Des scientifiques travaillant à l’Institut Paul Scherrer PSI ont développé la première lentille achromatique pour l’imagerie neutronique. Cette innovation permet de surmonter un obstacle de longue date dans le domaine: focaliser suffisamment les neutrons de différentes longueurs d’onde pour obtenir une image nette et agrandie. Grâce à cette lentille, les scientifiques peuvent maintenant obtenir des images d’échantillons épais et observer les processus qui se déroulent à l’intérieur d’équipements volumineux tels que des fours, des croystats ou des cellules sous pression.

Les neutrons permettent d’obtenir des informations uniques sur la structure des matériaux, mais ils ne sont pas faciles à manipuler. Contrairement aux rayons X, cependant, les neutrons peuvent pénétrer profondément dans de nombreux métaux tout en restant très sensibles aux éléments légers tels que l’hydrogène et le lithium. Ils peuvent donc être utilisés pour observer la répartition de l’huile, des polymères ou du lithium à l’intérieur de structures métalliques denses telles que les moteurs ou les batteries. Ils peuvent aussi servir à mettre en évidence l’absorption de l’eau dans les plantes ou à examiner des objets archéologiques d’une valeur inestimable sans les détruire.

Pourtant, cette même interaction faible avec la matière qui fait des neutrons un outil si utile les rend également particulièrement difficiles à dévier ou à focaliser. Cet état de fait a freiné le développement de techniques d’imagerie de pointe. Aujourd’hui, des scientifiques du PSI ont présenté dans la revue Nature Communications un nouveau type de lentille qui permet de surmonter cet obstacle.

Une lentille pour toutes les couleurs de neutrons

Une grande partie du défi réside dans le fait que les faisceaux de neutrons contiennent généralement des neutrons de longueurs d’onde très variées. Pour obtenir une image à haute résolution, la lentille doit les amener au même point focal. Malgré les tentatives passées, aucune lentille d’imagerie neutronique pratique n’avait jusqu’à présent réussi à focaliser la large gamme de longueurs d’onde présentes dans un faisceau de neutrons.

Actuellement, l’imagerie neutronique s’effectue sans lentille, ce qui oblige les scientifiques à placer les échantillons à proximité du détecteur pour garantir la netteté des images. «Cette contrainte limite la résolution pouvant être atteinte, ainsi que la taille de l’objet ou de l’environnement de l’échantillon pouvant être analysé», explique Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj, premier auteur de l’étude et doctorant au Centre des sciences des photons du PSI.

La nouvelle lentille – la première de ce type dans le monde – est ce que l’on appelle une lentille neutronique achromatique, qui concentre une large gamme de longueurs d’onde neutroniques sur un même point. Cela permet d’obtenir des images nettes et agrandies avec une résolution inférieure à vingt micromètres – même pour les objets qui ne peuvent pas être placés à proximité du détecteur.

«L’absence d’une telle lentille a freiné le développement de l’imagerie neutronique pendant des décennies », explique Joan Vila-Comamala, chercheur au Centre des sciences des photons du PSI, qui a dirigé l’équipe. «Maintenant que nous en disposons, il devient possible d’observer les processus à l’intérieur d’équipements tels que les fours, les cryostats ou les cellules sous pression. Cela ouvre également la voie à la microscopie neutronique, qui permet de produire des images agrandies d’un objet et d’en révéler davantage de détails.»

Une manière inédite de capturer des images

Dans l’étude, les scientifiques ont testé la lentille en réalisant des images d’une batterie lithium-ion du commerce. En la plaçant à six mètres du détecteur, ils ont pu agrandir de sept fois la structure en couches de l’ensemble des électrodes enroulées.

À l’avenir, ce système pourrait permettre d’observer les détails internes les plus fins des matériaux et des dispositifs alors qu’ils fonctionnent dans des environnements réalistes, par exemple en détectant des changements structurels au sein des composants d’un moteur en marche.

«Ce n’est que le début, ajoute Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj. Nous voyons déjà des moyens d’améliorer la lentille. Le point clé n’est pas simplement la résolution, mais une manière tout à fait inédite d’obtenir des images.»

Désormais, les installations d’imagerie neutronique vont devoir s’adapter. Pour exploiter pleinement ces nouvelles lentilles, certaines d’entre elles pourraient avoir besoin de lignes de faisceau plus longues. «Si l’on dispose d’une ligne de faisceau suffisamment longue, on peut en principe obtenir un grossissement plus important. Ce n’est pas la lentille qui impose une limite, mais la longueur de l’instrument», explique Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj. De nouvelles installations, telles que la Source européenne de spallation, actuellement en construction en Suède, intègrent d’ores et déjà ces exigences, ouvrant ainsi la voie à un développement accru de l’imagerie neutronique et de ses applications.

Se fonder sur le succès des lentilles à rayons X

Cette technologie s’appuie sur une avancée majeure réalisée précédemment par l’équipe dans le domaine de l’optique des rayons X: le développement, en 2022, d’une lentille achromatique à rayons X destinée aux installations de synchrotron et de laser à rayons X à électrons libres, telles que la Source de Lumière Suisse SLS et le SwissFEL. Le développement de la lentille à neutrons a permis de combiner cette expertise en optique des rayons X, issue du Centre des sciences des photons du PSI, avec celle en imagerie neutronique du Centre des sciences des neutrons et des muons du PSI.

Les lentilles à neutrons se composent d’anneaux concentriques en nickel et de structures en diamant façonnées avec précision, disposées selon une géométrie soigneusement définie. Contrairement aux lentilles classiques pour la lumière visible, qui reposent uniquement sur la réfraction, les lentilles à neutrons exploitent également la diffraction – ce phénomène qui fait que les ondes se propagent ou forment des motifs lorsqu’elles traversent des réseaux ou de petites ouvertures. Les anneaux en nickel génèrent le motif de diffraction, tandis que les structures en diamant réfractent le faisceau de neutrons; ensemble, ces effets forment une image agrandie sur le détecteur.

Les structures complexes en nickel ont été fabriquées avec la technique de lithographie par faisceau d’électrons dans les salles blanches PICO récemment inaugurées au PSI, tandis que les structures réfractives en diamant ont été produites par la société suisse SYNOVA S.A. «Les anneaux en nickel sont de plus en plus petits, les plus fins mesurant bien moins de 200 nanomètres», explique Joan Vila-Comamala.

Une fois fabriqués, les prototypes ont pu être testés rapidement aux rayons X à la Source de Lumière Suisse SLS et aux neutrons à la Source de Neutrons de Spallation Suisse SINQ.

«Il existe peu d’autres endroits dans le monde, voire aucun, où cela aurait pu se produire», explique Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj. «La collaboration étroite entre des experts en imagerie neutronique, en optique des rayons X et en nanofabrication, installés à quelques pas les uns des autres sur le campus du PSI, rend possibles des avancées technologiques comme celle-ci.»

Texte: Simone Pengue