极化中子技术是利用中子的自旋与样品及磁场的相互作用进行测量的一种技术,是中子散射技术中的重要组成部分。极化中子技术已经成功地应用于磁性、强关联、纳米、自旋电子、高分子和生物等材料中,为前沿材料学研究与工业应用提供了所亟需的探测与表征手段。另外,极化中子也被广泛应用于核物理和粒子物理相关领域的基础测量。
文章对极化中子技术的发展进行了简要的介绍,概括了极化中子实验所涉及的理论知识,以及在实验中所使用的主要技术,并在此基础上展示了当前极化中子技术在科研中的应用及其所使用的实验装置。
在1932年查德威克(Chadwick)发现中子后,布洛赫(Bloch)就指出了将中子透射过磁化的铁可以产生极化中子[1],并可利用中子磁矩探测材料结构。
1939年Halpern和Johnson发表的相关文献奠定了极化中子实验的前期理论基础[2]。至20世纪50年代,随着反应堆的产生,中子散射技术已发展成为材料研究领域不可替代的一种技术。极化中子散射理论在20世纪60年代得到进一步完善,明确了通过中子极化分析来分辨材料核散射、磁散射、核磁干涉散射以及非共线磁性散射的理论方法。
这些理论工作分别是由当时欧洲与苏联的科学家Izyumov、Schermer、Blume[3,4]和Maleyev[5]完成的,最终形成了当今极化中子散射的理论基础:Blume—Maleyev方程。
与极化中子散射理论同时发展的还有极化中子实验技术。
在20世纪50年代的先驱实验基础上,1969年由Moon、Riste和Koehler等人[6]在美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)确立了单轴中子极化的分析技术。1971年Mezei提出的中子自旋回波技术[7],开创了中子极化的相干测量,将中子散射所能达到的时间和空间分辨率提升了多个数量级。
20世纪80年代,Scharpf等人进行了x-y-z三个方向的极化分析[8],开启了多轴极化中子技术的先河。80年代末期,Tasset[9]利用超导体实现了完全极化分析技术,并在朗之万研究所中子科学中心(ILL)建造了低温超导极化分析(CryoPAD)装置[10,11]。
极化中子散射作为一项基础的科学研究手段,目前在材料、工程、生物与基础物理研究等领域有着广泛应用。
从极化中子的发展历史中可以看到,这一应用的背后是极化中子散射经历的长期理论发展与技术突破,以及大量的实验手段与装置的研发。在本文中,我们将对相关重要领域进行简要介绍,对极化中子散射理论及其相关技术有兴趣的读者,可以参考Squire[12]、Williams[13]、Krupchitsky[14]等人的相关书籍。