如果没有可以聚焦的镜片,无论这些镜片是在您眼中还是在您所通过的显微镜下,您都看不到。聚焦中子束的一种创新方法可以让科学家探测不透明物体的内部,这些物体的粒度范围与以前一样,使他们能够探测从陨石到尖端制造材料的物体内部而不会损坏它们。

在“ 物理评论快报”上的这种方法可以将历史上已经成为中子科学的支持工具转变为一种成熟的扫描技术,可以在较大的物体中显示大小从1纳米到10微米的细节。该方法提供了这种称为中子干涉测量的工具,其基本上是它的第一个可移动的“透镜”,能够放​​大和缩小这个尺寸范围内的细节 - 即使用其他中子扫描方法也难以探测的范围。

更确切地说,这些“透镜”是作为衍射光栅的硅晶片,它利用了中子的波状特性。光栅分裂并重定向中子束,使波从物体的边缘反射,然后相互碰撞,产生代表物体的可见莫尔干涉图,便于专家解释。

该方法由美国国家标准与技术研究院(NIST),美国国立卫生研究院(NIH)和加拿大滑铁卢大学的研究人员开发。根据NIST的Michael Huber的说法,这种方法可以使中子干涉仪成为材料科学家工具箱中最好的探索工具之一。

“我们可以看到不同层次和不同规模的结构,”NIST物理测量实验室的物理学家Huber说,他在NIST中子研究中心(NCNR)进行实验。“它可以补充其他扫描技术,因为它的分辨率非常好。它具有戏剧性的聚焦能力,我们不仅限于像其他方法一样看薄片材料 - 我们可以轻松地看到一块厚厚的岩石。“

干涉测量学是中子科学领域的一门专业。在科学家用中子束探测物体内部之前,他们必须首先掌握一些关于中子如何从物体的原子结构反弹的基本细节。其中一个细节是物质的折射率,这个数字表示光束从其行进方向弯曲多少。(水会以相关的方式弯曲光线 - 这就是为什么当您将手臂浸入游泳池时,手臂看起来会弯曲的原因。)中子干涉测量法是获得这种关键测量的最佳方式。

中子干涉测量法还具有在基础物理学中用于其他用途的潜力,例如精确测量重力常数。它的灵敏度足以探测物体的引力如何能够使中子偏转,就像地球吸引飞球一样(反之亦然)。但中子方法的阿喀琉斯之踵的运作速度有多慢。为了将中子聚焦在一个材料样本上,干涉仪需要一个刻有精确尺寸的晶体,这个晶体是由一块昂贵的顶级硅片组成的。(其他中子技术可以用低质量的晶体做。)

不幸的是,足以干扰测量的晶体也会阻挡大部分撞击它们的中子,这意味着光束需要很长时间才能将足够的中子送过样品以获得准确的折射率。其他任务需要更长的时间。

“中子源已经非常弱,”滑铁卢的德米特里普京说道。“需要一百年才能得到一个基本问题的良好答案,例如引力常数的值。”

新方法通过使用三个薄硅光栅来聚焦中子而不是单个昂贵的晶体来回避这些问题。在显微镜下,每个光栅的平坦表面看起来像一个梳子,具有狭窄,间隔紧密的牙齿。光栅不仅允许整个中子束穿过它们 - 而不是穿过晶体的中子涓流 - 它们具有可移动的关键优势。

“你通过将光栅移动几毫米来集中注意力,”Huber说。“这很轻微但并不困难。”

在NIST中子研究中心展示,该团队的方法建立在最初在美国国立卫生研究院进行的一项发现的基础上,科学家正在试验将光栅应用于X射线束,并注意到在他们的视觉成像器上形成了莫尔图案。

美国国立卫生研究院国家心脏病研究所的高级研究员韩文说:“这个想法最初是由我们的实验室开发的,用于捕捉X射线以与空气中的速度略有不同的速度运动的材料图像,例如人体本身。”和血液研究所。“这个想法的核心是X射线光栅,它是由NIST Nanofab工厂的高度专业化工具制成的。”

幸运的是,NIST和滑铁卢科学家在一次会议上与NIH团队成员会面,并开始合作,怀疑光栅对于中子和X射线一样有效。NIH团队将光栅带回NIST,在那里它们组装成中子干涉仪。

在NCNR取得同样好的结果之后,Huber表示只有一件事阻碍他们的干涉仪成为工业上的一个伟大工具:它们需要一组不同宽度的孔,中子束在撞击干涉仪之前会通过这些孔。现在,他们只有一个光圈可供他们使用,这限制了他们的视野。

“我们现在可以看到1纳米到10微米的全范围,但图像有点模糊,因为我们没有得到足够的数据,”他说。“每个不同的孔径都为我们提供了另一个数据点,只要有足够的点,我们就可以开始对材料的微观结构进行定量分析。我们希望我们可以获得一组可能的一百个,这将使我们能够获得详细的定量信息。“

该团队已经扫描了一块含有四种不同矿物混合物的花岗岩块内部,扫描显示了每一块矿物的位置细节。Huber表示,该方法适用于多孔物体的无创扫描,如陨石或制造材料,如凝胶或泡沫,这些都是许多消费品的基础。

“我们也希望我们最终可以进行引力常数测量,”他说。“我们可以在附近放置一大块像钨这样的重金属,看看它是如何弯曲梁的。它将提高我们对宇宙的理解,并且不会比我们的生命时间更长。“

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