能使中子射線分辨出物體內部更多細節的新型可移動硅基透鏡

中子干涉儀可以實現較厚物體內部的細節掃描，例如上圖這塊大塊的花崗岩，新的掃描技術能夠提供足夠的細節來顯示混合在其中的四種岩石情況，圖片來源：美國國家技術標準研究所。

如果沒有透鏡的聚焦功能，你就看不清楚一些細節，無論那些鏡片是在你的眼睛裡還是在顯微鏡下。聚焦中子束的一種創新的方式可能讓科學家們成功探索不透明物體的內部，而且是在之前難以達到的尺寸範圍內，這可以讓他們去探索事物的內部結構，從隕石到最尖端的材料製造的無損檢測。

這一新型技術方法近期發表在《物理評論快報（Physical Review Letters）》上，它可以將過去一直是中子科學的支持工具轉換成一種全面的掃描技術，可以在較大的物體上顯示從1納米到10微米不等的細節。該方法提供了這樣的工具，稱為中子干涉，這將是第一個可以稱為活動的「鏡頭」，並且可放大和縮小尺寸範圍，在這這種細節範圍利用其它類型的中子掃描方法已難以探測。

更準確地說，這些「鏡頭」的硅晶片作為衍射光柵，利用中子的波動性質。光柵分和重定向一個中子束使聲波從物體的邊緣，然後互相碰撞，創造一個可見的雲紋干涉圖樣，這是一種具有代表性的圖樣模式，便於專家進行原理解釋。

該方法是由國家標準技術研究院（NIST）、國立衛生研究院（NIH）和加拿大滑鐵盧大學的研究團隊合作開發的。根據國家標準技術研究院的Michael Huber說明，這種方法可以使中子干涉測量成為材料科學家工具包中最好的探索工具之一。

「我們可以在不同的尺度上觀察不同層次的大量結構，」 Huber說，他是在國家標準技術研究院中子研究中心（NCNR）的物理測量實驗室從事中子實驗研究的物理學家。「這種新型掃描技術可以補充其他掃描技術，因為它的解析度非常好。它有一種引人注目的聚焦能力，我們不局限於看薄片材料，就像其他方法一樣，我們可以輕易地觀察一塊厚厚的岩石。」

干涉測量是中子科學界的一門專業。在科學家用中子束探測一個物體的內部之前，他們首先必須掌握一些關於中子如何從物體的原子結構上反彈的基本細節。其中一個細節是一個物質的折射率，這個數字表明它將使光束從它的行進方向彎曲到多少。（水以一種相關的方式彎曲光線，這就是為什麼當你把手臂浸入游泳池時它會彎曲的樣子。）。

中子干涉測量在基本物理中還有其他用途，如精確測量重力常數。它非常敏感，能夠探測物體的引力如何偏轉中子，就像地球吸引一個飛球一樣（反之亦然）。但是中子法的阿基里斯定律是如何緩慢的工作。為了把中子集中在材料樣品上，干涉儀需要一塊由昂貴的高質量硅塊製成的精確尺寸的晶體。（其他中子技術可以處理質量很低的晶體。）

不幸的是，對於干涉測量來說足夠好的晶體也阻擋了撞擊它們的大部分中子，這意味著光束要經過很長一段時間才能發射足夠多的中子，以獲得精確的折射率。其他任務需要更長的時間。

「中子源已經很弱，」滑鐵盧大學的Dmitry Pushin說。「要想回答一個基本的問題，如引力常數的值，需要一百年的時間。」

上圖中所示，移動這三個光柵將中子束聚焦在一個樣品上，使他們能夠感知從1納米到10微米範圍內的內部細節。圖片來源：美國國家技術標準研究所。

新的方法迴避了這些問題，通過使用一個三薄硅光柵聚焦中子而不是一個單一的昂貴的水晶。在顯微鏡下，每一個光柵的平面看起來像一個窄而密的梳齒。光柵不僅允許整個中子束通過它們，而不是穿過晶體的中子流，它們具有可移動的關鍵優勢。

Huber說：「你可以對光柵進行毫米級的移動。這種移動距離很小，但不難實現。」

在美國國家技術標準研究所中子研究中心證實，該小組的方法建立在發現最初在美國國立衛生研究院，科學家嘗試利用光柵射線束，並注意到它們的視覺成像出摩爾紋團。

美國國家衛生研究院國家心肺和血液研究所的高級研究員Han Wen說：「這個想法是由我們的實驗室首先開發的，用來捕捉X射線以比空氣速度稍小的速度傳播的圖像，比如人體本身。這種想法的核心是利用X射線光柵，它是在美國國家技術標準研究所的高度專業化的納米工具設施。」

偶然地，美國國家技術標準研究所和滑鐵盧大學的科學家團隊成員在會議上和他合作，覺得光柵在X射線中子應用中可能會實現更好的工作特性。美國國家衛生研究院的研究小組將光柵帶回美國國家技術標準研究所，在那裡他們組裝成中子干涉儀。

在國家標準技術研究院中子研究中心，該裝置獲得了同樣好的結果，Huber只說了一件事妨礙他們的干涉成為行業的一個偉大的工具：他們需要一套不同的孔徑寬度的中子束將通過前命中干涉儀。現在，他們只有一個光圈，這限制了他們的視野。

他說：「我們現在可以看到1納米到10微米的全範圍，但是圖像是模糊的，因為我們沒有得到足夠的數據。每一個不同的孔徑都給我們提供了另一個數據點，只要有足夠的點，我們就可以開始對材料的微觀結構進行定量分析。我們希望我們能得到一套可能是一百個，這將使我們能夠得到詳細的定量信息。」

研究小組已經掃描了一塊含有四種不同礦物混合物的花崗岩的內部，掃描顯示了每一塊礦物的位置。Huber說，這種方法對像隕石或人造材料（如凝膠或泡沫）這樣的多孔物體進行無損掃描是很好的，這是許多消費品的基礎。

他說：「我們也希望我們能夠完成引力常數的測量。我們可以在附近放一大塊像鎢這樣的重金屬，看看它是如何彎光束的。它將提高我們對宇宙的理解，不會比我們的有生之年花費更長的時間。」

來源：https://phys.org/news/2018-03-movable-silicon-lenses-enable-neutrons.html

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