全球首个消色差中子透镜，让材料与物体内部结构清晰成像

保罗谢尔研究所（PSI）的研究人员开发出了世界上首个用于中子成像的消色差透镜。该透镜克服了该领域长期存在的一大障碍：如何使不同波长的中子充分聚焦，以形成清晰的放大图像。有了这种透镜，研究人员如今可以对厚样品进行成像，并跟踪熔炉、低温恒温器或压力室等大型设备内部的过程。

中子是揭示材料结构的独特手段，但它们极难操控。与X射线类似，中子在瑞士散裂中子源（SINQ）等研究设施中以束流形式产生，用于对材料和物体内部进行成像。然而，与X射线不同的是，中子能深入穿透许多金属，同时对氢、锂等轻元素高度敏感。因此，中子可以用来观察发动机或电池等致密金属结构内部的油、聚合物或锂的分布，揭示植物对水分的吸收，或无损检测珍贵的考古文物。

然而，中子与物质相互作用微弱这一特点，在使其成为如此有用工具的同时，也使中子极难偏转或聚焦——这一事实限制了先进成像技术的发展。现在，PSI的科学家在《自然·通讯》上报道了一种突破这一障碍的新型透镜。

适用于所有波长中子的透镜

挑战的很大一部分在于，中子束通常包含许多不同波长的中子。为了实现高分辨率图像，透镜必须将这些中子汇聚到同一焦点。尽管过去有过多种尝试，但迄今为止，还没有一种实用的中子成像透镜能够聚焦中子束中宽范围的波长。

目前，中子成像是在无透镜条件下进行的，但这迫使研究人员将样品靠近探测器放置，以保持图像清晰。该研究的第一作者、PSI光子科学中心的博士生Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj说道：“这限制了可达到的分辨率，也限制了可成像物体或样品环境的尺寸。”

这种新透镜——世界上首款此类透镜——即所谓的消色差中子透镜，它可以将宽范围的中子波长聚焦到同一点。这使得分辨率低于20微米的清晰放大成像成为可能，即使物体无法放置在探测器附近。

领导该团队的PSI光子科学中心科学家Joan Vila-Comamala说：“数十年以来，此类透镜的缺失一直制约着中子成像的发展，现在我们有了它，就有可能在熔炉、低温恒温器或压力室等设备内部跟踪过程。这也开辟了通往中子显微术的道路，使我们能够产生物体的放大图像，揭示更多细节。”

一种全新的图像获取方式

在这项研究中，研究人员通过对一块商用锂离子电池进行成像来测试该透镜。他们将电池放置在距离探测器6米（20英尺）远的地方，成功将卷绕电极组件的层状结构放大了七倍。

未来，这或将使人们能够在真实工作环境下，观察材料和设备运行时的精细内部细节，例如探测正在运转的发动机部件内部的结构变化。

Joan Vila-Comamala补充道：“这仅仅是个开始，我们已经看到了改进透镜的方法。关键并不仅仅是分辨率，而是一种全新的图像获取方式。”

现在，中子成像设施必须迎头赶上。为了充分利用新型透镜，一些设施可能需要更长的束线。Veeraraj表示：“如果能拥有足够长的束线，原则上可以获得更大的放大倍数。限制因素不在于透镜，而在于仪器的长度。”诸如正在瑞典建设中的欧洲散裂源等新设施，已经将这些新要求纳入设计，为中子成像及其应用的进一步发展铺平了道路。

基于X射线透镜的成功

该技术借鉴了团队早期在X射线光学领域的突破：2022年，他们为瑞士光源（SLS）和SwissFEL等同步辐射及X射线自由电子激光设施开发了消色差X射线透镜。中子透镜的开发，融合了PSI光子科学中心的X射线光学专长与PSI中子与缪子科学中心的中子成像专长。

中子透镜由镍制成的同心环和精确成形的金刚石结构组成，并以精心定义的几何形状排列。与仅依赖折射的传统可见光透镜不同，中子透镜还利用了衍射——即波通过光栅或小孔时扩散或形成图案的现象。镍环产生衍射图案，而金刚石结构则对中子束进行折射；这两种效应共同在探测器上形成放大图像。

精细复杂的镍结构是在PSI新近启用的PICO洁净室设施中采用电子束光刻技术制造的，而金刚石折射结构则由瑞士SYNOVA S.A.公司制造。Vila-Comamala说道：“镍环变得越来越小，最细的环尺寸远低于200纳米。”

制造完成后，这些原型在瑞士光源SLS用X射线、在瑞士散裂中子源SINQ用中子进行了快速测试。

Veeraraj说：“世界上几乎没有其他地方（如果存在的话）能让这一切成为现实，中子成像、X射线光学和纳米制造领域的专家们密切合作，他们在PSI园区内步行即可到达彼此，正是这样的合作使此类技术突破成为可能。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-74925-w