Dünyanın ilk nötron merceği, malzemelerin ve nesnelerin içindeki yapılara keskin bir odaklanma sağlar

Paul Scherrer Enstitüsü’ndeki (PSI) araştırmacılar, nötron görüntüleme için dünyanın ilk akromatik lensini geliştirdiler. Lens, alanda uzun süredir devam eden bir engelin üstesinden geliyor: farklı dalga boylarındaki nötronları keskin, büyütülmüş bir görüntü oluşturacak kadar iyi odaklıyor. Araştırmacılar artık lens sayesinde kalın örnekleri görüntüleyebiliyor ve fırınlar, kriyostatlar veya basınç hücreleri gibi hacimli ekipmanların içindeki süreçleri takip edebiliyor.

Nötronlar, malzemelerin yapısına dair benzersiz bilgiler sağlayabilir ancak onları manipüle etmek zordur. Nötronlar, X ışınları gibi, İsviçre Spallation Nötron Kaynağı SINQ gibi araştırma tesislerinde ışın olarak üretiliyor ve malzemelerin ve nesnelerin içlerini görüntülemek için kullanılıyor. Ancak X ışınlarından farklı olarak nötronlar, hidrojen ve lityum gibi hafif elementlere karşı oldukça hassas kalarak birçok metalin içine derinlemesine nüfuz edebilir. Bu sayede motor veya batarya gibi yoğun metalik yapıların içindeki yağ, polimer veya lityum dağılımını gözlemlemek, bitkilerdeki su alımını ortaya çıkarmak veya paha biçilmez arkeolojik eserleri tahribatsız bir şekilde incelemek için kullanılabilirler.

Ancak nötronları bu kadar kullanışlı bir araç haline getiren maddeyle aynı zayıf etkileşim, aynı zamanda onların saptırılmasını veya odaklanmasını da oldukça zorlaştırıyor; bu, ileri görüntüleme tekniklerinin gelişimini sınırlayan bir gerçek. Şimdi, PSI bilim adamları şunları bildirdi: Doğa İletişimi bu engeli aşan yeni bir mercek türü.

Nötronların tüm renkleri için bir mercek

Sorunun büyük bir kısmı, nötron ışınlarının tipik olarak birçok farklı dalga boyunda nötronlar içermesi gerçeğinde yatmaktadır. Yüksek çözünürlüklü bir görüntü elde etmek için merceğin bunları aynı odak noktasına getirmesi gerekir. Geçmişteki girişimlere rağmen, şimdiye kadar hiçbir pratik nötron görüntüleme merceği, bir nötron ışınındaki geniş dalga boyları aralığına odaklanamadı.

Şu anda nötron görüntüleme mercekler olmadan gerçekleştiriliyor, ancak bu durum araştırmacıları görüntüleri keskin tutmak için örnekleri dedektöre yakın yerleştirmeye zorluyor. Araştırmanın ilk yazarı ve doktora öğrencisi Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, “Bu, ulaşılabilir çözünürlüğün yanı sıra görüntülenebilecek nesne veya örnek ortamın boyutunu da sınırlıyor” diyor. PSI Foton Bilimi Merkezi öğrencisi.

Dünyada türünün ilk örneği olan yeni mercek, geniş bir nötron dalga boyu aralığını aynı noktaya odaklayan, akromatik nötron merceği olarak adlandırılıyor. Bu, dedektörün yakınına yerleştirilemeyen nesneler için bile 20 mikrometrenin altında çözünürlükle keskin, büyütülmüş görüntüleme sağlar.

Ekibe liderlik eden PSI Foton Bilimi Merkezi’nden bilim insanı Joan Vila-Comamala, “Böyle bir merceğin olmayışı, nötron görüntülemeyi onlarca yıldır engelledi” diyor. “Artık buna sahip olduğumuza göre, fırınlar, kriyostatlar veya basınç hücreleri gibi ekipmanların içindeki süreçleri takip etmek mümkün hale geliyor. Aynı zamanda nötron mikroskobunun da yolunu açarak bir nesnenin büyütülmüş görüntülerinin üretilmesini ve daha fazla ayrıntının ortaya çıkarılmasını mümkün kılıyor.”

Görüntü almanın tamamen yeni bir yolu

Araştırmada araştırmacılar, ticari bir lityum iyon pili görüntüleyerek lensi test etti. Pil, dedektörden 6 metre (20 fit) uzağa yerleştirildiğinde, yara elektrot düzeneğinin katmanlı yapısını yedi kat büyütebildiler.

Gelecekte bu, çalışan bir motorun bileşenleri içindeki yapısal değişiklikleri tespit etmek gibi, gerçekçi ortamlarda çalışırken malzeme ve cihazların ince iç ayrıntılarının gözlemlenmesini mümkün kılabilir.

Veeraraj “Bu sadece başlangıç” diye ekliyor. “Merceği iyileştirmenin yollarını zaten görüyoruz. Kilit nokta yalnızca çözünürlük değil, görüntü elde etmenin tamamen yeni bir yoludur.”

Artık nötron görüntüleme tesislerinin yetişmesi gerekecek. Yeni merceklerden tam olarak yararlanmak için bazı tesislerin daha uzun ışın hatlarına ihtiyacı olabilir. Veeraraj, “Yeterince uzun bir ışın hattına sahipseniz prensipte daha fazla büyütebilirsiniz. Bu, lensle değil, cihazın uzunluğuyla sınırlıdır” diyor. Şu anda İsveç’te yapım aşamasında olan Avrupa Spallasyon Kaynağı gibi yeni tesisler, bu yeni gereklilikleri halihazırda bünyesine katıyor ve nötron görüntüleme ve uygulamalarında daha fazla büyümenin yolunu açıyor.

X-ışını lens başarısının üzerine inşa etmek

Teknoloji, ekibin X-ışını optiklerindeki daha önceki atılımından yararlanıyor: 2022’de senkrotron için akromatik bir X-ışını merceğinin geliştirilmesi ve İsviçre Işık Kaynağı SLS ve SwissFEL gibi X-ışını serbest elektron lazer tesisleri. Nötron merceğinin geliştirilmesi, PSI Foton Bilimi Merkezi’nin X-ışını optik uzmanlığını PSI Nötron ve Muon Bilimleri Merkezi’nin nötron görüntüleme uzmanlığıyla birleştirdi.

Nötron mercekleri, dikkatle tanımlanmış bir geometride düzenlenmiş, nikelden yapılmış eşmerkezli halkalardan ve hassas biçimde şekillendirilmiş elmas yapılardan oluşur. Yalnızca kırılmaya dayanan geleneksel görünür ışık merceklerinin aksine, nötron mercekleri aynı zamanda kırınımdan da yararlanır; bu olay, dalgaların yayılmasına veya ızgaralardan veya küçük açıklıklardan geçerken desenler oluşturmasına neden olur. Nikel halkalar kırınım desenini oluştururken, elmas yapılar nötron ışınını kırıyor; bu etkiler birlikte dedektör üzerinde büyütülmüş bir görüntü oluşturur.

Karmaşık nikel yapıları, PSI’nın yakın zamanda açılan PICO temiz oda tesislerinde elektron ışın litografisi kullanılarak üretilirken, elmas kırılma yapıları İsviçre şirketi SYNOVA SA tarafından üretildi. Vila-Comamala, “Nikel halkalar gittikçe küçülüyor ve en iyi halkalar 200 nanometrenin çok altında ölçülüyor” diyor.

Üretimin ardından prototipler, İsviçre Işık Kaynağı SLS’de X ışınlarıyla ve İsviçre Spallation Nötron Kaynağı SINQ’da nötronlarla hızlı bir şekilde test edilebildi.

Veeraraj, “Dünyada bunun olabileceği başka çok az yer var” diyor. “Nötron görüntüleme, X-ışını optiği ve nanofabrikasyon uzmanlarının PSI kampüsünde birbirine yürüme mesafesinde bulunan yakın işbirliği, bunun gibi teknolojik atılımları mümkün kılıyor.”