能使中子射线分辨出物体内部更多细节的新型可移动硅基透镜

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如果没有透镜的聚焦功能，你就看不清楚一些细节，无论那些镜片是在你的眼睛里还是在显微镜下。聚焦中子束的一种创新的方式可能让科学家们成功探索不透明物体的内部，而且是在之前难以达到的尺寸范围内，这可以让他们去探索事物的内部结构，从陨石到最尖端的材料制造的无损检测。 u*#j;Xc  
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这一新型技术方法近期发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上，它可以将过去一直是中子科学的支持工具转换成一种全面的扫描技术，可以在较大的物体上显示从1纳米到10微米不等的细节。该方法提供了这样的工具，称为中子干涉，这将是第一个可以称为活动的“镜头”，并且可放大和缩小尺寸范围，在这这种细节范围利用其它类型的中子扫描方法已难以探测。 biZwxP3  
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更准确地说，这些“镜头”的硅晶片作为衍射光栅，利用中子的波动性质。光栅分和重定向一个中子束使声波从物体的边缘，然后互相碰撞，创造一个可见的云纹干涉图样，这是一种具有代表性的图样模式，便于专家进行原理解释。 Ji<^s@8Zc  
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该方法是由国家标准技术研究院（NIST）、国立卫生研究院（NIH）和加拿大滑铁卢大学的研究团队合作开发的。根据国家标准技术研究院的Michael Huber说明，这种方法可以使中子干涉测量成为材料科学家工具包中最好的探索工具之一。 24u;'i-y5  
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“我们可以在不同的尺度上观察不同层次的大量结构，” Huber说，他是在国家标准技术研究院中子研究中心（NCNR）的物理测量实验室从事中子实验研究的物理学家。“这种新型扫描技术可以补充其他扫描技术，因为它的分辨率非常好。它有一种引人注目的聚焦能力，我们不局限于看薄片材料，就像其他方法一样，我们可以轻易地观察一块厚厚的岩石。” P{qi>FJqe  
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干涉测量是中子科学界的一门专业。在科学家用中子束探测一个物体的内部之前，他们首先必须掌握一些关于中子如何从物体的原子结构上反弹的基本细节。其中一个细节是一个物质的折射率，这个数字表明它将使光束从它的行进方向弯曲到多少。（水以一种相关的方式弯曲光线，这就是为什么当你把手臂浸入游泳池时它会弯曲的样子。）。 {<XPE:1>Y  
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中子干涉测量在基本物理中还有其他用途，如精确测量重力常数。它非常敏感，能够探测物体的引力如何偏转中子，就像地球吸引一个飞球一样（反之亦然）。但是中子法的阿基里斯定律是如何缓慢的工作。为了把中子集中在材料样品上，干涉仪需要一块由昂贵的高质量硅块制成的精确尺寸的晶体。（其他中子技术可以处理质量很低的晶体。） +r0ItqkM  
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不幸的是，对于干涉测量来说足够好的晶体也阻挡了撞击它们的大部分中子，这意味着光束要经过很长一段时间才能发射足够多的中子，以获得精确的折射率。其他任务需要更长的时间。 kaBP&6|Z  
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“中子源已经很弱，”滑铁卢大学的Dmitry Pushin说。“要想回答一个基本的问题，如引力常数的值，需要一百年的时间。” sB|>\O#-
 
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新的方法回避了这些问题，通过使用一个三薄硅光栅聚焦中子而不是一个单一的昂贵的水晶。在显微镜下，每一个光栅的平面看起来像一个窄而密的梳齿。光栅不仅允许整个中子束通过它们，而不是穿过晶体的中子流，它们具有可移动的关键优势。 %au2kG,  
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Huber说：“你可以对光栅进行毫米级的移动。这种移动距离很小，但不难实现。” .<Y7,9;YEF  
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在美国国家技术标准研究所中子研究中心证实，该小组的方法建立在发现最初在美国国立卫生研究院，科学家尝试利用光栅射线束，并注意到它们的视觉成像出摩尔纹团。 N 2|?I(\B  
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美国国家卫生研究院国家心肺和血液研究所的高级研究员Han Wen说：“这个想法是由我们的实验室首先开发的，用来捕捉X射线以比空气速度稍小的速度传播的图像，比如人体本身。这种想法的核心是利用X射线光栅，它是在美国国家技术标准研究所的高度专业化的纳米工具设施。” * !4r}h`  
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偶然地，美国国家技术标准研究所和滑铁卢大学的科学家团队成员在会议上和他合作，觉得光栅在X射线中子应用中可能会实现更好的工作特性。美国国家卫生研究院的研究小组将光栅带回美国国家技术标准研究所，在那里他们组装成中子干涉仪。 wvH=4TT=w"  
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在国家标准技术研究院中子研究中心，该装置获得了同样好的结果，Huber只说了一件事妨碍他们的干涉成为行业的一个伟大的工具：他们需要一套不同的孔径宽度的中子束将通过前命中干涉仪。现在，他们只有一个光圈，这限制了他们的视野。 B&J;yla6`d  
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他说：“我们现在可以看到1纳米到10微米的全范围，但是图像是模糊的，因为我们没有得到足够的数据。每一个不同的孔径都给我们提供了另一个数据点，只要有足够的点，我们就可以开始对材料的微观结构进行定量分析。我们希望我们能得到一套可能是一百个，这将使我们能够得到详细的定量信息。” @f<q&K%FJ  
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研究小组已经扫描了一块含有四种不同矿物混合物的花岗岩的内部，扫描显示了每一块矿物的位置。Huber说，这种方法对像陨石或人造材料（如凝胶或泡沫）这样的多孔物体进行无损扫描是很好的，这是许多消费品的基础。 {9(#X]'  
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他说：“我们也希望我们能够完成引力常数的测量。我们可以在附近放一大块像钨这样的重金属，看看它是如何弯光束的。它将提高我们对宇宙的理解，不会比我们的有生之年花费更长的时间。” G&P[n8Z$  
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原文来源：https://phys.org/news/2018-03-movable-silicon-lenses-enable-neutrons.html（实验帮译）