【基金标书】2010CB833100-中国先进研究堆中子束应用关键技术及若干科学问题

项目名称： 中国先进研究堆中子束应用关键技术及若干科学问题首席科学家： 陈东风 中国原子能科学研究院起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部门： 中国核工业集团公司一、研究内容研究内容分为平台建设和应用基础研究两个方面。其中平台建设包括：反应堆中子束优化及特殊样品环境研究、中子应力三维无损深度测量技术研究、中子在物质中的衰减与中子成像研究三个部分。应用基础研究包括：单晶和多晶新材料的中子衍射研究、磁性材料的中子散射研究、强关 联体系中原子与自旋动态的中子散射研究三个部分。平台建设为应用基础提供条件，而应用基础研究将验证平台建设的成效，并推动平台建设的进一步发展。二者相辅相成，相互促 进。平台建设：反应堆中子束优化及特殊样品环境研究。在反应堆功率不改变的前提下，自主研发中子光学关键部件，以进一步提高中子散射谱仪的效率，建立国内第一个中子光学组件的研发平台。在 CARR 中子散射谱仪已有或在建的压力或温度等单一可调参数样品环境的基础上，重点研发压力、温度、湿度、化学环境等参数之同时可调的多可调参数集成样品环境。并运用所研制的集成样品环境，对储氢、负热膨胀等材料在不同温度、压力和化学环境下的结构进行实时原位表征。针对CARR 等高粒子通量研究平台所必然面 对的大量数据 处理问题，研究智能化自动化的数据采集及分析方法，并开发相应的软、硬件系统，以期使数据 处理过程对使用者经验的强依赖性得到根本性的改变。针对以纳米晶材料为代表的非随机缺陷材料的结构表征，基于所提出的“梯度对称性 ”概念，通过理论结构模型与中子衍射实验数据的相互验证和补充，开展以纳米晶材料为典型代表的非随机缺陷材料的晶体结构分析系统的理论与实验研究。中子应力三维无损深度测量技术研究。解决材料科学与工程实践中的应力分布测试的关键技术问题，为工程材料的设计提供中子束测量实验数据。利用中子应力测量技术，建立三维无损深度的原位测量环境和方法。通过应力分析，改进航天、航空、核工业关键工程部件的焊接、喷丸、滚压等加工工艺，解决部件质量、安全和寿命问题。主要内容有研究中子应力三维无损深度测量技术及有限元模拟方法；研究材料内部宏观、微观应力与工程部件使用过程中材料损伤的相关联性，准确预估服役安全及使用寿命；通过快中子增殖堆包壳材料、堆芯材料和蒸气发生器传热管材料的应力分析，直接服务于核电工业等领域的材料设计，为材料的设计、加工和处理工艺提供指导；建立中子残余应力谱仪拉伸、压缩和控温等测量环境；完善有效的测量数据的分析处理方法。中子在物质中的衰减与中子成像研究。通过适当的研究手段和对象，在方法学方面进行新的创新和探索。主要内容包括：1）核反应堆燃料元件的中子成像检测方法研究。由于使用过的核燃料棒含有锕系元素等裂变产物，有放射性，需 发展辐射环境下有效可靠的中子成像方法。利用典型试样建立检测核燃料元件结构的完整性与缺陷、燃料颗 粒的分布、是否存在有害的中子吸收剂、 热堆锆合金包壳表面的氢分布及浓度、快堆不锈钢包壳与水冷管的缺陷和腐蚀情况等的实验方法， 为核燃料元件的检测打下基础。 2）快速实时 成像技术与两相流的中子成像研究。借助于快速实时中子成像技术可实现两相流流形的可视化，并可测量其空洞比例、相间相对速度、界面浓度、连续相的速度 场和湍流强度等关键参数。本研究将发展每秒 1000 帧级的快速实时成像技术，研究降低辐射噪声、统计涨落噪声、读出噪声和像增强 器噪声的方法，并建立两相流实验装置，研究两相流参数的定量测量方法，开展典型两相流的实验研究。3）先进材料中子成像无损检测的原理和方法研究。先进 材料指在航天、航空、核工 业及先进制造业中使用的新型复合材料、结构材料、含能材料等，中子成像可用于检测储氢材料中氢的分布、飞机 发动机叶片冷却通道内的铸造型芯残留、机翼蜂巢结构的缺陷及腐蚀情况、用于核废料处理的硼合金不锈钢的缺陷等等。本研究将探索典型材料中孔隙、裂缝、夹层、脱胶、含氢、密度不均匀等各种缺陷的成像 规律，提高缺陷的探测灵敏度和判定能力。4）非平行束情况下进行中子断层成像图像重建的理论、方法与技术研究。目前国际上的中子断层成像一般采用成熟的平行束算法，但在有些实际情况下中子束在穿透样品的过程中对于理想平行束会有一定偏离，从而引起图像重建的质量下降。本项 目将对非平行束情况下中子断层成像图像重建进行研究，以提高中子断层成像的图像质量。 5）利用编码 中子源进行中子相衬成像的研究。中子相衬成像具有边缘增强效应，但通常采用的针孔法中子相衬成像的成像效果受到中子注量率过低的限制。编码中子源由按一定规则排列的大量针孔组成，可大大提高可用的中子注量率。将编码中子源用于中子相衬成像是我们在国际上首次提出的设想，为此需研究相应的理论、方法与技术，并将其付 诸实施。应用基础研究：单晶和多晶新材料的中子衍射研究。在单晶材料方面：1）首先选择重要的非线性光学晶体铌酸锂（LN）单晶开展研究，控制不同的配料和条件生长一系列LN 晶体。2）利用中子衍射/漫散射研究铌酸锂晶体的缺陷结构，根据氧空位、铌空位、钛铁矿结构和锂空位等理论模型拟合实验结果，并根据实验数据和拟合情况，确定缺陷模型与晶体生长条件、 组成及性能的关系，优化非化学计量比铌酸锂晶体的生长条件，为制备均一的高性能非线性（NLO ）光学晶体提出最佳方案。3）针对本项目中其他研究组发现的有价值体系开展单晶生长工作，根据已建立的分析方法和路线，研究结构与性能的关系。在多晶体系方面：1）新型化合物的合成：(a) 各种复合氧化物，如 An+1MnnO3n+3(Ca2O)，Ban+1ConO3n+3(Co8O8)等钙钛矿衍生结构化合物，Bi(Ti 1-xMx)O3 等钙钛矿结构化合物；(b) 新型硼酸盐，如稀土 /铋/碱土硼酸盐及复合物、微孔 结构的硼酸盐（基于 PKU-n, n=1-8 系列）；(c) 非公度相，如 NCL 相，In 6Ti6CaO22, In6Ti6MO22 (M=K,Y 等)。2）晶体结构的分析: 对于新合成的化合物，首先通过 X-射线衍射等方法确定晶体 结构，如空间群、晶胞参数、重原子的原子坐标等。在此基础上，收集中子衍射数据，利用 Rietveld 精修和 Fourier 分析确定所有元素的准确位置和占有率，解 释结构的特点。特别是针对非公度相，研究结构中元素价态变化、空位等分布特征，揭示非公度 结构的成因。3）结构和性能的关系：对于含有过渡金属离子的体系，测试电、磁性能； 选取有特定磁性能的体系，与课题 4 的人员合作开展磁结构的研究，特别是关注二维层状结构的磁有序问题；对于一些显示出独特结构或性质的材料开展单晶的生长工作，与课题 2 的研究人员合作利用单晶深入研究材料的微结构和结构动力学性质，研究电子自旋与性能关联的深层次问题。 对于非公度相，探讨非公度结构与性质变化的关系。磁性材料的中子散射研究。结合温度、 压力、磁场等特殊 样品环境，开展磁性材料的原位中子散射研究，与课题 3 的研究人员合作, 获得材料的晶体结构、磁结构，相组成与材料的特性的关系和规律， 进而设计和开发新型磁性材料。以永磁材料和磁交叉效应材料等磁性功能材料为研究对象，内容包括：1）利用中子衍射和磁性测量等研究永磁材料 R(Mn/Fe、X)n (n=7-13，X 为一元或二元稳定元素如 Ti、V、Cu、Si、Al、Nb、B、C 等)的磁化强度、磁有序和磁各向异性与磁 结构和相组成的关系，探索建立提高材料的永磁性能的微观和宏观调控的模型和理论，寻找具有优异性能的永磁新相。2）研究不同温度和磁场条件下具有多种磁、电效应的 R5(Si1-xGex)4 和 R1-x(Sr,Ba,Ca)xMnO3 等材料的微观晶体结构、磁结构、磁致伸缩效应、巨磁热效应、巨磁阻效 应及其变化规律。在晶体 结构和磁结构研究基础上，结合磁相图定量分析各种相互作用和磁化机制及其变化规律，分析磁结构与各效应之间的内在联系，探索提高材料性能的途径，寻找有实际应用价值的磁性功能材料。3）研究特殊环境(温度、 压力、磁场、电场等)下，上述材料的物理和化学特性与其晶体结构、磁结构、相 组成和电子结构的关系。重点研究磁相变化处输运、热学、力学等性能异常与磁结构的关系，获得多种磁效应之间的相互关联性，发现影响材料性能的关键机理，从而 为认识和解决材料应用的关键技术提供基本的理论指导。强关联体系中原子与自旋动态的中子散射研究。深入探求强关联体系中电子电荷、轨 道、自旋和晶格等自由度之 间的相互作用，重在系统观察和理解新现象，推动建立新手段和新理论，并预言可能的新发展和新应用。利用中子散射对原子核和自旋敏感的特点，辅助以样品环境（包括温度、磁场和电场、 压力等）变化与控制手段，系统测量高温超 导、多 铁性、离子 导电等典型材料体系中声子（反映原子间相互作用）、自旋波和自旋涨落（反映自旋间的相互作用），结合理论分析, 集中探讨强关联体系中原子和自旋微观运动与奇异量子现象之间的关系。研究对象主要包括新型铁基高温超导材料 LnFeAs(O,F)和（ Ba, K）Fe2As2、多 铁材料（Lu,A）Fe2O4 和 Cd(Cr,M)2S4、锂离子电池材料 LiFe1-xMxPO4 及其他相关材料。利用固相反应、溶胶凝胶等方法制备单相多晶样品，使用助熔剂法、浮 驱法生长有代表性的典型样品的单晶，并利用化学分析、磁性电 性测量、中子衍射等多种手段，确定样品质量和基本物性；测量典型单晶样品中的声子、自旋波和自旋涨落。建立铁基超导体中自旋涨落与超导临界温度的关系，以及多铁材料中声子色散劈裂和软化与磁电耦合的关系。二、预期目标本项目的总体目标： 本项目围绕 CARR 中子束平台，充分利用即将开放的首批 5 台中子散射谱仪，将实验 方法学与科学问题 相结合，力争取得一批高水平的研究成果。 依托于即将建成的 CARR 堆，大力发展亟需的中子散射实验方法和理论分析手段，为材料的发展提供完善的中子散射研究平台，利用 5 到 10 年的时间，使我国在凝聚态物理和材料领域的中子散射研究达到国际先进水平。近 5 年的主要突破方向有中子散射实验方法关键技术和理论研究，凝聚态物理若干前沿基础问题的中子散射研究，新材料研制的中子衍射应用基础研究，中子磁散射与新型磁性材料研究，力争在这些方向上取得一定质量和数量的高水平创新性成果。在能源材料和工业应用基础等领域，在国 际上已经成熟的中子应力和成像实验技术和方法的基础上进行开拓创新，形成具有我们自己特色的相对完备的中子无损探伤技术体系， 为我国核能的快速及可持续发展、先 进材料的开发及相关的基础研究领域工作提供直观、可靠、无法替代的先进研究手段。五年预期目标: 充分利用中国原子能科学研究院中子科学平台开展实验研究，发展新的理论和实验手段，取得高水平研究成果，进入国际主流 竞争行列。 预期重点目标是：1方法学方面：建立国内第一个中子光学组件的研发平台。研发并为中子散射实验提供可同时调控多个参数的极端 实验环境；研发出一个智能化衍射实验数据采集及处理系统；创建世界第一个可靠的非随机缺陷材料晶体结构分析系统。2基础研究方面：逐步建立起一套完整的、适合研究强关联体系中原子和自旋动态的中子散射实验条件和 实验方法，并有代表性地探索 LnFeAs(O,F)和(Ba, K)Fe2As2、(Lu,A)Fe2O4 和 Cd(Cr,M)2S4、LiFe1-xMxPO4 等材料中声子、自旋波和自旋涨落的特征及其随化学成分和外界环境的演化规律，绘制完整的电-磁-结构相图，初步建立铁基超导材料中自旋 涨落与超导临界温度之间的关系，确定多铁性物质中自旋- 声子耦合在磁 电效 应中的作用和地位，以及化学成分和外界 环境对锂离子电池材料的锂离子通道的影响。 结合中子漫散射以及非线性晶体的生长和表征方法，确定非化学计 量比 铌酸锂晶体的正确缺陷模型，改进晶体生长技术及完善晶体性质，以提供性 质优 化的实际晶体材料；基于高分辨粉末衍射装置，完成永磁材料 R(T,X)n 、多磁交叉效 应材料 R5(Si1-xGex)4、R(Cu1-xGax)2 和 R1-x(Sr,Ba,Ca)xMnO3、 Sr1-xTbxTi1-xMnxO3 新型多铁材料及层状钙钛矿衍生结构、非公度相等系列的晶体结构、磁结构的中子散射实验测量，深入研究有序磁结构排布与磁相变、磁熵等基本科学问题， 为新材料的探索提供理论基础。研制出具有我国自主知识产权的磁性功能材料, 系统总结材料的结构与磁性的关系，获得新一代磁性材料开发的技术和方法。3工业应用的技术和方法方面：建立中子残余应力谱仪相关样品环境（原位拉伸与压缩）测量方法，完善残余 应力测量的功能及效率。通过对快堆堆芯材料各种应力的测量，直接服务 于工程材料 设计， 为进口材料国产化处理工艺的制定提供指导。掌握快速实时成像的中子成像与数据 处理技术。在利用编码中子源进行中子成像方面取得突破。发展非平行束情况下 进行中子断层成像图像重建的理论，建立相应的图像重建方法。实现强放射物体、两相流和先 进材料的中子成像，为我国制定相应的标准通 则 打下基础。4科研成果和学术地位方面：在国内外重要学术期刊发表科技论文 200 篇以上，在实验方法学和工程技 术应 用方面申请专利 30 项以上，显著提高科研成果的数量和质量，提高在国 际学 术界的地位和活跃程度。在若干方面取得具有国际影响力和竞争力的成果，提升我国在中子散射 领域的国际地位。5队伍建设和人才培养方面：在已有全国性骨干研究队伍基础上，提高队伍的学术水平，培养出几名杰出的 实验和理论专家，形成一支具有开拓创新精神、具有国际竞争力、能胜任国家重大科研任 务的中子散射研究团队。培养博士后 8-10 人，博士 20 余人。三、研究方案学术思路：依托 CARR 建立的粉末、单晶、三轴、 应力、成像等手段，根据我们已有的工作基础，开展中子光学关 键部件和特殊样品环境的实验方法研究，并寻找智能化和自动化中子衍射数据分析处理拟合的优化方案。通过新型高温超导、多铁性、二次电池的中子非弹性散射研究，揭示强关联体系中原子和自旋微观运动与强关联体系中奇异量子现象之间的关系; 研究非线性光学单晶制备过程中材料性能与缺陷的机制，寻找进一步改 进应用性能的途径, 为新型功能材料研发提供指导; 对储氢材料、 负热膨胀 材料、磁性材料进行晶体结构和磁结构的研究，寻求晶体结构与性能之间的密切联系。针对能源和材料领域关键工程部件，研究应力测量方法和中子成像机制。课题设置、技术途径及创新点与特色：1. 反应堆中子束优化及特殊样品环境研究 （经费比例：18%）1) 中子光学模拟与应用研究。自主研制聚焦中子单色器，通过单晶热压方法生产出一种具有各向异性嵌镶结构的锗晶体。这种锗晶体垂直聚焦中子单色器能提高样品处中子强度 45 倍，结合二维位置灵敏探测器的使用，将缩短实验测量时间高达数十倍。在 CARR 旁建立中子光学组件测试平台，开展单色器、准直器、超镜和极化器等新型中子光学组件的性能指标测试和在线调试工作。利用蒙特卡罗模拟方法预测和优化新型中子光学组件性能。关键内容是建立相应的模块，使 设计人员可以在 计算机上完成对整个谱仪的模拟，为将来发展中子光学组件提供新思路。2）特殊或极端环境下动态测量方法。根据 CARR 已有或在建的极端环境条件：温度、湿度、压力、 电/磁场及各种化学环境（氩气/ 氮气/ 氢气/氧气及相应等离子体）等，参考国际上大型 实验中心如 HFIR、SNS、ILL 等的极端环境参数，主攻集成多种中子散射实验条件的方法。为相关领域的科学家提供多参数可控的极端实验环境，也可提供随时监测化合物形成机理或自组装过程的实验条件。并在不同温度、压力和环境气氛特殊环境下，原位表征新型储氢材料、 负热膨胀材料及生物大分子等系列样品的结构。3）大量数据采集及处理的先进方法。运用人工智能原理，在现有结构分析系统的基础上，研发出新的自 动化/智能化结构解析系 统。首先实现同系列实验数据采集和精修的自动化以及结果发表自动化；然后实现实验控制的远程化/网络化，进而运用人工智能原理，实现 初始模型产生自动化，最终研发出一套大量数据采集及处理的先进方法。4）非随机缺陷材料晶体结构分析系统。从纳米晶材料晶体结构分析的基本理论入手，根据所创立的纳 米晶材料的“梯度对称性 ”，即纳米晶体在其近表面附近的一个渐变区域内逐步失去部分或全部结构对称性的机理，构建纳米晶材料结构分析的方法及应用系统。通过用所建系统对不同非随机缺陷材料的晶体结构进行分析，不断改进并最 终建成可靠的非随机缺陷材料晶体结构分析系统。2. 强关联体系中原子与自旋动态的中子散射研究（经费比例：16%）1 多晶样品制备及单晶生长。固相反应法合成多晶材料LnFeAs(O,F) 及(Ba,K)Fe2As2、(Lu,A)Fe2O4和Cd(Cr,M) 2S4；溶胶凝胶法合成(LiFe 1-xMxPO4)多晶纳米固溶体材料。利用X射线 衍射鉴定相组成、确定基本晶体结构参数。采用助熔剂法生长LnFeAs(O,F)及(Ba, K)Fe2As2单晶，浮 驱法生长(Lu,A)Fe 2O4，化学传递反应生长Cd(Cr,M) 2S4。X射 线Laue衍射判定单晶质量与单晶取向。2 基本物性与结构测定。利用X射线衍射鉴定物相组成和基本晶体结构参数，利用多种磁性、电性测量工具，如超 导量子干涉 仪（SQUID）、多功能磁性测量系统、 电磁耦合测量装置等，确定超导、磁有序、铁电等序参量的相变温度，磁化/ 电极化强度，电阻，介电常数等。与课题3、 4紧密合作，利用高分辨中子衍射采集在不同温度、压力和电磁 场等外界环境下的材料的粉末衍射数据，确定材料的晶体结构和自旋结构，使用最大熵方法获得Li（Fe 1-xMxPO4)实空间原子密度分布，确定不同掺杂成分对锂离子的运动通道的影响。3 声子色散测量。有选择地测量LnFeAs(O,F)、（ Ba, K）Fe2As2、(Lu,A)Fe2O4和Cd(Cr,M) 2S4的高质量单晶样品中声子色散曲线。重点测量LnFeAs(O,F)、（Ba, K）Fe2As2的超导转变温度上下声子色散的变化，以及(Lu,A)Fe 2O4和Cd(Cr,M) 2S4的磁有序温度附近声子色散曲线是否出现劈裂和软化现象。4自旋波和自旋涨落测量。有选择地测量LnFeAs(O,F) 、（Ba, K）Fe2As2、(Lu,A）Fe2O4和Cd(Cr,M) 2S4的高质量单晶样 品中自旋波或自旋涨落。重点测量LnFeAs(O,F)、（Ba, K）Fe2As2超导体系的自旋涨落在动量空间的位置以及共振峰能量，探索其与超导临界温度的关系。3. 单晶和多晶新材料的中子衍射研究 （经费比例：21%）1) 结合中子漫散射研究铌酸锂、RFe 2O4、Bi(Ti1-xTMx)O3 晶体：（1）采用多种合成技术手段实现各类组分结构的铌酸锂，RFe 2O4、Bi(Ti1-xTMx)O3 晶体的生长，应用中子散射确定晶体的缺陷，无序，原子空间不对 称性分布，确定各种生 长条件对晶体结构的影响关系；（2）建立相应的晶体结构和性能测试方法和设备，关联不同组分晶体结构与性能之间的关系，发展相应的理论模型；（3）挑选性能相对优异的晶体材料，进行合成条件的再优化和相应性质的测试，确立与性能对应的理论结构模型。2）新型多晶材料的合成与结构研究：根据我们在固体合成方面的工作基础，采用固相反应、溶胶- 凝胶、硼酸熔体、水热等合成手段，利用相图和结构化学的原理、采用固溶体结构调控等方法，对研究内容中提到的化合物体系进行设计，开展合成工作；利用 X-射线衍射进行样品的物相分析，寻找新化合物并解析结构；对于新结构的物相，利用中子高分辨粉末衍射仪，确认并完善结构；针对有一定磁电性质的体系，开展磁有序 结构的研究。根据磁性质随温度的变化情况，确定中子衍射的温度范围，观察磁有序而导致的新的衍射峰和原有衍射峰强度的变化情况，与课题 2 和 4 的人 员合作，解析磁 结构、电 子结构特征。综合晶体结构和磁结构数据与材料的物理化学性质特别是磁性质，理解二者之间的关系，为新型功能材料的设计合成提供指导。4磁性材料的中子散射研究 （经费比例：15%）1）材料制备：采用熔炼、快淬和烧结等方法制备 R(T,X)n、R5(Si1-xGex)4、R(Cu1-xGax)2 和 R1-x(Sr,Ba)xMnO3 系列化合物，探索合适的配分和热处理工艺。与课题 3 的研究人员合作， 获得材料的晶体结构，同时开展原位中子散射研究，研究不同尺度下平衡态和非平衡态的相关系，成相规律和稳定性, 探索合成新型磁性相的制备工艺和方法。2）物理特性研究：通过物性测量等手段获得的材料的磁学、输运、力学和热学等性能；结合带有磁场和高低温装置的中子测量样品的磁结构，计算出交换常数、晶场参数、磁相图等定量分析所必须的参数，并结合性能进行理论分析，寻找具有优异磁性能的样品。3）机理研究与材料的优化设计：根据实验结果并与第一原理理论计算相结合，重点研究稀土类化合物的晶体结构、磁结构、 电子结 构和晶场效应，探索其中的f 电子和 d 电 子的自身特性、相互作用及其与磁学、力学、光学 和输运特性的关系，建立获得优异磁学和输运等特性的理论模型。与课题 3 的人员合作研究磁相变、相分离和自旋玻璃现象等的动态过程和起源，并利用其规律来控制材料的结构和性能。通过元素替代和间 隙原子效应控制材料的结构，改变材料的电子结构，调控磁结构和磁相互作用，开辟材料创新的途径。5中子应力三维无损深度测量技术研究 （经费比例：15%）1）中子应力三维无损深度测量技术及有限元模拟方法研究。无论是残余应力还是承受载荷下材料的内应力，宏观、微 观应力场都同时存在并交互作用，利用中子衍射方法实现各种类型应力的三维无损深度测量。系统测量材料第一、第二与第三类应力，并辅以综合微观力学模型的宏观有限元分析方法，掌握准确、全面测量材料内部各种应力分布及其演化的规律。材料载体：航空与航天中广泛使用的 Ti、Al 合金及 Ni 基高温合金；广泛应用于各领域的不锈钢材料等。2）研究材料内部宏观、微观应力与工程部件使用过程中材料损伤的相关联性，准确预估服役安全及使用寿命。材料的宏观应力、相间应力与晶粒取向相关应力是交互起作用的，各种复合材料（包括双相材料）相间应力往往是导致材料使用过程中主要的损伤机制。目前的微观力学模型包括有限元方法与自相适方法给出的相间应力分布可以相差 200-300MPa。利用中子残余应力谱仪测量环境及相应的（拉伸、压缩和控温等）附属设备，建立有效的数据分析处理方法。通 过中子衍射应力原位测量技术验证微观力学模型、并准确给出微观力学模型所需所有材料参数，准确预估材料服役安全及使用寿命。材料载体：航空与航天中广泛使用的 Al 基复合材料；广泛应用于各领域的双相合金等。3）通过材料各种应力（宏观与相间应力）的测量直接服务于材料设计，为材料处理工艺的制定提供指导。 快堆包壳材料、堆芯材料和蒸汽发生器传热管等的性能决定了堆的安全性和经济性，如何提高材料的安全性并降低造价是快堆实现进口材料国产化的关键问题。利用中子应力谱仪成功测量材料应力及其演化规律，准确了解材料经不同加工工艺后内部的应力分布情况并加以改进，可以显著改善材料的抗应力腐蚀、抗辐照肿胀特性，增加材料的高温强度并改善与冷却剂钠等的相容性，为材料处理工艺的制定提供有益的指导。材料载体包括：快堆中主要使用的奥氏体不锈钢、铬-钼钢材料等。6中子在物质中的衰减与中子成像研究 （经费比例：15%）1）发展成熟的放射物体的中子成像方法，为核反应堆燃料元件的检测打下基础。在辐 射环境下不可能使用 CCD 相机等目前普遍使用的成像技术，为发展辐射环境下有效可靠的中子成像方法，须研究利用 In 屏或 Dy 屏与 IP 板配合进行图像转移的技术，提高其反差灵敏度，探索在 辐射环 境下提高图像信噪比、改 进空间分辨率的途径。同时要建立理 论模型，改 进图像 处理技术， 发展关键参数的定量测量方法。实验研究首先使用典型 样品建立方法为实际核燃料元件的检测打下基础。2）发展快速中子实时成像技术，建立典型的两相流中子成像实验装置。通过采用图像增强技术、高速相机、高性能 计算机、改 进 数据处理手段、降低噪声等建立速度达到每秒 1000 帧的中子实时成像技术。快速中子实时成像的单帧曝光时间短、 单像素上的中子统计涨 落大、无法在完全相同的情况下重复成像，故 为获得质量较好的图像，需要 针对不同的噪声来源开发适合的降噪技术。通过建立典型的两相流中子成像实验装置，研究两相流流 场示踪技术和参数的定量测量方法，探索用中子成像研究两相流流体动力学的方法。3）发展先进材料的中子成像无损检测的方法与技术。通过中子成像适用性的研究，得到不同材料样品的孔隙、裂 纹、分层等缺陷的成像 规律和实际检出能力。完善中子转换屏和成像光学系统，改进中子成像的空间分辨率和反差灵敏度，提高中子成像对先进材料缺陷的探测灵敏度和判定能力。4）发展非平行束中子断层成像的方法与技术。建立连续能谱中子穿透物质衰减的物理数学模型，通过计 算机模拟和实验的方法，掌握非平行束连续能谱中子穿透物质衰减的规律，针对 束流分布情况得出点扩散函数，在此基础上建立相应的非平行束中子断层成像的图像重建方法，并开发实用的计算机软件。目前国际上的中子断层成像一般都是针对平行束的前提进行图像重建，在非平行束的情况下尚无成熟的理论和方法，故本研究具有很 强的创新性。5）发展利用编码中子源进行中子相衬成像的理论、方法与技术。拟采用改进的均匀冗余阵列编码源进行中子相衬成像，以获得较高的注量率提升和无噪声的图像重建。通过计算机模 拟和实验的方法，探索 该编码源的景深及评价编码孔自准直、散射本底、编码板半透明等主要干扰源。在此基础上开发图像重建算法并编制实用软件；并建立样品定位、探测器匹配等调试方法。编码光阑技术已用于 X 射线成像，但将其用于中子成像在国际上也是 刚开始进行探索。本项目拟利用编码光阑技术构建编码中子源，并探索将其用于中子相衬成像的途径与方法，这在国际上还是首次提出。可行性分析：（1）理论研究和实验技术方面：中子散射技术在材料科学与工程领域中的理论在上个世纪 60-70 年代得到发展，到 90 年代已经趋于成熟。中子散射实验技术在上个世纪 90 年代经过一个快速发展时期。在本世纪初，随着反应堆和脉冲源上中子散射设备的不断完善，中子散射理论研究和实验技术在材料科学和工程领域的应用将更加广泛，将在解决已有的科学技术问题基础上不断发现新的科学问题。（2）研究方向和研究队伍方面：本项目所建议课题研究方向均为国际上材料科学和工程技术领域的热点问题，利用先进的实验表征技术来解决这些关键问题，取得重大突破是毋庸质疑的。本项目的多数课题负责人及学术骨干有在国外学习或工作的经验，具有较好的实验和理论基础，已在相关研究领域做出不少具有原创性的科研成果。（3）装备支撑和条件保障方面：本项目依托于中国原子能科学研究院，目前中国原子能科学研究院正在建造一座 60MW 的高通量先进研究堆 (CARR)，预计在2009 年完成。在堆旁建有一批中子散射设备和现代化的用户综合楼，为本项目的工作提供坚实的实验条件保障。四、年度计划年度研究内容 预期目标第一年1、基于蒙特卡罗计算方法，建立中子光学组件性能模拟平台;并开展中子单色器及准直器性能的设计和优化；调研、设计中子粉末衍射谱仪用高温炉及样品室；合成新型储氢材料及负热膨胀材料；开展衍射数据采集自动化及纳米晶材料表面附近的晶体结构模型。2、合成高品质锂离子电池材料Li（Fe1-xMxPO4) 多晶样品，电子型多铁性材料(Lu,A)Fe 2O4 相关化合物多晶样品和铁基高温超导材料的多晶样品；对 Li（Fe1-xMxPO4)进行电化学性质及室温中子衍射实验研究，并对中子衍射数据的分析和最大熵方法分析；改造用于第一性原理计算的计算机，配置并设计适用于中子散射的铁电性质原位测量系统。1、完成中子单色器及准直器模拟优化；完成中子衍射高温炉及样品室的物理设计报告；合成储氢材料及负热膨胀材料，并完成相组成分析及晶体结构的初步测试；实现衍射数据采集自动化，并初步建立纳米晶材料表面附近的晶体结构模型。2、获取合成高质量的多晶材料的方法；完成 cluster 机器的改造；确定锂离子电池材料的结构特征；发表论文8 篇以上。年度研究内容 预期目标3、探索铌酸锂单晶的生长条件，合成并筛选硼酸盐、钙钛矿等新型多晶材料；利用 X 射线衍射研究单晶和多晶样品的晶体结构；测试单晶样品的非线性光学性能，以及多晶样品的电、磁性能，分析结构与性能的内在关联，并建立实验条件-结构-性能之间的初步关系。4、探索合适的制备工艺；采用熔炼、快淬和激光沉积等方法,制备高质量的单相和复相稳态和亚稳态磁性功能材料；利用中子衍射等多种研究手段研究部分具有代表性的磁性材料的结构及结构、成分和尺寸与磁性能的关系。5、调试中子残余应力谱仪；试制钢、铝等材料的标准样品；研究并改进不同试样的有限元分析方法；研制样品吊装设备，原位拉伸压缩装置；调研和设计样品疲劳加载设备和应3、获得成分均一的近化学计量比铌酸锂单晶；完成 3-5 种多晶体系的相关系分析；获得所测样品的原子坐标和占位数等晶体结构信息；发现 2-3种新结构或具有值得关注的电、磁性质的化合物，同时为制备适合中子衍射的单晶奠定基础；发表 SCI 论文 6-8 篇。4、制备出高质量的 R(Mn/Fe,X)n 型和 R5(Si1-xGex)4 型系列样品；获得部分上述材料的结构测量数据；得到材料结构与性能之间关系的初步结果；部分结果总结,文章撰写和投搞。5、完成中子应力谱仪初期调试；试制出各种材料的标准样品；建立可靠的有限元分析方法；完成样品吊装设备，原位拉伸压缩装置研制；完成样品疲劳加载设备和高温炉的初步设计报年度研究内容 预期目标力专用镜面高温炉。6、核燃料元件中子成像检测装置、快速实时中子成像装置以及新型热中子转换屏的调研与初步设计；含典型缺陷的先进材料样品的制备；非平行束连续能谱中子穿透物质衰减规律的研究；编码中子源成像方法的研究。告。6、完成核燃料元件中子成像检测装置和快速实时中子成像装置的初步设计；提出新型热中子转换屏的研制方案；获得含典型缺陷的先进材料的样品；总结非平行束中子对各种不同材料的衰减规律；给出编码源中子成像研究报告并编写基本的图像重建软件。第二年1、研制衍射用双聚焦锗单色器、中子准直器、样品室及高温炉；对样品特殊环境进行集成改造；储氢材料和负热膨胀材料的晶体结构研究及相关物理性能测试；已知结构样品大量数据自动化处理研究；进一步开展纳米晶材料表面附近的晶体结构模型建立工作，并开展纳米晶材料的“ 梯度对称性”的数学描述的研究。1、完成双聚焦锗单色器、中子准直器、样品室及高温炉部件的加工，并进行组装；完成特殊样品环境集成改造方案;分析储氢及负热膨胀材料的晶体结构；实现已知结构样品大量数据实现自动化处理；建立纳米晶材料表面附近的晶体结构模型，并提出纳米晶材料的“ 梯度对称性”的数学描述。2、确定锂离子的运动通道及外界环年度研究内容 预期目标2、Li（Fe1-xMxPO4)样品的变温中子衍射实验并开展该材料中离子电导与电子电导的理论分析；电子型多铁性材料(Lu,A)Fe 2O4 的基本物性 检测及中子衍射实验；合成弛豫型多铁材料 Cd(Cr,M)2S4 及相关材料的多晶样品；铁基高温超导材料的基本物性检测和中子衍射实验并开展典型的超导材料的单晶生长。3、利用 7Li 替代天然 锂，合成铌酸锂单晶；开展铌酸锂（ 7Li）的中子衍射测量；优化合成适于中子衍射测量的硼酸盐、钙钛矿等新型多晶样品并开展中子衍射测量和电学、磁学性能测试工作。4、继续进行材料结构和材料中相的研究；寻找最佳材料制备工艺，进行高质量的磁性材料样品的制备；研究材料内的缺陷、元素替代和材料成境对通道的影响；电子型多铁性材料(Lu,A)Fe2O4 的结构和磁结 构特征；铁基高温超导材料的结构和磁结构特征；获得适合中子散射实验的铁基高温超导材料单晶；发表论文 10 篇以上。3、获得铌酸锂（ 7Li）单晶样品及中子衍射数据分析结果；确定单晶中各原子的精确占位信息；制备出满足中子衍射的 2-3 种硼酸盐、 钙钛矿样品，获得其结构和性能信息，并初步分析结构与性能的内在关系；发表 SCI 论文 10 篇以上。4、探索出各种制备条件对材料结构的影响和规律；制备出大部分所需的磁性材料和磁交叉效应材料样品；获得大量的材料结构测量数据；得到材料的结构与磁性能的进一步结果；初年度研究内容 预期目标分对结构和磁相互作用等的影响和规律；研究材料的结构、成分和尺寸与磁性能的关系；开展理论计算,进行材料理论设计。5、设计与加工第一狭缝；研究获取无应力样品 d0值的方法，并测量各种样品 d0；制备 Ti、Al 合金及 Ni 基高温合金、铝基复合材料；研究样品在加载条件下应力分布及演化；探索不同材料疲劳过程与材料损伤机制的内在联系；研制出镜面高温炉装置。6、核燃料元件中子成像实验平台的研制；快速实时中子成像及两相流实验装置的调研与设计；新型热中子转换屏的研制；先进材料样品的中子成像适用性研究；非平行束中子断层成像的规律及图像重建方法的研究；均匀冗余阵列编码源的初步设计。步建立提高材料磁性能的模型和理论；部分结果总结,文章撰写和投搞。5、完成第一狭缝装置的加工；初步建立起材料的无应力晶面间距d 0的数据库；制备出Ti、Al合金等样品，给出相应的实验研究报告；研制完成高温炉等装置；完成阶段进展报告。6、初步建成核燃料元件中子成像实验平台；完成快速实时中子成像装置及两相流实验装置的设计；研制出新型热中子转换屏；给出中子对先进材料的成像规律和实际检出能力的研究报告；获得点扩散函数分布的相应数学模型，完成平行束中子断层成像图像重建算法的建立；给出编码源的初步设计。年度研究内容 预期目标第三年1、对双聚焦锗单色器、准直器及高温炉进行性能测试和改进; 开展温度与不同气氛（氩气、氦气、氧气等）的集成研究；探索储氢材料晶体结构与性能之间的关系及负热膨胀机理；开展未知结构样品衍射数据处理过程智能化及数据格式转换的自动化研究；纳米晶材料结构分析的方法研究。2、弛豫型多铁材料 Cd(Cr,M)2S4 及相关材料的基本物性检测及中子衍射实验；电子型多铁材料(Lu,A)Fe2O4 及弛豫型多铁材料 Cd(Cr,M)2S4样品单晶生 长；铁基超 导单晶中声子色散及自旋波的中子散射测量。3、利用中子衍射技术开展铌酸锂单晶的晶格缺陷研究；通过中子漫散射实验，进一步深入了解材料的缺陷1、获得可实用的单色器、准直器及高温炉；提供温度与不同气氛可调的新型集成样品极端环境的设计方案；完成新型储氢及负热膨胀材料的初步研究论文；初步完成未知结构样品衍射数据处理过程智能化报告，并获得数据格式转换的自动化软件；初步获得纳米晶材料结构分析方法。2、确定弛豫型多铁性材料 Cd(Cr,M)2S4 的结构和磁 结构特征以及 铁基高温超导材料母体的自旋波特征；获得适合中子散射实验的多铁材料单晶；发表论文 10 篇以上。3、以中子实验数据为基础，建立 铌酸锂单晶体的缺陷模型，分析其成因及对样品性能的影响；获得材料缺陷动力学数据，并与理论分析相结合，年度研究内容 预期目标动力学问题；开展硼酸盐、钙钛矿等多晶样品的结构和性能研究，同时展开各样品的磁结构研究。4、完成绝大部分样品的制备；继续进行材料结构及结构与磁性能关系的研究；寻找具有优异性能的永磁和磁交叉效应新相；研究磁有序和磁化强度与结构和相组成的关系；设计具有优异内禀性能的磁性材料，利用中子散射实验等手段研究其成相的可能性和稳定性。5、研究复合材料相间应力与晶粒取向导致材料损伤的微观机理；研究不同温度条件下样品内部残余应力的分布，分析温度对应力产生及发展的影响；建立线切割设备、自动研磨抛光机及金相分析仪器，完善材料加工与分析手段。为进一步工艺改进和性能优化提供指导，完善 X 射线- 中子结构分析的方法，获得样品晶体结构、磁结构和性能的详细数据，及其相互影响机制；发表 SCI 论文 10 篇以上。4、得到绝大部分的磁性材料和磁交叉效应材料样品；初步总结出材料的结构与磁性能之间关系的规律和机制；进一步完善提高材料的磁性能的微观和宏观调控的模型和理论；初步摸索出提高材料性能的途径和方向；探索出具有优异内禀性能的结构和新相；部分结果总结,文章撰写和投搞。5、掌握高温下精确测试方法，完成相关总结报告；给出温度与应力关系等相关研究报告；完善数据分析软件体系和材料加工与分析手段。年度研究内容 预期目标6、核燃料元件中子成像实验平台的调试与典型试样的研制；快速实时中子成像装置及两相流实验装置的研制；储氢材料在线中子照相装置的调研和初步设计；MCP 中子探 测器的实验研究；建立非平行束中子断层成像的图像重建算法，开发相应的计算机软件；对编码源进行物理设计和工程设计。6、建成核燃料元件中子成像实验平台；建成快速实时中子成像装置；初步建成两相流实验装置；完成储氢材料在线中子成像装置的初步设计；得到先进材料样品的中子成像适用性数据；使用 MCP 中子探测 器进一步提高中子成像的空间分辨率；完成非平行束中子断层成像的图像重建算法及相应计算机软件开发；完成编码源的工程设计。第四年1、设计和优化极化器等其它中子光学组件性能；对温度与不同气氛等极端样品环境的方案进行改进和优化；新型储氢及负热膨胀材料在特殊环境下结构与性能研究；继续对未知结构样品衍射数据处理过程开展智能化研究;数据采集及分析控制的远程化/网络化研究；进一步开展纳米晶材料结构分析的方法研究，并开展在其它非随机缺陷材料的晶体结构1、完成极化器性能的设计和优化；实现温度与不同气氛可调的样品环境；实现未知结构样品数据处理的自动化；完成纳米晶材料结构分析方法研究，并初步探索其他非随机缺陷材料晶体结构分析方法。年度研究内容 预期目标分析中的应用研究。2、铁基超导单晶中自旋涨落的中子散射测量；典型 (Lu,A)Fe2O4 和Cd(Cr,M)2S4单晶中声子色散和自旋波的中子散射测量；多铁材料中晶格与自旋相互作用的第一性原理理论分析。3、根据测量分析结果，再次优化铌酸锂单晶生长条件，使其成品率高，且材料性能优异，开展其相关材料的单晶生长工作；以前期研究为基础，深入开展新型化合物的合成工作。4、完成大部分材料结构及结构与磁性能的关系的研究；继续寻找具有优异性能的永磁和磁交叉效应新相；进一步探索获得巨磁效应的机理和方法；研究特殊环境下磁性功 能 材料的特性与其结构和相组成的关系；进一步研究材料中相的特性，制备具有2、初步确定铁基高温超导与自旋涨落的关系；确定两不同类型铁材料中声子和自旋波的特点以及原子间、自旋间相互作用强度；初步建立多铁材料中晶格与自旋相互作用特征；发表论文 10 篇以上。3、可控制备出品质优良的铌酸锂单晶及相关单晶 1-2 种， 筛选出 1-3 种新化合物；发表 SCI 论文 10 篇以上。4、基本总结出材料的结构与磁性能之间关系的规律和机制；获得完善的提高材料磁性能的微观和宏观调控的模型和理论；进一步摸索出提高材料性能的途径和方向；得到具有优异内禀性能的结构和新相及具有优异性能的磁交叉效应材料，发现影响材料性能的关键机理；总结工作,发表文年度研究内容 预期目标高矫顽力，高饱和磁化强度的永磁相。5、设计放射性样品测量安放装置；综合各种工况下不同材料内部的应力分布与演化规律；建立相应的力学模型，评估材料服役安全及使用寿命；进一步完善计算分析软件；制备快堆包壳材料和蒸汽发生器传热管等材料。6、核燃料元件中子成像的方法学研究；快速实时中子成像的实验研究与方法学研究；先进材料中子成像的方法学研究；两相流实验装置的调试；储氢材料在线中子成像装置的研制；非平行束中子断层成像的实验研究；进行编码源的实验测量，检验模拟结果及图像重建程序。章 10 篇以上。5、完成放射性样品测量安放装置的设计；完成评估材料性能的研究报告；完善数据分析软件；制得快堆包壳材料和蒸汽发生器传热管材料。6、完成核燃料元件典型试样的中子成像检测；测试快速实时中子成像装置的性能；建立先进材料的中子成像方法；建成两相流实验装置；完成储氢材料的在线中子装置的研制；完成非平行束中子断层成像；完成使用编码源的中子成像初步实验。年度研究内容 预期目标第五年1、在前四年工作经验的基础上， 对设计和优化中子光学组件性能的模拟平台进行改进;开展多参数可调的极端样品环境研究；进一步开展数据的采集及分析控制的远程化/网络化研究；进一步开展其它非随机缺陷材料的晶体结构分析中的应用研究；完成项目归档工作。2、原位测量外磁场对超导材料中自旋涨落的影响；原位测量外磁场、外电场对多铁材料晶体结构、磁结构、声子色散和自旋波的影响；利用第一性原理综合分析原子和自旋动态与物性的关系，并尝试合成新型多铁性材料；完成项目归档工作。3、完成样品的中子衍射、漫散射以及性能测量工作；总结所有样品的晶体结构、磁结构和性能分析结果；撰1、建设出中子光学组件设计平台；实现多参数可调的极端样品环境；获得一套智能化衍射实验数据采集及处理系统；得到一套可靠的非随机缺陷材料晶体结构分析系统；完成 01 课题的结题报告。2、确定铁基高温超导材料的完整相图；确定磁场、电场对多铁性材料的相互调控关系；揭示 d 电子的电荷、自旋和轨道及晶格等多重自由度之间的相互竞争与协作的关系；得到中新的具有多铁性能的化合物；发表论文 10 篇以上；完成 02 课题总结报告。3、获得全套中子测量和性能测试数据；掌握所研究样品的结构和性能的影响机制；指导进一步的材料设计；年度研究内容 预期目标写技术报告、样品制备的最终优化方案；完成项目归档工作。4、对得到的结果进行系统总结，改善材料磁性能和磁交叉效应的微观和宏观调控的模型和理论；探索新一代磁性材料和磁交叉效应材料开发的技术和方法；对具有开发价值的磁性材料和磁交叉效应材料进行初步的开发研究，为未来的进一步研究指明方向；完成项目归档工作。5、测量包壳材料和蒸汽发生器传热管材料的内部应力，分析应力分布与制备工艺参数的内在联系，为工艺改进提供理论参考；完成放射性样品测量安放装置，并调研放射性样品测试方案；综合实验结果与实际工况，为相应的快堆材料国产化提供有益指导；完成项目归档工作。6、完善放射性物体的中子成像方法提交总体技术报告一份，样品制备的优化方案一份；全面实现本项目研究的预期目标；发表 SCI 论文 10 篇以上；完成 03 课题总结报告。4、得到系统、完整的相关理论；获得新一代磁性材料和磁交叉效应材料开发的技术和方法；并开发出我国有自主知识产权的具有重要应用价值的新一代磁性材料和磁交叉效应材料；总结工作,撰写和申请专利,发表文章 10 篇以上；完成 04 课题结题报告。5、完成快堆相关材料的实验测量，给出分析结果；汇总实验结果，提供改进工艺的报告；完成放射性样品测量安放装置一套；给出相关测试方法调研报告；综合分析实验数据，为相应材料国产化提出指导；完成05课题结题报告。年度研究内容 预期目标学；研究两相流参数的定量测量方法，开展典型两相流的实验研究；开展储氢材料的在线中子成像研究；提高中子成像对先进材料缺陷的探测灵敏度；非平行束中子断层成像的研究与改进；对影响图像重建的因素进行实测，修正重建程序；完成项目归档工作。6、完善放射性物体的中子成像的方法，实现关键参数的定量测量；实现用中子成像方法研究两相流流体动力学的技术。实现储氢材料典型样品的在线中子成像；完善先进材料中子成像方法；完善非平行束中子断层成像的技术；获得较为成熟的使用编码源进行中子成像的图像重建程序；完成 06 课题结题报告。