環(huán)境滿足實(shí)驗(yàn)需求［22］。CMRR堆的小角譜儀“狻猊”全長(zhǎng)25米，測(cè)量的正空間尺度為10～3000?，樣品處通量最高可達(dá)106量級(jí)［23，98］。狻猊作為現(xiàn)今國(guó)內(nèi)最好的小角中子散射譜儀之一，在科研、工業(yè)甚至國(guó)防領(lǐng)域的研究中都扮演著重要的角色［99-102］。

表5 國(guó)內(nèi)小角及相關(guān)譜儀參數(shù)Tab.5 Parameters of Representative SANS and Corresponding Instruments in China

圖4 NIMROD譜儀示意圖［91］Fig.4 An Overview of NIMROD［91］

圖5 CARR堆30米小角譜儀的設(shè)計(jì)圖與照片［22］Fig.5 Design and Photography of 30m SANS Instrument on CARR［22］

為了利用中子散射探測(cè)更大尺度，在中國(guó)綿陽(yáng)研究堆（CMRR），由中國(guó)工程物理研究院主導(dǎo)建設(shè)了一臺(tái)USANS譜儀與一臺(tái)SE-SANS譜儀，其中USANS譜儀已于2022年驗(yàn)收并正式投入使用，而SESANS譜儀在2022年2月份進(jìn)行了導(dǎo)管準(zhǔn)直，有望于2023年驗(yàn)收。這兩臺(tái)譜儀的建設(shè)與使用將為我國(guó)在軟物質(zhì)、凝聚態(tài)物理，尤其是核材料的無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

2.2.2 散裂中子源

中國(guó)散裂中子源（CSNS）的小角譜儀SANS是作為CSNS三臺(tái)首批譜儀之一而規(guī)劃建造的，在2017年CSNS第一次出束時(shí)進(jìn)行了調(diào)試［7］。CSNSSANS配備有多種樣品環(huán)境，為用戶在不同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提供了便利，迄今為止，SANS譜儀上已經(jīng)誕生了上百篇高質(zhì)量論文，涵蓋化學(xué)、物理、生物、材料等多個(gè)領(lǐng)域［103-107］，為我國(guó)科研事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)（表5）。

由廣東省科學(xué)技術(shù)廳出資，散裂中子源科學(xué)中心正在承建一臺(tái)微小角譜儀（圖6），全長(zhǎng)34.75米，于2019年年底開(kāi)工建設(shè)，將于2022年年底驗(yàn)收［108］。該譜儀在使用多狹縫準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)VSANS模式，最小q可達(dá)0.0003?-1（表5）。

圖6 中國(guó)散裂中子源微小角譜儀的設(shè)計(jì)圖與照片F(xiàn)ig.6 Design and Photography of VSANS Instrument on CSNS

2017年開(kāi)始，清華大學(xué)核工系王學(xué)武教授團(tuán)隊(duì)對(duì)于將Woltermirror的聚焦技術(shù)用于SANS譜儀進(jìn)行了廣泛的探索［109］?；谇迦A大學(xué)的微型脈沖強(qiáng)子源（CPHS），清華大學(xué)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，正在共同建設(shè)一臺(tái)掠入射中子聚焦SANS譜儀（表5）。該譜儀將驗(yàn)證利用Wolter鏡聚焦建設(shè)VSANS譜儀的可行性。

我國(guó)目前為止并沒(méi)有建成或計(jì)劃建造無(wú)序大分子全散射譜儀。程賀課題組針對(duì)CSNS源的特點(diǎn)，物理設(shè)計(jì)了一臺(tái)無(wú)序大分子全散射譜儀［110］，全長(zhǎng)20米，使用0.1～7.8?的中子，探測(cè)器覆蓋角度為0.5°～70°，有效的q值范圍為0.01～50?-1，在CSNS以100 kW功率運(yùn)行時(shí)，預(yù)計(jì)樣品處的中子通量可達(dá)106量級(jí)。其設(shè)計(jì)優(yōu)化了準(zhǔn)直系統(tǒng)，使用多倍速帶寬斬波器，有效提升了短波中子的通量。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)，該譜儀的性能應(yīng)該與NIMROD相當(dāng)，這為我國(guó)將來(lái)針對(duì)無(wú)序材料全散射譜儀的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供了思路。

除此之外，由東莞理工大學(xué)與香港城市大學(xué)出資，散裂中子源科學(xué)中心承建的多物理譜儀（MPI）是一臺(tái)針對(duì)晶體中的缺陷、準(zhǔn)晶及小分子玻璃體系的全散射譜儀。該譜儀全長(zhǎng)33米，提供了多種樣品環(huán)境［111］，已于2021年驗(yàn)收投入使用，現(xiàn)已在凝聚態(tài)物理、晶體材料研究等多個(gè)領(lǐng)域支撐了數(shù)篇高質(zhì)量科研論文的發(fā)表［112-114］（表5）。

3 總結(jié)與展望

小角中子散射是探索物質(zhì)微觀、介觀結(jié)構(gòu)的有力手段，在基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和產(chǎn)業(yè)化方面均有重要應(yīng)用。本文梳理了國(guó)內(nèi)外反應(yīng)堆中子源和散裂中子源上SANS技術(shù)的發(fā)展歷史，并著重介紹一些典型的譜儀。我們從傳統(tǒng)SANS譜儀散射矢量范圍的拓展角度，對(duì)VSANS、USANS、SESANS和無(wú)序大分子全散射譜儀的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并由此出發(fā)，展望SANS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著環(huán)保與安全的考慮，許多國(guó)家的研究用反應(yīng)堆逐漸關(guān)閉，未來(lái)的趨勢(shì)必然是建造更多的散裂中子源。現(xiàn)在在建的世界最大的散裂中子源ESS由歐洲13國(guó)聯(lián)合建設(shè)，目前為止規(guī)劃建設(shè)多達(dá)22臺(tái)中子譜儀，該中子源采用了連續(xù)打靶的方式產(chǎn)生中子，相較于現(xiàn)在已有的所有散裂中子源，其中子通量將有約兩個(gè)量級(jí)的提升［116］。這給小角中子散射譜儀及其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與充裕的空間。

小角中子散射譜儀技術(shù)未來(lái)的發(fā)展依然是兩個(gè)主要方向，即向高q擴(kuò)展探測(cè)范圍的全散射譜儀，與向更小q發(fā)展的微（超）小角譜儀。近些年的全散射譜儀除了之前提到的NOVA、MPI外，J-parc的TAIKAN也加裝了覆蓋角度范圍很廣的探測(cè)器模塊，使最高q能夠達(dá)到10?-1［77］；而在散裂源微小角譜儀的嘗試上，除了ISIS正在調(diào)試的ZOOM，CSNS正在建設(shè)的VSNS譜儀外，ESS首期也計(jì)劃建造建造一臺(tái)小角譜儀LoKI與一臺(tái)微小角譜儀SKADI［79，116］，LoKI覆蓋的q值范圍為0.001～1?-1，SKADI使用多狹縫技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)直，覆蓋的q值范圍為0.0001～1?-1。得益于ESS的高功率，LoKI與SKADI的樣品處中子通量分別可達(dá)109與108量級(jí)［116］。相較于傳統(tǒng)的散裂中子源，如此高的通量除了可以大大縮短用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，還可以開(kāi)發(fā)出一些新的實(shí)驗(yàn)方法，從而使小角中子散射譜儀及相關(guān)技術(shù)煥發(fā)新的活力。

圖7 針對(duì)中國(guó)散裂中子源的無(wú)序大分子全散射譜儀的物理設(shè)計(jì)［104］Fig.7 Physical Design of a Neutron Total Scattering Instrument for Disordered Material based on CSNS［104］