Ερευνητές του Paul Scherrer Institute (PSI) ανέπτυξαν τον πρώτο αχρωματικό φακό νετρονίων στον κόσμο, μια τεχνολογία που επιτρέπει τη δημιουργία καθαρών και μεγεθυμένων εικόνων από το εσωτερικό υλικών και αντικειμένων.
Η νέα συσκευή ξεπερνά ένα σημαντικό εμπόδιο της απεικόνισης με νετρόνια: την αδυναμία εστίασης νετρονίων διαφορετικών μηκών κύματος στο ίδιο σημείο. Η εξέλιξη αυτή μπορεί να επιτρέψει την παρακολούθηση διεργασιών μέσα σε μεγάλες κατασκευές, όπως φούρνους, κρυοστάτες και θαλάμους υψηλής πίεσης.
Η δυσκολία εστίασης των νετρονίων
Τα νετρόνια προσφέρουν μοναδικές πληροφορίες για τη δομή των υλικών, καθώς μπορούν να διαπερνούν πολλά μέταλλα και ταυτόχρονα να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε ελαφρά στοιχεία όπως το υδρογόνο και το λίθιο.
Χάρη σε αυτήν την ιδιότητα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρατήρηση της κατανομής λαδιού, πολυμερών ή λιθίου μέσα σε μεταλλικές κατασκευές, όπως κινητήρες και μπαταρίες, αλλά και για τη μελέτη φυτών ή την εξέταση πολύτιμων αρχαιολογικών αντικειμένων χωρίς καταστροφή.
Ωστόσο, επειδή τα νετρόνια αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να κατευθυνθούν και να εστιαστούν. Μέχρι σήμερα, η απουσία κατάλληλων φακών περιόριζε σημαντικά τις δυνατότητες της τεχνολογίας.
Ένας φακός για όλα τα μήκη κύματος
Η βασική πρόκληση ήταν ότι οι δέσμες νετρονίων περιέχουν νετρόνια με πολλά διαφορετικά μήκη κύματος. Για μια εικόνα υψηλής ανάλυσης, όλα αυτά τα νετρόνια πρέπει να εστιάζονται στο ίδιο σημείο.
Ο νέος αχρωματικός φακός του PSI μπορεί να εστιάσει ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, δημιουργώντας καθαρές και μεγεθυμένες εικόνες με ανάλυση μικρότερη από 20 μικρόμετρα, ακόμη και όταν το αντικείμενο βρίσκεται μακριά από τον ανιχνευτή.
Η εξέλιξη αυτή επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάζουν μεγάλα δείγματα ή συσκευές που δεν μπορούν να τοποθετηθούν κοντά στον ανιχνευτή.
Νέες δυνατότητες στην επιστήμη των υλικών
Στις δοκιμές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον φακό για να απεικονίσουν μια εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου. Παρότι η μπαταρία βρισκόταν έξι μέτρα μακριά από τον ανιχνευτή, κατάφεραν να μεγεθύνουν επτά φορές τη στρωματοποιημένη δομή των ηλεκτροδίων της.
Η τεχνολογία μπορεί στο μέλλον να επιτρέψει την παρατήρηση εσωτερικών αλλαγών σε υλικά και συσκευές ενώ λειτουργούν σε πραγματικές συνθήκες, όπως η ανίχνευση μεταβολών σε εξαρτήματα ενός κινητήρα που βρίσκεται σε λειτουργία.
Συνδυασμός νετρονικής και ακτινογραφικής τεχνολογίας
Ο νέος φακός βασίζεται στην προηγούμενη έρευνα της ομάδας του PSI πάνω στους αχρωματικούς φακούς ακτίνων Χ που αναπτύχθηκαν το 2022.
Η κατασκευή του περιλαμβάνει ομόκεντρους δακτυλίους από νικέλιο και ειδικά διαμορφωμένες δομές διαμαντιού. Οι δακτύλιοι νικελίου δημιουργούν φαινόμενα περίθλασης, ενώ οι δομές διαμαντιού προκαλούν διάθλαση της δέσμης νετρονίων. Ο συνδυασμός των δύο φαινομένων επιτρέπει τη δημιουργία μεγεθυμένης εικόνας στον ανιχνευτή.
Οι εξαιρετικά λεπτές δομές νικελίου κατασκευάστηκαν με τεχνικές ηλεκτρονικής λιθογραφίας στις εγκαταστάσεις καθαρού χώρου PICO του PSI, ενώ οι διαμαντένιες δομές δημιουργήθηκαν από την ελβετική εταιρεία SYNOVA S.A.
Το μέλλον της νετρονικής μικροσκοπίας
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η ανακάλυψη δεν αφορά μόνο τη βελτίωση της ανάλυσης, αλλά μια εντελώς νέα προσέγγιση στην απόκτηση εικόνων.
Για την πλήρη αξιοποίηση των νέων φακών, ορισμένες εγκαταστάσεις νετρονικής απεικόνισης ίσως χρειαστούν μεγαλύτερες γραμμές δέσμης, καθώς η δυνατότητα μεγέθυνσης εξαρτάται και από το μήκος της εγκατάστασης.
Η νέα τεχνολογία ανοίγει τον δρόμο για προηγμένες εφαρμογές στη νετρονική μικροσκοπία και μπορεί να συμβάλει σε σημαντικές ανακαλύψεις στην επιστήμη υλικών, την ενέργεια και τη βιομηχανική έρευνα.
