冷中子

冷中子的德布羅意波波長比熱中子的長，如動能為0.1毫電子伏的冷中子，波長為2.9納米。散射特性適合於研究凝聚態物質的亞結構及激發，特別是高分子化合物和生物大分子。這種技術現已擴展到中子動能更低的範圍（10^－7電子伏以下），提供了超冷中子，可以製成中子並將中子儲存起來，為研究自由中子性質如中子β衰變、中子電荷和中子電偶極矩等提供有力工具，而這些研究在基礎物理學上有其重要性。 ^[1] 

冷中子是用温度作低能區中子能量範圍劃分的一種習慣説法。在媒質中，中子通過同原子核等粒子的碰撞，達到熱平衡時，其能譜服從温度接近於媒質温度的麥克斯韋分佈。因此，中子的能量也可以用温度來表示。如，室温（293.6K）熱中子的最可幾能量為0.0253eV。一般把能量低於 5×10^－3eV的中子叫做“冷中子”。中子譜低能端能量分佈可以用麥克斯韋分佈近似，能量E<<kT的中子份額只佔千分之幾（k為玻耳茲曼常數，T為絕對温度）。在一般的裂變反應堆中，冷中子佔的份額不超過2%。 ^[2] 

冷中子同其他微觀粒子一樣，具有波粒二象性。冷中子的波動性較顯著。當它由真空入射到介質平面時，就會產生折射和反射等現象。設

為此介質的中子折射係數，當中子入射角

時，就會發生全反射現象。

中子與物質作用時，存在一個散射勢：

式中

——中子的質量；

——普朗克常數；

——單位體積內的原子數；

——原子核的平均散射長度。

對於鐵磁材料，還要添一項

，

為中 子磁矩，

為磁感應強度。當中子自旋與

反平行時取“+”號，平行時取“—”號。 ^[3] 

1、強中子源

在常温減速劑的熱中子譜中，冷中子只佔2%。想做冷中子工作，必須有強中子源，反應堆可作為強中子源。例如，法國ILL堆的熱中子通量為1.2×10¹⁵中子/平方釐米·秒。中能質子加速器可作為強中子源，因為散裂反應的中子產額很高。

2、冷減速劑

採用冷減速劑可以增加冷中子的比例。冷減速劑應選擇散射截面大而吸收截面小的。其好壞用冷中子增益因子來表示。

3、轉換器

普通導管不能從堆中引出超冷中子，因為它會被管壁吸收及全反射。利用薄窗只能引出 較快的冷中子。為了彌補低能損失，在導管內先放置一個冷減速劑做的轉換器。冷卻轉換器可以提高超冷中子產額。

甲烷在強輻射下化學穩定性差，不能作為轉換器。在低功率堆上可用聚乙烯，在高通量堆上只能用氫化鋯（SM-2)。對於垂直或傾斜的導管，由於中子受重力減速，可以不用轉換器而只要一個薄窗就行了。

4、超冷中子的機械發生器

熱中子或冷中子束在一個轉動的反射鏡系統上接連反射可以減速到超冷中子能區。在“中子渦輪機”中，中子在運動着的切刀上全反射而被減速。速度可由50米/秒減到5米/秒，效率約為 50%。中子 在運動着的槳上全反射，從槳落到中樞，受向心力而減速。

另外，還有利用多普勒原理減速的。 ^[3] 

探測冷中子，特別是超冷中子，有下述特殊要求：

(1) 入口窗必須很薄，其材料應該是散射勢低且吸收截面小的；

(2) 利用中子核反應探測中子時，作用材料的數量應比熱中子探測器少。限制作用材料的厚度可以減少速度較快的中子所引起的本底；

(3) 選擇散射勢低的化合物作為冷中子探測器的作用物質；

(4) 超冷中子探測器要求靈敏面積大；

(5) 在強輻射場中具有特別高的穩定性及甄別本領。 ^[3] 

早在1947年，E.費米等就利用氧化鈹晶體過濾反應堆中子的方法來獲得冷中子。冷中子能量低，其波動特性比熱中子更明顯。 5×10^－3eV的中子德布羅意波波長約為0.4nm，10^－4eV的中子波長約為2.9nm，10^－7eV的中子波長約為90.4nm。冷中子的衍射特性用於線度同其波長相近的微觀和亞微觀結構研究上。例如冷中子小角散射可研究晶體缺陷和磁疇結構。除了凝聚態物理外，在化學和生物學上冷中子也是有用的工具。 ^[2] 

冷中子裝置大多建立在反應堆上。常常用一個放在反應堆活性區或反射層的“冷源”（充滿液氫的容器）來獲得較多的冷中子，然後用導管把它們從反應堆內引到較遠的地方進行實驗。冷中子波在一些媒質分界面上掠入射時具有全反射的特性，其臨界角同中子能量及媒質成分有關。因此可以用一種彎曲度不太大的管子（稱為中子導管）把它們傳輸到幾十米遠處而很少損失。冷中子的探測方法與熱中子大體相同。 ^[2] 

冷中子技術的發展，為核物理和固體物理等基礎學科的研究提供了非常有利的條件。特別是超冷中子貯存技術的成功，可以深入研究中子的基本性質。例如，精確測量中子電偶極矩，是一項很有意義的工作。還有精確測量中子的壽命及電荷，研究中子與中子作用等，也是很有意義的工作.

研究冷中子與物質的相互作用並利用其散射特性研究固體亞微觀結構及低能激發都是新的研究領域。 ^[3]