Une nouvelle lentille permet de mettre au point l'imagerie neutronique

Les neutrons offrent un aperçu unique des structures des matériaux, mais sont difficiles à diriger. Ils traversent les matériaux de manière similaire aux rayons X, mais pénètrent profondément dans les métaux et réagissent de manière sensible aux éléments légers tels que l’hydrogène et le lithium. Il est ainsi possible d’observer la présence d’huile, de polymères ou de lithium dans des structures métalliques denses telles que des moteurs ou des batteries, de visualiser l’absorption d’eau par les plantes ou d’examiner des objets archéologiques sans les endommager. La faible interaction avec la matière, qui rend les neutrons si utiles, rend leur focalisation difficile. Cela a jusqu’à présent entravé le développement de techniques d’imagerie avancées.

Le défi réside dans le fait que les faisceaux de neutrons contiennent de nombreuses longueurs d’onde. Pour produire une image à haute résolution, la lentille doit concentrer toutes ces longueurs d’onde en un seul foyer. Les tentatives précédentes visant à développer une lentille adaptée ont échoué.

Jusqu’à présent, l’imagerie neutronique n’utilisait pas de lentilles. Les chercheurs devaient placer les échantillons à proximité du détecteur pour obtenir des images nettes. « La résolution atteignable est ainsi limitée, tout comme la taille de l’objet ou de l’environnement de l’échantillon pouvant être représenté », explique Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, doctorant au PSI.

La nouvelle lentille neutronique achromatique focalise un large spectre de longueurs d’onde neutroniques en un seul point. Elle permet d’obtenir des images nettes et agrandies avec une résolution inférieure à vingt micromètres, même pour des objets qui ne peuvent pas être placés directement à côté du détecteur.

La lentille neutronique est composée d’anneaux de nickel et de structures en diamant façonnées avec précision. Contrairement aux lentilles pour la lumière visible, qui reposent sur la réfraction, les lentilles neutroniques utilisent également la diffraction. Les anneaux de nickel génèrent le motif de diffraction, tandis que les structures en diamant réfractent le faisceau de neutrons. Ensemble, ils produisent une image agrandie sur le détecteur.

« L’absence d’une telle lentille a freiné l’imagerie neutronique pendant des décennies », relève Joan Vila-Comamala, chercheur au PSI. Désormais, les chercheurs peuvent observer les processus se déroulant dans des appareils tels que des fours ou des cellules sous pression, et faire progresser la microscopie neutronique. 

Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont testé la lentille sur une batterie lithium-ion. Ils ont multiplié par sept le grossissement de la structure en couches des électrodes, alors même que la batterie se trouvait à six mètres du détecteur. À l’avenir, les scientifiques pourraient examiner les structures fines des matériaux et des appareils pendant leur fonctionnement, dans des environnements réalistes. Cela permettrait notamment de mettre en évidence des modifications structurelles au sein des moteurs.

« Ce n’est qu’un début », ajoute Dhanalakshmi Veeraraj. « Nous voyons déjà des possibilités d’amélioration de la lentille. Ce n’est pas seulement la résolution qui est déterminante, mais un nouveau type d’imagerie. » Les installations d’imagerie neutronique doivent désormais suivre le mouvement. Pour exploiter pleinement le potentiel des nouvelles lentilles, certaines installations auront peut-être besoin de lignes de faisceau plus longues. « Si la ligne de faisceau est suffisamment longue, l’image peut en principe être encore agrandie. Ce n’est pas la lentille qui constitue la limite, mais la longueur de l’appareil », souligne Dhanalakshmi Veeraraj. De nouvelles installations, telles que la Source européenne de spallation (ESS), actuellement en construction en Suède, tiennent déjà compte de ces nouvelles exigences.