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使用中子的新型显微镜

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一种能够在极小尺度打开材料与生物样品新研究领域的设备——使用中子的新型显微镜。

MIT 研究者与美国宇航局一起研发了一种新概念显微镜,它使用中子——一种不带电的亚原子粒子——代替光束或者电子来获得高精度图像。

——来自 MIT 新闻办公室,2013 年 10 月 4 日。

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图1  该研究组的小型中子显微镜正在 MIT 的核反应堆实验室内进行初次测试。显微镜片在顶部右方的小金属盒内。

MIT 研究人员与美国宇航局同事一起研发了一种新概念显微镜,它将使用中子——一种不带电的亚原子粒子——代替光束或电子以获得高精度图像。

中子仪器的特性之一,就是能够探测并研究金属物的内部详细结构,比如核燃料单元、电池和引擎,即便是在使用中的部件。中子仪器对磁性以及构成生物材料的轻元素都异常敏感。

这种新概念主要基于今年的一系列研究文章,其中包括本周发表在《自然通讯》上的一篇,其作者为 MIT 博士后刘大志 (Dazhi Liu 音译), 研究科学家 Boris Khaykovich, David Moncton 教授及其他四人。

Moncton, 物理学副教授及 MIT 核反应堆实验室主任,他说最初是 Khaykovich 建议,采用一种有 60 年历史的使用镜片聚焦 X-射线方法中的概念来制造高性能中子显微镜。直到现在,大多数中子仪器类似于针孔相机:只是一种简单地让光路通过小孔的粗糙的成像系统。没有高效的光学部件,这类设备只能产生精度较差的图像。

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图2  MIT 和 NASA 研究者研发的新型中子显微镜中使用圆柱形镜片正在实验室中进行测试,利用通过它的反射光来测试其形状的精确抛光。

超越针孔的限制

“目前还没有高质量的中子聚焦设备,”Moncton 说。“基本上,所有半个世纪以来的中子仪器都与针孔相机类似。”但使用这种新概念,“我们可以将中子成像从针孔相机时代过渡到一个真正的光学成像时代。”

“新的镜像设备能够像光学显微镜成像镜片一样工作。”刘补充道。

中子与物质的相互作用很少,所以很难将中子束聚焦并应用于望远镜或显微镜上。1952 年 Hans Wolter 提出了一种针对 X-射线的基本概念,该概念后来在美国宇航局的赞助下进一步发展,并应用到轨道钱德拉 X-射线天文望远镜上(该望远镜由 MIT 的科学家设计并管理)。中子束与 X-射线一样,反应很弱,可以使用类似的光学系统进行聚焦。

众所周知,若光线沿着一个小角入射,它在表面上的相互作用会很小,最后会被反射出去。这也是海市蜃楼的基本物理原理,在沿着沙表面温度变化剧烈的空气中光线的作用很弱。用同样的原理,不管中子的作用有多弱,含有特定涂层的镜片可以在小角度上反射中子。

一种更清晰更小的设备

在实际的仪器中使用了几个相互嵌套的反射圆柱来增加其反射面积。据研究者说,该仪器最终可将现有的中子成像系统性能提升 50 倍,并且能够令图像更清晰,或者令设备更轻巧,或者二者兼得。

研究小组最初使用数字化技术设计并优化概念,然后制造了一个小型的测试仪器进行原理验证,并使用 MIT 核反应堆实验室的中子束装置进行了性能测试。后续工作还在橡树岭国家实验室 (ORNL) 及国家标准技术研究所 (NIST) 使用了不同的中子能谱。

这样一种新仪器可用于观察和寻找多种材料与生物样品的特性;其它使用中子散射技术的非成像方法也可能从中受益。Moncton 介绍说,由于中子束能量相对较低,它们是“一种更加灵敏的散射探针,”适用于比如“原子或磁极如何在材料中移动”这类现象。

研究人员的下一计划是与 NIST 合作制作一个优化的中子显微系统,主要是 NIST 有一个中子束研究装置。新仪器的估价在数百万美金。

Moncton 指出,该领域目前的主要进展是制造一台价值 14 亿美金的设备,它可将中子束流强度提升十倍。“花大价钱制造中子束,更重要的是还要配备上最高效的光学系统了”。

Roger Pynn, 是加州大学圣塔芭芭拉分校的一名材料科学家,他并未参与此项目,他说,“我期望它能够引领中子成像领域的一系列突破。…… 它在中子散射新应用方面拥有一些的潜力,一些我们暂时还预想不到的内容。”

除了 MIT 的研究人员外,该研究组还包括美国宇航局马歇尔太空飞行中心的 Mikhail Gubarev 和 Brian Ramsey, 以及橡树岭国家实验室的 Lee Robertson 和 Lowell Crow. 该研究项目得到了美国能源部的资助。

译注

〖文章来源〗:

【中子照相】
当光线透过较透明的玻璃球时,如果内部有物体,你可以看见它的内部构成,中子成像的原理与此类似。中子照相是利用中子作为射线,探测中子经过物体后的穿透情况,从而可以获知物体内部的结构。原则上,许多基本粒子都可以用于成像,比较典型的有 X-射线、 γ 射线等。从中子于 1932 年被发现以来,早在 1935 年就已经有人提出使用中子进行成像的概念。但由于中子源技术、中子探测技术等限制,中子成像并没有得到大规模的应用。与早期针孔相机的原理一样,中子成像的原理也相对简单,成像的质量也不佳。这个新闻中所提及的中子反射成像技术有可能改变这一现状,令中子成像获得新的发展契机。

版权所有 ©2015: 译者:心蛛 | Date: [2013-10-09 三] | Generated by Emacs 24.4.1 (Org mode 8.3.2), Validate, 88x31.png

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