Neue Linse bringt Neutronenbilder in den Fokus

Neutronen bieten einzigartige Einblicke in Materialstrukturen, sind aber schwer zu lenken. Sie durchdringen Materialien ähnlich wie Röntgenstrahlen, dringen jedoch tief in Metalle ein und reagieren empfindlich auf leichte Elemente wie Wasserstoff und Lithium. So lassen sich Öl, Polymere oder Lithium in dichten metallischen Strukturen wie Motoren oder Batterien beobachten, die Wasseraufnahme von Pflanzen sichtbar machen oder archäologische Artefakte zerstörungsfrei untersuchen. Die schwache Wechselwirkung mit Materie, die Neutronen so nützlich macht, erschwert ihre Bündelung. Dies behinderte bisher die Entwicklung fortschrittlicher Bildgebungsverfahren. 

Die Herausforderung besteht darin, dass Neutronenstrahlen viele Wellenlängen enthalten. Um ein hochauflösendes Bild zu erzeugen, muss die Linse alle Wellenlängen auf einen Brennpunkt lenken. Bisherige Versuche, eine geeignete Linse zu entwickeln, scheiterten.

Bislang nutzte die Neutronenbildgebung keine Linsen. Forscher mussten Proben nah am Detektor platzieren, um scharfe Bilder zu erhalten. «Die erreichbare Auflösung ist damit eingeschränkt – aber auch die Grösse des Objekts oder der Probenumgebung, die abgebildet werden kann», erklärt Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, Doktorand am PSI.

Die neue achromatische Neutronenlinse fokussiert ein breites Spektrum an Neutronenwellenlängen auf einen Punkt. Sie ermöglicht scharfe, vergrösserte Abbildungen mit einer Auflösung von unter zwanzig Mikrometern, auch bei Objekten, die nicht direkt neben dem Detektor platziert werden können.

Die Neutronenlinse besteht aus Nickelringen und präzise geformten Diamantstrukturen. Anders als Linsen für sichtbares Licht, die auf Brechung beruhen, nutzen Neutronenlinsen auch Beugung. Die Nickelringe erzeugen das Beugungsmuster, während die Diamantstrukturen den Neutronenstrahl brechen. Zusammen erzeugen sie ein vergrössertes Bild am Detektor.

«Das Fehlen einer solchen Linse hat die Neutronenbildgebung jahrzehntelang behindert», sagt Joan Vila-Comamala, Wissenschaftler am PSI. Jetzt können Forschende Prozesse in Geräten wie Öfen oder Druckzellen beobachten und die Neutronenmikroskopie vorantreiben. 

In der Studie testeten die Forscher die Linse an einer Lithium-Ionen-Batterie. Sie vergrösserten den Schichtaufbau der Elektroden um das Siebenfache, obwohl die Batterie sechs Meter vom Detektor entfernt war. Zukünftig könnten Forscher feine Strukturen von Materialien und Geräten während des Betriebs in realistischen Umgebungen untersuchen. So liessen sich strukturelle Veränderungen in Motoren nachweisen.

«Das ist erst der Anfang», fügt Dhanalakshmi Veeraraj hinzu. «Wir sehen bereits Möglichkeiten zur Verbesserung der Linse. Entscheidend ist nicht nur die Auflösung, sondern eine neue Art der Bildgebung.» Einrichtungen zur Neutronenbildgebung müssen nun nachziehen. Um das Potenzial der neuen Linsen auszuschöpfen, werden einige Anlagen möglicherweise längere Strahllinien benötigen. «Wenn die Strahllinie lang genug ist, lässt sich das Bild im Prinzip noch weiter vergrössern. Nicht die Linse stellt dabei die Grenze dar, sondern die Länge des Geräts», sagt Dhanalakshmi Veeraraj. Neue Anlagen wie die Europäische Spallationsquelle ESS, die gerade in Schweden gebaut wird, berücksichtigen diese neuen Anforderungen bereits.