准弹性中子散射（QENS）在受限水动态研究中的应用-论文.pdf

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1、第37卷第2期核技术Vo1．37，No．22014年2月NUCLEARTECHNIQUESFebruary2014准弹性中子散射(QENS)在受限水动态研究中的应用李华张丽丽易洲(暨南大学物理系广州510632)摘要准弹性中子散射(Quasi．elasticneutronscattering，QENS)实验是研究受限水动态的一种重要实验手段。水泥样品中存在有结合水和受限水，各自的含量随着水泥样品的老化时间、环境温度、水和水泥(w／c)质量比、添加剂等因素的不同而变化，处于强受限状态的水的动态特性影响着水

2、泥石的耐久性和力学特性，因此，水泥样品中受限水动态的研究具有重要的意义。本文综述了近年来水泥样品中受限移动水含量比例和受限水动态的QENS实验研究，着重介绍采用弛豫盒子模型(Relaxingcagemodel，RCM)，对QENS谱实验数据的拟合分析，得到描述水泥样品中受限水动态相关信息的关键物理参数：受限移动水比例系数1，微纳孔中受限水分子在某位置上的诱捕(俘获)时间ro、受限水平均迁移弛豫时间<及其自扩散系数D，表征水泥样品微纳孔均匀性的形状因子等，为QENS实验在受限水动态研究中的应用提供一种合理

3、实用的方法。关键词准弹性中子散射(Quasi—elasticneutronscattering，QENS)，受限水动态，弛豫盒子模型(Relaxingcagemodel，RCM)，水泥样品中图分类号TL411-3中国国家重大科技基础设施——中国散裂中子在水泥样品中存在有结合水和微纳孔中的受限源(CSNS)落户广东东莞，预计2018年前后建成。水J，处于强受限状态的水动态特性影响着水泥样CSNS建成后，将为国内外研究者提供物理学、化品的耐久性和力学特性，虽然水泥作为建筑材料已学、生命科学、材料科学、医药等

4、学科的国际前沿有一百多年的历史，但水泥与水混合后的复杂微观高科技、多学科应用的大型研究平台。CSNS第一结构和成分以及其内受限水的动态过程，至今仍是期将设计建造的散射谱仪有高通量粉末衍射仪【】J，利用先进仪器和分子模拟进行相关研究的热点。中子粉末衍射仪是使用最广泛、用户量最大的谱仪。利用粉末衍射仪，用户可通过中子弹性散射实验了解材料的原子结构；对材料中原子或分子动态的研究，需要利用不同的中子谱仪进行中子非弹性散射实验。中子背散射谱仪可提供原子或分子动态的高分辨测量，在CSNS中是期待中的装置。准弹性中子

5、散射(QENS)的相关信息可通过背散射谱仪获得。水是地球表面最丰富的化合物，也是所有生物体中最重要的组成成分【2J。液体水是无定形的物质，通常受限于特定几何体之中。受限于纳米尺度范围内的水与大体积的水在许多性质上有很多的不同【3]。纳米孔中受限水的动态性质可通过与其特征图1电磁辐射和中子的频率及其波长示意]Fig．1Frequency—Wavelengthdiagrarnofelectromagnetic频率(太赫兹(THz)到兆赫兹(MHz))相关的谱技术radiationandneutronst．进

6、行研究J，热中子具有埃量级的波长，同时具有首先综述近年来水泥样品微纳孔中受限移动水THz的频率(图1)，且中子与氢原子的相互作用截面含量比例和受限水动态的QENS实验研究，进而介很大。因此，中子散射技术是纳米孔中受限水动态绍采用弛豫盒子模型(Relaxingcagemodel，RCM)，性质研究的重要手段。第一作者：李华，女，1964年出生，1995年于中国科学技术大学获博士学位，计算物理、核技术及其应用收稿日期：2013-10—18，修回日期：2013．11-28020604—1核技术2014，37(

7、2)：020604基于波特兰水泥样品和水化硅酸钙(CSH)样品的用Q的幅值)和能量转移hco的函数。其中散射矢量QENS谱实验数据，介绍QENS实验数据的拟合分Q=4n／Asin(O／2)，和盼别是中子波长和散射角，析方法，得到描述水泥样品微纳孔中受限移动水含=／f2兀)，h为普朗克常量，为中子频率。在中子量及其动态相关信息的关键物理量，为背散射谱仪和水泥样品的散射中，由于中子和氢原子fH)的非相的准弹性中子散射的相关应用提供参考。干散射截面很大(O"i(H)=80．26bar，ai(Ca)-0．05b

8、ar，。(Si)=0．004bar，cri。(0)=0．0008bar)，1背散射谱仪及QENS谱QENS谱主要反映的是中子与H的非相关散射信1．1背散射谱仪原理息，即反映出水泥样品中结合水和受限水的信息。水泥样品中的结合水是在水泥水化过程中H以化学背散射谱仪可获得能量高分辨的中子散射信键的形式存在于Ca(OH)2和水化硅酸钙C—S—H中，息，图2给出了高分辨背散射谱仪IN16原理示意在QENS的测量时问内不移动(平均位移为零)，中图[。从