极化中子成像技术研究

The real-time monitoring of magnetic flux distribution/trapping/distortion inside bulk superconductors may provide an answer to many long-standing unsolved problems in the study of superconductors. This project focuses on developing a new technique, namely polarized neutron imaging, that can perform this task. We propose to study the methodology of polarized neutron imaging technique, at the first polarized neutron reflectometer instrument at China’s first pulsed neutron source. We will construct the prototype polarized neutron imaging instrument, with in-situ polarized 3He systems as neutron polarization analyzer and the novel self-designed neutron polarization nutator. To complete the methodology study, studies on the Meissner effect and magnetic flux trapping will be carried out on superconducting Pb and YBCO samples. The goal of this project is not only to realize the first prototype of polarized neutron imaging instrument in China, but also provide a clear path to the future construction of user-based high flux polarized neutron imaging instrument.

实时观测超导体的磁通分布是促进该领域发展的前沿研究内容，本项目着重于极化中子成像这一新兴技术，基于在线3He极化中子系统，着重极化中子成像方法的研究，在我国首台脉冲源中子多功能反射谱仪已有的极化条件基础上，采用国际最先进的在线极化3He作为极化中子分析器，和自主设计的新型磁场旋转器搭建国内首个极化中子成像设备原型，开展超导体的迈斯纳效应和磁场捕获进行研究。为我国超导技术的发展提供新兴的研究技术手段。通过本项目，不仅在国内实现首个极化中子成像原型设备，也为将来建设高通量极化中子成像谱仪提供方法学基础。

极化中子成像技术是近十几年新出现的中子实验技术，通过极化的中子束流对材料内部的磁场进行成像。这一探测手段的穿透力强，且不对样品的磁性造成影响，因此非常适合开展原位条件的研究。这一技术观测的超导体内部磁感线、或电动机内部磁场都是相应研究所匮乏的实验数据，因此被认为有良好的应用前景。.本项目研究极化中子成像技术，在我国首台脉冲中子源上建设极化中子成像设备原型，并依据所建设的原型设备开展极化中子成像实验研究，实时观测超导体内部的磁场分布。研究主要分为三个方面，首先是极化中子成像相关硬件设备的研发与适配，然后是开展极化中子成像测量，最后是针对成像数据的数据分析和磁场重塑。.至项目结题时，我们完成了国内首个极化中子成像实验测量，采用国际最先进的在线极化氦三中子自旋国旅装置作为中子极化分析器，飞行时间中子相机作为探测器，建立了飞行时间中子的成像实验数据与有限元磁场模拟的对比研究方法。.通过项目进行的实验测量，我们获取了一组螺线管内部磁场的中子实验数据，这一数据同时具有中子的能量，空间位置与极化信息，从而为样品磁场的重塑提供了可能。与目前国际上绝大多数的极化中子成像技术相比，研究所获取的数据不局限于单波长中子，而是以飞行时间中子为基础，为进一步通过多波长分析增强磁场反演计算奠定了基础。.本项目研究，建立了国内首个极化中子成像实验平台，完成了我国在此项技术上从无到有的突破。同时研究采用了目前国际同类型研究中最先进的飞行时间中子，通过实验结果验证了极化中子成像技术空间、波长与极化率三重分析的可行性，为这一领域的方法学研究做出了贡献。