谱仪简介

能量分辨中子成像仪（ERNI）能够实现对物质微观结构的多参数、多维度和多尺度测量。该仪器的设计能够满足绝大多数用户在常规中子成像、三维CT成像、光栅成像、布拉格边成像以及与中子衍射相结合等方面的实验研究需求；并能结合相关样品环境对材料和系统进行原位/在线研究。适用研究领域包括地质科学、能源材料、金属材料、考古和文化遗产、植物生理学等。

谱仪工作原理

谱仪以中子为探测探针，依托其中子不带电、穿透性强、与轻核和磁性核作用显著且兼具波粒二象性的特性，利用高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素钨靶，在靶中发生散裂反应，产生大量的中子，通过慢化器、中子导管等引向中子谱仪。束流入射待测样品，中子与样品原子核发生散射、吸收等相互作用，其能量、动量、飞行时间、传播方向等运动状态会随样品微观结构与物理特性产生特征性改变。

针对中子成像，利用样品不同区域对中子的透射衰减差异，通过探测器捕捉透射后的中子分布，形成反映样品内部形貌、密度分布与组分差异的二维 /三维图像。

针对中子衍射，利用晶体样品使中子束发生相干衍射，通过探测器测量衍射中子的角度与强度，结合布拉格定律反推样品的原子排布、晶格结构与晶胞参数。

谱仪整体物理设计

谱仪表征手段和能力

1. 常规中子成像

常规中子成像技术，包括二维透射成像和三维CT成像，可用于水在植物根系中的输运、电池中电解液的原位动态观察、混凝土等毛细吸水观测、金属锈蚀、金属中氢的分布和扩散、燃料电池水管理、试样内部三维结构等领域的研究。

视场：200 mm × 200 mm，空间分辨率：~200 µm，单张投影曝光时间：1~10 s；

视场：100 mm × 100 mm，空间分辨率：~100 µm，单张投影曝光时间：0.5~2 mins；

视场：50 mm × 50 mm，空间分辨率：~50 µm，单张投影曝光时间：2~10 mins；

视场：20 mm × 20 mm，空间分辨率：~20 µm，单张投影曝光时间：15~30 mins；

2. 中子光栅成像

中子光栅成像（Neutron Grating Imaging）能够同时记录样品的透射、相衬和散射图像。其中散射图像尤其引人关注，可以提供样品内部的小角散射信息在空间上的分布。主要应用场景包括研究磁性材料的磁畴结构及演化、金属合金材料内部结构和缺陷分布等。

视场: 50 mm × 50 mm，空间分辨率: ~50 µm，二维测试时间: ~1 h；

中子光栅干涉仪成像原理示意图

3. 布拉格边中子成像

布拉格边中子成像（Bragg-edge Neutron Imaging）是一种基于中子衍射原理的能量分辨中子成像技术，布拉格边透射谱边的位置、高度、形状、强度可以反映晶相、织构、位错和应变等晶体结构信息的空间分布，如下图所示。主要应用场景包括电池晶相不均匀、焊接和增材制造部件、文物考古等。

视场：100 mm × 100 mm，空间分辨率：~300 µm，测量时间：>4小时；

视场：42 mm × 42 mm，空间分辨率：~150 µm，测量时间：>5小时；

4. 中子衍射

中子衍射作为一种无损的弹性中子散射技术，能用于表征物质的晶体结构和磁结构，提供与透射成像谱互补的结构信息。

通用参数: 散射角度：11.4°-168.6°，最佳谱仪分辨率: ∆d/d＜0.2%，常用波长范围：0.1-4.2Å（可根据用户需求进行调整）

实验模式: 常规中子衍射 &扫描中子衍射

（1）常规中子衍射

常用光阑大小：20 mm × 40 mm (可调节)

示例展示：

（2）扫描中子衍射

常用测量体积：5×5×5 mm³

示例展示：

原位测试环境：

1. 电池充放电装置：新威BTS-5V12A，8通道，最大电压5 V, 最大电流12 A。

2. 原位拉伸装置

a: 低温拉伸机：

载荷范围：～50 kN

温度范围：（样品夹持处）：6 K-473 K

样品标距：40 mm

b: 高温拉伸机：

载荷范围：～50 kN

温度范围：（样品夹持处）：～1473 K

样品标距：20 mm

3. 适配通用的样品环境（低温、高温、磁场）设备

备注：具有比较大的样品测试支撑台面，允许用户根据研究需求研制相应的原位测试环境