Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben die weltweit erste achromatische Linse für die Neutronenbildgebung entwickelt. Die Linse überwindet ein seit Langem bestehendes Hindernis, denn sie fokussiert Neutronen unterschiedlicher Wellenlängen so gut, dass ein scharfes, vergrössertes Bild entsteht. Mit dieser Linse können Forscher nun dicke Proben durchleuchten und Vorgänge beobachten, die im Inneren sperriger Geräte wie Öfen, Kryostaten oder Druckzellen stattfinden.

Neutronen gewähren einzigartige Einblicke in die Struktur von Materialien – sind aber schwer zu lenken. Sie werden in Forschungsanlagen wie der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ als Strahl erzeugt und lassen sich wie Röntgenstrahlen dazu verwenden, Materialien und Objekte zu durchleuchten. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronen jedoch in viele Metalle tief eindringen und bleiben dabei äusserst empfindlich gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium. So lassen sie sich etwa nutzen, um die Verteilung von Öl, Polymeren oder Lithium im Inneren dichter metallischer Strukturen wie Motoren oder Batterien zu beobachten, die Wasseraufnahme von Pflanzen sichtbar zu machen oder um kostbare archäologische Artefakte zerstörungsfrei zu untersuchen.

Doch genau diese schwache Wechselwirkung mit Materie, welche Neutronen so nützlich macht, hat auch zur Folge, dass sie sich notorisch schwer ablenken oder bündeln lassen. Das hat die Entwicklung erweiterter Bildgebungsverfahren bisher behindert. Nun haben Forschende am PSI in der Fachzeitschrift Nature Communications jedoch einen neuen Linsentyp vorgestellt, der dieses Hindernis überwindet.

Eine Linse für alle Neutronenfarben

Die Herausforderung liegt in erster Linie darin, dass Neutronenstrahlen in der Regel aus Neutronen mit vielen verschiedenen Wellenlängen bestehen. Um ein hochauflösendes Bild zu erzeugen, muss die Linse alle diese Wellenlängen auf denselben Brennpunkt lenken. Bisherige Versuche, eine Linse für die praktische Neutronenbildgebung zu entwickeln, mit der sich ein breites Spektrum an Neutronen fokussieren lässt, scheiterten – bis jetzt.

Bislang kommen bei der Neutronenbildgebung keine Linsen zum Einsatz. Die Forschenden müssen die Proben jedoch deshalb dicht 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», sagt Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, Erstautor der Studie und Doktorand am Zentrum für Photonenforschung des PSI.

Die neue Linse, eine sogenannte achromatische Neutronenlinse, ist weltweit die erste ihrer Art. Sie fokussiert ein breites Spektrum an Neutronenwellenlängen auf denselben Punkt. Damit lässt sich eine scharfe, vergrösserte Abbildung mit einer Auflösung von weniger als zwanzig Mikrometer erzielen – auch bei Objekten, die nicht direkt neben dem Detektor platziert werden können.

«Das Fehlen einer solchen Linse hat die Neutronenbildgebung jahrzehntelang behindert», meint Joan Vila-Comamala, Wissenschaftler am Zentrum für Photonenforschung des PSI und Leiter des Teams. «Nun, da wir über eine solche Linse verfügen, wird es möglich sein, Vorgänge zu beobachten, die im Inneren von Geräten wie Öfen, Kryostaten oder Druckzellen stattfinden. Ausserdem ebnet sie den Weg zur Neutronenmikroskopie, bei der ein Objekt vergrössert werden kann und weitere Details sichtbar werden.»

Eine völlig neue Art der Bildgebung

In der Studie testeten die Forscher die Linse, indem sie eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie durchleuchteten. Dabei konnten sie den Schichtaufbau der gewickelten Elektroden um das Siebenfache vergrössern, wobei sich die Batterie sechs Meter vom Detektor entfernt befand.

In Zukunft könnte es damit möglich sein, die feinen inneren Strukturen von Materialien und Geräten während des Betriebs in wirklichkeitsnahen Umgebungen zu untersuchen. So liessen sich beispielsweise strukturelle Veränderungen an den Bauteilen eines laufenden Motors nachweisen.

«Das ist aber erst der Anfang», fügt Dhanalakshmi Veeraraj hinzu. «Wir sehen bereits Möglichkeiten, diese Linse zu verbessern. Entscheidend ist nicht nur die Auflösung, sondern eine völlig neue Art der Bildgebung.»

Einrichtungen zur Neutronenbildgebung müssen nun nachziehen. Um das ganze 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. Dadurch sind sie für weiteres Wachstum im Bereich der Neutronenbildgebung und ihrer Anwendungen gerüstet.

Aufbauend auf dem Erfolg der Röntgenlinse

Die Technologie stützt sich auf einen früheren Durchbruch in der Röntgenoptik: Das Team entwickelte im Jahr 2022 eine achromatische Röntgenlinse für Synchrotron- und Röntgenlaser-Anlagen wie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und SwissFEL. Bei der Entwicklung der Neutronenlinse wurde das Fachwissen im Bereich der Röntgenoptik am Zentrum für Photonenforschung des PSI mit dem Fachwissen im Bereich der Neutronenbildgebung am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI kombiniert.

Die Neutronenlinse besteht aus konzentrischen Ringen aus Nickel sowie aus präzise geformten Diamantstrukturen, die in einer genau definierten Geometrie angeordnet sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen für sichtbares Licht, die ausschliesslich auf Brechung des Lichtes beruhen, nutzen Neutronenlinsen auch die Beugung – welche dazu führt, dass sich Wellen ausbreiten oder Muster bilden, wenn sie durch Gitter oder kleine Öffnungen hindurchtreten. Die Nickelringe erzeugen das Beugungsmuster, während die Diamantstrukturen den Neutronenstrahl brechen. Zusammen erzeugen diese Effekte ein vergrössertes Bild am Detektor.

Die filigranen Nickelstrukturen entstanden mittels Elektronenstrahl-Lithografie in den kürzlich eingeweihten PICO-Reinräumen am PSI, die diamantbasierten Brechungsstrukturen wurden vom Schweizer Unternehmen SYNOVA S.A. gefertigt. «Die Nickelringe werden immer kleiner, wobei die feinsten Ringe deutlich weniger als 200 Nanometer messen», erklärt Vila-Comamala.

Nach der Fertigung konnten die Prototypen zügig an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS mit Röntgenstrahlen sowie an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ mit Neutronen getestet werden.

«So etwas ist, wenn überhaupt, nur an wenigen anderen Standorten in der Welt möglich», meint Dhanalakshmi Veeraraj. «Die enge Zusammenarbeit zwischen Experten aus den Bereichen Neutronenbildgebung, Röntgenoptik und Nanostrukturierung, deren Arbeitsstätten auf dem PSI-Campus untereinander fussläufig erreichbar sind, macht technologische Durchbrüche wie diesen möglich.»

Text: Simone Pengue