在材料科學和工程領域，動態溫度變化的研究是一個關鍵課題，特別是在極端條件下的材料行為研究中尤為重要。然而，傳統的溫度測量手段，比如激光熱成像和相位對比熱成像，雖然能夠提供表面或淺層溫度分布的圖像，卻難以對材料內部特定元素的溫度進行精準探測。這一技術瓶頸限制了對復雜動力學過程的深入理解。

大阪大學激光工程研究所的Akifumi Yogo教授團隊，開發了一種基于單次激光驅動的中子共振光譜技術，成功實現了材料內部特定同位素溫度的高精度測量。該技術通過高功率激光驅動中子脈沖，結合多普勒展寬效應，對加熱后的鉭(Ta)薄膜進行了實驗驗證。測量范圍覆蓋室溫至617K，展現出極高的動態響應能力和元素選擇性。這一研究為復雜材料內部溫度的無損探測開辟了新的可能，并展現出納秒級時間分辨率的潛力。相關成果以《Single-shot laser-driven neutron resonance spectroscopy for temperature profiling》為題，發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

中子共振光譜實驗設計與實現

本研究利用高功率激光驅動的中子源，結合飛行時間中子光譜技術，設計了一套用于測量材料內部溫度的實驗方案。實驗選用銀(Ag)和鉭(Ta)薄膜作為樣品，其中銀薄膜(厚度0.2 mm)保持室溫，作為中子能量參考;鉭薄膜(厚度0.1 mm)則被加熱至不同溫度(T = 361、413、474、573、617 K)，用于研究材料溫度變化導致的中子共振吸收多普勒展寬效應。實驗裝置如圖1所示，采用大阪大學激光工程研究所的高功率激光系統(LFEX)，通過1.5皮秒激光脈沖聚焦于厚度為5μm的氘化聚苯乙烯靶材。激光作用于靶材表面后，驅動高能質子和中子的產生，隨后這些粒子與鈹(Be)靶材發生核反應，生成數十兆電子伏能量的快中子。這些中子經過由高密度聚乙烯制成的圓柱形中子減速器后，被冷卻至eV能量范圍，從而適用于中子共振吸收測量。

為實現高精度溫度測量，實驗采用了飛行時間(TOF)技術，通過測量中子在1.78米光束線上的飛行時間計算出其能量分布。中子探測器由含6Li的玻璃閃爍體組成，配備時間門控技術，用于消除激光產生的X射線閃光和電磁脈沖背景信號的干擾。此外，為了減少由實驗裝置散射中子引起的噪聲，研究團隊在光束線中布置了鎳準直器以降低散射效應對測量的影響。實驗中鉭薄膜的多普勒展寬效應隨著溫度升高而逐漸顯現，通過與銀薄膜的固定能量參考信號對比，可以精準校準中子能量的變化并反推出材料的溫度。

圖1 激光驅動生成超熱中子及共振吸收測量實驗裝置示意圖

鉭和銀薄膜中子共振吸收的實驗驗證

研究團隊利用銀薄膜作為參考，通過背景信號校正后，提取了鉭和銀薄膜的中子吸收率(圖2c)，并與理論模型計算的吸收率(R0(E))進行對比。實驗結果表明，鉭薄膜的中子共振吸收峰隨著加熱溫度的升高逐漸變寬，而銀薄膜的吸收峰形狀未發生顯著變化。

在實驗與理論模型的對比中發現，銀薄膜的實驗吸收率曲線與理論曲線存在差異，特別是厚樣品在吸收峰附近表現出與理論計算不一致的峰形。這一差異被認為是中子束在線路中隨機散射所引起的脈沖進一步展寬。為更準確反映實驗中的吸收率變化，研究團隊提出了一個高斯展寬函數F(t)來修正這一效應。通過將高斯展寬與中子脈沖展寬函數D(t)結合，實驗曲線(圖2d中的Rexp(E))與修正后的理論模型(R1(E))達成了較高的擬合精度，為后續溫度相關的吸收率分析提供了可靠的數據支持。

圖2 中子光譜的實驗結果與分析

動態溫度對鉭薄膜中子共振峰展寬的影響

通過對鉭薄膜在不同溫度條件下的中子吸收率進行測量，結果顯示，隨著溫度的升高，鉭薄膜的中子共振吸收峰寬度顯著增加，并呈現出對溫度變化的高敏感性(圖3a)。通過采用布賴特-維格納(Breit-Wigner)模型結合多普勒效應公式進行理論擬合(圖3b)，實驗中觀察到的多普勒展寬與溫度的平方根變化關系與理論模型的預測高度一致，這充分驗證了溫度對中子共振展寬影響的多普勒效應描述。此外，該技術不僅能夠高靈敏度地響應溫度變化，還具備元素選擇性。通過中子共振吸收光譜的元素依賴性，可實現對動態物體中特定核素(如181Ta)的實時溫度測量，而不受其他元素的干擾。

實驗中采用的短脈沖激光驅動中子源相比傳統加速器中子源具備更高的時間分辨率，這一特點使其在實時動態溫度測量中展現了顯著優勢。盡管目前在600 K附近的溫度測量不確定度約為30 K，但這一問題可以通過優化飛行時間(TOF)光束線、提升中子通量以及改進測量技術來進一步改善。經過優化后，該技術有望在更廣泛的溫度范圍內實現高精度的瞬時溫度測量，為動態過程、極端環境以及多組分材料的研究提供全新的工具和方法支持。

圖3 溫度對中子共振展寬的影響分析