上海交通大学依托中国绵阳研究堆自主研发冷中子工程应力谱仪“河图”与超长多模式小角散射谱仪“洛书”，用于推动前沿科学研究和解决工程技术难题。其中“洛书”小角散射谱仪主要应用于金属、高分子、生物、含能材料等纳米结构表征。“洛书”谱仪的探测器系统创新性地采用了位置灵敏的组合式三探测器，结合超长准直系统、可切换不同分辨率的速度选择器系统，可实现高通量模式和高分辨模式的切换，发展可以表征次纳米至次微米尺度范围的纳米结构的中子小角散射技术，助力基础科学与工程应用的研究。
相关工作近期以《Design of a three-detector system on LUOSHU: a small-angle neutron scattering instrument at China Mianyang Research Reactor》为题发表于期刊《Journal of Applied Crystallography》上。此研究获得了国家重点研发计划（2021YFA1600900）和国家自然科学基金（No. U1930101，No. 11875192，No. 51971137，No. 12075321）的支持。
文章从谱仪性能指标入手，分析谱仪的结构特性，得到洛书小角谱仪可探测的散射矢量（Q）的范围、瞬时Q范围与Q分辨率等性能参数。
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超长量程
大尺寸组合式探测器 + 超长准直
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“洛书”谱仪的组合式三探测器系统
散射矢量的范围决定了谱仪可探测对象的尺度范围，而探测器尺寸与探测距离决定了Q值的区间。通过调整探测器位置与准直系统，利用波长在3.5-17 Å内可调的均匀中子束流，“洛书”谱仪可实现0.00031-1.27 Å-1的超长散射矢量覆盖，满足次纳米至次微米尺度的纳米结构表征。
不同探测距离组合下洛书谱仪的Q值范围
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协同测量模式
L形模式 + 回形模式
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(a) L形探测模式与 (b)回形探测模式下
不同探测距离组合对应的Q值范围
针对各向同性、各向异性材料对应小角散射图案的差异，“洛书”谱仪的探测器系统可分别应用L形/回形探测模式以最大限度地采集有效信息。
宽瞬时Q范围（Qmax/Qmin）对于单次实验中的探测范围十分重要。洛书谱仪所采用的组合式三探测器系统可以极大程度地扩大瞬时矢量范围，提升实验效率和可探测尺寸覆盖范围。通过三探测器的组合、协同测量，高效、高分辨表征各向同性/异性材料。
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高分辨
实现差异结构的有效分辨
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散射矢量分辨率是小角散射谱仪的主要不确定性误差之一，决定着谱仪分辨不同尺寸结构的能力。计算结果给出了洛书谱仪低Q、中Q和高Q设置下的Q分辨率，理论上，低Q设置下（< 0.004 Å-1），Q分辨率主要受几何分辨率影响；高Q设置下（> 0.03 Å-1），谱仪分辨率则为波长分辨率主导。
低、中、高Q设置下Q分辨率随Q值的变化
“洛书”谱仪采用可切换速度选择器，针对各类材料体系，可实现精准、高效测试；超长准直系统与大尺寸的组合式三探测器系统，可满足大范围尺寸颗粒（瞬时散射矢量Qmax/Qmin > 300）高效、超长量程（0.00031-1.27 Å-1）的测试需求；“L形”与“回形”探测模式，实现各向同性与各向异性样品高效、高分辨表征。
相较国内外同类小角谱仪，“洛书”谱仪创新性的三探测器系统可使极大提升Q范围与瞬时Q范围，本文从中子小角散射的装置设计与应用案例出发，为其他小角谱仪或类似装置的研制提供一定参考。
中子小角散射谱仪“洛书”的顺利研制，可以为国家亟需工程应用与前沿科学研究提供先进的中子测试装置，提升国内中子表征技术与装置研究水平。同时，“洛书”谱仪的研制可以为材料科学、物理学、化学、生物学等领域的研究提供更为高效、完备的科学平台。
“洛书”谱仪未来应用前景
中子科学实验室｜SJTU-neutron
撰稿：汤逸飞
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