Enheden kunne åbne nye forskningsområder for materialer og biologiske prøver i små skalaer.
Forskere ved MIT, der arbejder med partnere på NASA, har udviklet et nyt koncept til et mikroskop, der ville bruge neutroner - subatomære partikler uden elektrisk ladning - i stedet for lysstråler eller elektroner til at skabe billeder i høj opløsning.
Holdets lille prototype neutronmikroskop vises indstillet til indledende test på MITs atomreaktorlaboratorium. Mikroskop spejle er inde i den lille metalboks øverst til højre. Foto med tilladelse fra forskere.
Blandt andre funktioner har neutronbaserede instrumenter evnen til at undersøge inde i metalgenstande - såsom brændselsceller, batterier og motorer, selv når de er i brug - for at lære detaljer om deres interne struktur. Neutroninstrumenter er også unikt følsomme over for magnetiske egenskaber og for lettere elementer, der er vigtige i biologiske materialer.
Det nye koncept er blevet skitseret i en række forskningsartikler i år, herunder et, der blev offentliggjort i denne uge i Nature Communications af MIT postdoc Dazhi Liu, forsker Boris Khaykovich, professor David Moncton og fire andre.
Moncton, adjunkt professor i fysik og direktør for MITs atomreaktorlaboratorium, siger, at Khaykovich først foreslog ideen om at tilpasse et 60-årigt koncept til en måde at fokusere røntgenbilleder ved hjælp af spejle til udfordringen ved at opbygge et højtydende neutronmikroskop. Indtil nu har de fleste neutroninstrumenter været beslægtet med pinhole-kameraer: rå billedbehandlingssystemer, der simpelthen slipper lys gennem en lille åbning. Uden effektive optiske komponenter producerer sådanne enheder svage billeder med dårlig opløsning.
Ud over pinhullet
”For neutroner har der ikke været nogen fokuseringsenheder af høj kvalitet,” siger Moncton. ”I det væsentlige er alle de neutroninstrumenter, der er udviklet over et halvt århundrede, faktisk pinhole-kameraer.” Men med dette nye fremskridt, siger han, ”Vi drejer området for neutronafbildning fra æraen med pinhole-kameraer til en æra med ægte optik. ”
”Den nye spejleenhed fungerer som den billeddannende linse fra et optisk mikroskop,” tilføjer Liu.
Da neutroner kun interagerer minimalt med stof, er det vanskeligt at fokusere bjælker af dem for at skabe et teleskop eller mikroskop. Men et grundlæggende koncept blev foreslået for røntgenstråler af Hans Wolter i 1952 og senere udviklet, i regi af NASA, til teleskoper som det kredsende Chandra røntgenobservatorium (som blev designet og administreret af forskere ved MIT) . Neutronstråler interagerer svagt, ligesom røntgenstråler, og kan fokuseres af et lignende optisk system.
Det er velkendt, at lys kan reflekteres af normalt ikke-reflekterende overflader, så længe det rammer den overflade i en lav vinkel; dette er den grundlæggende fysik i en ørken mirage. Ved hjælp af det samme princip kan spejle med visse belægninger afspejle neutroner i flade vinkler.
En skarpere, mindre enhed
Det faktiske instrument bruger flere reflekterende cylindre, der er indlejret i hinanden, for at øge det disponible overfladeareal. Den resulterende enhed kan forbedre ydelsen af eksisterende neutronafbildningssystemer med en faktor på cirka 50, siger forskerne - hvilket giver mulighed for meget skarpere billeder, meget mindre instrumenter eller begge dele.
Teamet designede og optimerede oprindeligt konceptet digitalt, fabrikerede derefter et lille testinstrument som et bevis-af-princip og demonstrerede dets ydelse ved hjælp af en neutronstrålefacilitet på MIT's Nuclear Reactor Laboratory. Senere arbejde, der krævede et andet spektrum af neutronenergier, blev udført på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og ved National Institute of Standards and Technology (NIST).
Et sådant nyt instrument kunne bruges til at observere og karakterisere mange slags materialer og biologiske prøver; andre nonimaging-metoder, der udnytter spredning af neutroner, kan også være til gavn. Da neutronstrålene er relativt lavenergi, er de "en meget mere følsom spredningssonde," siger Moncton for fænomener som "hvordan atomer eller magnetiske øjeblikke bevæger sig i et materiale."
Forskerne planlægger næste år at opbygge et optimeret neutronmikroskopisystem i samarbejde med NIST, som allerede har et stort neutronstråle-forskningscenter. Dette nye instrument forventes at koste et par millioner dollars.
Moncton påpeger, at et nyligt stort fremskridt inden for området var opførelsen af en facilitet på 1,4 milliarder dollars, der giver en tidobbelt stigning i neutronflux. ”I betragtning af omkostningerne ved produktion af neutronstråler er det vigtigt at udstyre dem med den mest effektive optik,” siger han.
Roger Pynn, en materialevidenskabsmand ved University of California i Santa Barbara, der ikke var involveret i denne forskning, siger: ”Jeg forventer, at det vil føre til en række gennembrud inden for neutronafbildning. ... Det giver potentialet for nogle virkelig nye applikationer af neutronspredning - noget, som vi ikke har set på noget tid. ”
via MIT