在材料科学和工程领域，动态温度变化的研究是一个关键课题，特别是在极端条件下的材料行为研究中尤为重要。然而，传统的温度测量手段，比如激光热成像和相位对比热成像，虽然能够提供表面或浅层温度分布的图像，却难以对材料内部特定元素的温度进行精准探测。这一技术瓶颈限制了对复杂动力学过程的深入理解。

大阪大学激光工程研究所的Akifumi Yogo教授团队，开发了一种基于单次激光驱动的中子共振光谱技术，成功实现了材料内部特定同位素温度的高精度测量。该技术通过高功率激光驱动中子脉冲，结合多普勒展宽效应，对加热后的钽(Ta)薄膜进行了实验验证。测量范围覆盖室温至617K，展现出极高的动态响应能力和元素选择性。这一研究为复杂材料内部温度的无损探测开辟了新的可能，并展现出纳秒级时间分辨率的潜力。相关成果以《Single-shot laser-driven neutron resonance spectroscopy for temperature profiling》为题，发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

中子共振光谱实验设计与实现

本研究利用高功率激光驱动的中子源，结合飞行时间中子光谱技术，设计了一套用于测量材料内部温度的实验方案。实验选用银(Ag)和钽(Ta)薄膜作为样品，其中银薄膜(厚度0.2 mm)保持室温，作为中子能量参考;钽薄膜(厚度0.1 mm)则被加热至不同温度(T = 361、413、474、573、617 K)，用于研究材料温度变化导致的中子共振吸收多普勒展宽效应。实验装置如图1所示，采用大阪大学激光工程研究所的高功率激光系统(LFEX)，通过1.5皮秒激光脉冲聚焦于厚度为5μm的氘化聚苯乙烯靶材。激光作用于靶材表面后，驱动高能质子和中子的产生，随后这些粒子与铍(Be)靶材发生核反应，生成数十兆电子伏能量的快中子。这些中子经过由高密度聚乙烯制成的圆柱形中子减速器后，被冷却至eV能量范围，从而适用于中子共振吸收测量。

为实现高精度温度测量，实验采用了飞行时间(TOF)技术，通过测量中子在1.78米光束线上的飞行时间计算出其能量分布。中子探测器由含6Li的玻璃闪烁体组成，配备时间门控技术，用于消除激光产生的X射线闪光和电磁脉冲背景信号的干扰。此外，为了减少由实验装置散射中子引起的噪声，研究团队在光束线中布置了镍准直器以降低散射效应对测量的影响。实验中钽薄膜的多普勒展宽效应随着温度升高而逐渐显现，通过与银薄膜的固定能量参考信号对比，可以精准校准中子能量的变化并反推出材料的温度。

图1 激光驱动生成超热中子及共振吸收测量实验装置示意图

钽和银薄膜中子共振吸收的实验验证

研究团队利用银薄膜作为参考，通过背景信号校正后，提取了钽和银薄膜的中子吸收率(图2c)，并与理论模型计算的吸收率(R0(E))进行对比。实验结果表明，钽薄膜的中子共振吸收峰随着加热温度的升高逐渐变宽，而银薄膜的吸收峰形状未发生显著变化。

在实验与理论模型的对比中发现，银薄膜的实验吸收率曲线与理论曲线存在差异，特别是厚样品在吸收峰附近表现出与理论计算不一致的峰形。这一差异被认为是中子束在线路中随机散射所引起的脉冲进一步展宽。为更准确反映实验中的吸收率变化，研究团队提出了一个高斯展宽函数F(t)来修正这一效应。通过将高斯展宽与中子脉冲展宽函数D(t)结合，实验曲线(图2d中的Rexp(E))与修正后的理论模型(R1(E))达成了较高的拟合精度，为后续温度相关的吸收率分析提供了可靠的数据支持。

图2 中子光谱的实验结果与分析

动态温度对钽薄膜中子共振峰展宽的影响

通过对钽薄膜在不同温度条件下的中子吸收率进行测量，结果显示，随着温度的升高，钽薄膜的中子共振吸收峰宽度显著增加，并呈现出对温度变化的高敏感性(图3a)。通过采用布赖特-维格纳(Breit-Wigner)模型结合多普勒效应公式进行理论拟合(图3b)，实验中观察到的多普勒展宽与温度的平方根变化关系与理论模型的预测高度一致，这充分验证了温度对中子共振展宽影响的多普勒效应描述。此外，该技术不仅能够高灵敏度地响应温度变化，还具备元素选择性。通过中子共振吸收光谱的元素依赖性，可实现对动态物体中特定核素(如181Ta)的实时温度测量，而不受其他元素的干扰。

实验中采用的短脉冲激光驱动中子源相比传统加速器中子源具备更高的时间分辨率，这一特点使其在实时动态温度测量中展现了显著优势。尽管目前在600 K附近的温度测量不确定度约为30 K，但这一问题可以通过优化飞行时间(TOF)光束线、提升中子通量以及改进测量技术来进一步改善。经过优化后，该技术有望在更广泛的温度范围内实现高精度的瞬时温度测量，为动态过程、极端环境以及多组分材料的研究提供全新的工具和方法支持。

图3 温度对中子共振展宽的影响分析