中子不帶電、能量低、有磁矩、穿透性強、無破壞性，可分辨輕元素、同位素和近鄰元素。中子散射技術不僅可研究物質的晶體結構，還可給出物質磁結構的信息；不僅可探索物質靜態微觀結構，還可用于觀測物質動力學變化過程；不僅可完成特殊樣品環境下的實時原位實驗測量，還可嚴格驗證物理假設并建立新的理論模型。中子散射已廣泛地應用到物理、化學、材料、生物、地質、能源、醫療衛生和環境保護等眾多研究領域。中子散射技術的發展水平和應用程度已經成為衡量一個國家科技綜合實力的主要標志之一。

中國原子能科學研究院是我國最早開展中子散射技術應用的單位，早在上世紀50年代末就建成了我國第一個重水研究堆（HWRR），并建造出我國第一臺中子衍射譜儀。到上世紀80年代初，中國原子能科學研究院和中科院物理所合作，依托HWRR建成了擁有6臺中子散射譜儀的熱中子散射實驗室，在凝聚態物理、磁學和材料科學等方面做出一批創新性工作。但是后期由于國家投入較少和推廣不足,導致我國在該領域的發展相對落后。隨著國際中子科學研究裝置的迅猛發展以及國內需求的日漸增強，我國政府認識到發展中子散射技術的重要意義。目前，由中國原子能科學研究院建造功率達60MW的中國先進研究堆（CARR）已建成，中子散射設備已陸續對國內外用戶開放，這為我們迎頭趕上世界水平提供了新的契機。

一、項目概況

2009年，“中國先進研究堆中子束應用關鍵技術及若干科學問題”（項目編號：2010CB833100）獲得國家973計劃立項批復。項目由中國原子能科學研究院、北京大學、中科院物理所、山東大學和中國科學院大學共同承擔，中國原子能科學研究院陳東風研究員擔任首席科學家。項目的研究內容涵蓋物理、化學、材料和工程等領域，擬解決以下三方面的關鍵科學問題：（A）中子散射關鍵技術方法研究；（B）新型功能材料結構和性質關系的中子散射研究；（C）工程部件應力分布和中子成像的方法學研究。

二、主要成果

1　突破聚焦、單色和準直等多項中子散射關鍵技術

1)首次揭示了常規中子傳輸系統和聚焦中子傳輸系統中子空間分布不均勻的本質原因，并提出有效解決方案；首次建立描述經傳輸系統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的優化設計和應用提供了重要的理論依據。

2) 國內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直器，為提高中子散射譜儀的強度和分辨提供必要保證。

3）國內首次成功研制中子散射專用高溫樣品環境裝置，經測試其最高溫度可達1600℃，達到國際同類設備的性能水平。國內首次自主研發了專用于工業部件殘余應力測試的原位高溫以及放射性樣品加載技術方法。

4）國際首次使用納米氮化硼成功制備熱中子閃爍體轉換屏，研究了納米級中子吸收材料的顆粒度對發光強度的影響，研制的新型B基熱中子屏的性能已接近商業化⁶LiF屏的性能。

5)中子成像方法方面，在國際上首次系統地進行了編碼源中子成像研究，并在國際上首先實現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，并成功進行了重建，這為將來中子CT重建質量的進一步提高打下了基礎。

2　建立了先進的中子束無損檢測技術體系

1)針對常見工業部件，成功研制了中子殘余應力譜儀，建立并完善了中子殘余應力和織構測試分析方法;開展了石油傳輸管道異種鋼焊接部位深層應力分布研究，填補了深層三維無損應力的空白數據，驗證了理論模型的優劣，為焊接管道的質量、安全、壽命評估提供必不可少的技術支撐。

2)基于國內首臺中子織構測試實驗平臺，建立鋯合金材料中子衍射織構測量的實驗方法和數據分析方法,在國際上首次開展沿包殼材料徑向測量的織構梯度研究，揭示鋯合金包殼管的織構演化機理。

3)發展了放射性核燃料元件中子成像無損定量檢測技術，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量方法研究，將為保障反應堆安全運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）在國內首次研制快速中子照相成像系統，成功開展動態兩相流空隙率的測試與分析，為建立精確預測流型現象提供依據；成功開展燃料電池及鋰離子電池的動態成像，為先進能源電池的改進和發展提供指導。

3　建立起先進功能材料的中子散射研究方法

1)在鐵基超導方面，發現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象屬于一級相變，表明最佳摻雜附近不存在量子臨界點。利用中子散射在鐵基超導體FeSe_xTe_1-x中首次觀察到沙漏型激發譜，為理解該體系復雜的自旋漲落現象提供支持。

2)鋰離子電池材料方面，研發了一種含氮元素摻雜碳包覆Li₄Ti₅O₁₂負極材料的技術，改性后的材料顯示了突出的循環性與倍率特性；發現Li₂MnO₃電化學脫鋰后，鋰離子從Li層和過渡金屬層同時非均勻脫出。

3）確定了水熱法合成的KBe₂BO₃F₂(目前唯一在深紫外區有應用價值的晶體)的組份和結構，成功解釋了水熱法獲得的大晶體性能差的本質原因，從而為進一步研究指明了方向。

4)重新確定了BiFeO₃的晶體結構及磁結構，解決了一直以來BiFeO₃的晶體結構與磁結構之間存在的矛盾，也解決了BiFeO₃的晶體結構與穆斯堡爾譜數據和固體核磁數據之間存在的分歧。

5)在復合氧化合物及硼酸鹽體系得到了6種類型40多個新化合物；解析了這些化合物的結構，分析了其性質。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的技術和方法

1)成功獲得實現高性能的物理機制，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到43MGOe和22MGOe，為國際領先水平。

2)首次提出了實現織構型無稀土Mn基納米永磁材料的原理和方法，并獲得強的磁晶各向異性和反常矯頑力溫度系數的磁性材料，在280度的矯頑力達到2.6T，為該溫度材料的最高值。

3）發展了不依賴重稀土元素Dy而僅僅通過低熔點Pr-Cu合金擴散提高磁粉矯頑力及其溫度特性的方法，實現磁耦合強度的調控，大大提高各種Nd-Fe-B磁粉的矯頑力性能，節省Dy稀土資源。

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

項目執行期間，共發表論文共計309篇，其中SCI收錄252篇；申請專利54項，其中已授權發明專利26項；軟件著作權1項，編制中子照相國家標準2項。獲國家自然科學獎二等獎一項。本項目培養了一批具有高水平的中子散射用戶團隊，成長出一批國際知名專家。高性能中子源與高水平用戶隊伍的緊密結合，將推動我國中子散射研究的發展壯大，使我國中子散射研究在世界科技競爭中占有一席之地。

項目主持人簡介

陳東風，男，1968年生，研究員,博士生導師, CARR 中子散射工程項目負責人,中國原子能科學研究院核物理所所長, 中國物理學會中子散射專業委員會副主任委員，亞大區中子散射執行委員，國際中子輻射學會執行委員，中國無損檢測學會應力測試專業委員會常委，《原子能科學技術》編委。2000年開始負責中子散射工程譜儀的建設，目前負責工程總資產已達五億，工程項目進展順利。在工程建設過程中, 在國內外建立了廣泛的合作關系,針對工程未來應用的需要, 開展了多項基礎研究方面的工作。在國內外共發表文章和會議報告130余篇。