物理雙月刊 [第43卷2期]:中子散射技術介紹 台灣在澳洲的中子散射儀

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其他題名:Physics bimonthly

作者:雜誌編輯團隊編

出版年:2021.04

出版社:台灣物理學會

出版地:臺北市

格式:PDF,JPG

附註:雙月刊


本期內容簡介
 
總編輯的話
 
中子是上世紀發現的亞原子粒子。1920年哈金斯(William Draper Harkins)預測中子的存在,並於1932年時被查德威克(James Chadwick)在實驗上證實。隨後中子相關的研究與技術發展便在核物理、材料科學、與生物醫學等面向上蓬勃發展。而其中的一種的科學應用,便是本期將介紹的主題—中子散射技術。
 
中子散射最初發展於二十世紀中葉(大約1945年前後),雖然經過了將近八十年的不斷改良,但時至今日仍然未見大規模的應用。其主要原因在於中子不帶電,所以無法以常見的電磁場操作,例如用來增加與減少中子的運動速度、或是將其束縛在空間中。也因為其電中性與體積僅為一般原子的十萬分之一,使得中子與物質的發生交互作用的機率極低,導致中子極易穿透物質而造成偵測與應用上的困難。因此目前對於中子操控只能藉由放置大量的原子於中子運動路徑中,使得路徑中的處於特定狀態的原子與入射中子發生交互作用後,來控制射出中子的動量、能量、與自旋方向等特性。再者,由於中子對物質的穿透力極高,因此如果欲透過上述的方法來收集具特定物理量的中子束,則需要大量的入射中子,方能在接收端得到足夠多的中子統計數量。通常能夠產生大量中子的設備來自於原子反應爐(nuclear reactor),如法國的ILL(Institute Laue-Langevin,勞厄-朗之萬研究所),其中子通量可達約1015n/cm2·s。然而近年來使用質子轟擊重元素的散裂中子源(Spallation Source)亦開始興起,有些設施已經可以達到甚至超過原子反應爐產生的中子通量。如位於英國的拉賽福-阿普頓(Rutherford Appleton Laboratory.)的ISIS中子和μ介子源(通量約1016n/cm2·s)。因此,世界各國也開始興建以散裂中子源為基礎的中子科學研究設施,如歐盟的歐洲散裂中子源(European Spallation Source,簡稱ESS)、美國橡樹嶺國家實驗室的SNS(Spallation Neutron Source)、日本J-Park(Japan Proton Accelerator Research Complex)、與位於中國廣東東莞的CSNS(China Spallation Neutron Source)。由於散裂中子源這種不用興建原子反應爐的技術除了具備非常高的中子通量外,亦可以減少許多輻射廢棄物與核子安全問題。因此使得許多國家紛紛開始重新評估是否需要更新或是擁有散裂中子源的相關技術。
 
台灣曾在2000年前後評估自行興建反應爐式中子源的計畫,稱之為「第二代台灣研究用反應爐」(Taiwan Research Reactor II,簡稱TRR-II)。但隨後因核能政策的改變在2002年中止了這項TRR-II的興建計畫。隨後的替代方案則是在2005年由當時的國科會與澳洲核子科學與技術組織(Australian Nuclear Science and Technology Organisation,簡稱ANSTO)簽定服務契約,委託中央大學在雪梨近郊的ANSTO OPAL(Open-pool Australian Lightwater reactor)原子反應爐興建台灣第一座冷中子三軸散射儀-SIKA(Spin-echo Inelastic K-space Analyzer)。總編輯有幸在澳洲參加了儀器的初期設計,後續的工作則由本期小角度一文之作者—吳浚銘博士接手完成。並於2015年下半年正式開放研究使用。目前的「台澳中子設施運轉維護」計畫由國家同步輻射研究中心負責。並藉由儀器使用時間的交換與「用戶培育計畫」,使得國內的科學家能夠使用ANSTO內除了SIKA以外的多種中子散射設施。
 
常見的中子散射技術包含了粉末與單晶繞射、小角度散射、非彈性散射、反射率實驗、殘餘應力測試、與中子照相術。可以分別用來量測材料科學中的晶體核/磁結構、分子構造、材料內部的動力學與激子激發、有機 /無機薄膜之厚度、粗糙度與磁性、材料所受應力與應變分布、與材料深度影像。由於中子是透過物質波的與材料之週期性結構發生作用,並僅與原子核或是未成對電子的磁矩產生交互作用。因此與X光純粹與材料中的電子發生電磁作用的機制不同。但由於本質上都屬於物理學中的波干涉。因此許多以X光為主的相關實驗技術都找的到類似的中子設備。但是也因為本質上的不同,所以X光跟中子亦各自具有獨特的實驗技巧。兩者可以說是彼此互補的光源類型。在2019年的物理雙月刊8月號曾詳細介紹過國家同步輻射研究中心的X光科技神燈。在本期則將介紹其轄下另一盞位於國外且較少人認識的中子透視神燈,請各位讀者來一起一窺中子散射技術之堂奧。

雜誌簡介
 
物理雙月刊的誕生
物理雙月刊前身為「中華民國物理學會通訊」,為提供本會會員彼此聯絡之用。後因會員深感國內尚缺乏一專門介紹物理發展及新知之刊物,乃於民國68年7月正式創刊,名為「物理季刊」,每三個月出刊一次,並請吳大猷先生特為本刊封面親筆提字。民國76年6月改名為「物理會刊」,每兩個月出刊一次。至民國82年再改名為現在的「物理雙月刊」。
 
物理雙月刊的定位
「物理雙月刊」定位為物理的科普雜誌,希望可以透過國內物理各領域專家 學者為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。「物理雙月刊」努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

  • 總編輯的話(p.3)
  • 好文推薦 地震破壞背後被忽略的機制(p.77)