6 m lagen zwischen einer Lithium-Ionen-Batterie und dem Detektor. Trotzdem konnten Forschende die gewickelten Elektrodenschichten im Inneren siebenfach vergrößert abbilden. Möglich machte das eine neuartige Neutronenlinse aus Nickel und Diamant.
Ein Forschungsteam unter Leitung des Paul Scherrer Instituts PSI hat die Optik für die Neutronenmikroskopie entwickelt. Sie bündelt Neutronen unterschiedlicher Wellenlängen in einem gemeinsamen Bild. Das war mit bisherigen Neutronenlinsen nur eingeschränkt möglich. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.
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Warum Neutronen dort helfen, wo Röntgenstrahlen an Grenzen stoßen
Neutronen eignen sich besonders gut, um in metallische Bauteile hineinzuschauen. Sie durchdringen viele Metalle und reagieren zugleich empfindlich auf leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Damit ergänzen sie Röntgenaufnahmen. Diese zeigen vor allem schwere Elemente und dichte Materialien deutlich. Neutronen können dagegen sichtbar machen, wie sich Lithium in einer Batterie, Öl in einem Motorgehäuse oder Wasser in einer Pflanze verteilt. Auch archäologische Fundstücke lassen sich untersuchen, ohne sie zu öffnen oder zu beschädigen.
Die geringe Wechselwirkung mit Materie hat allerdings einen Nachteil: Neutronen lassen sich deutlich schwerer ablenken und fokussieren als sichtbares Licht oder Röntgenstrahlen.
Bei der klassischen Neutronenradiografie befindet sich deshalb meist keine abbildende Linse zwischen Objekt und Detektor. Die Probe muss möglichst dicht vor dem Detektor stehen. Mit zunehmendem Abstand werden die Konturen unschärfer.
„Dies schränkt sowohl die erreichbare Auflösung als auch die Größe des Objekts oder der Probenumgebung ein“, sagt Studienerstautor Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj vom PSI.
Das erschwert Untersuchungen unter realistischen Bedingungen. Eine Batterie, ein Motorbauteil oder eine Materialprobe lässt sich nicht beliebig nahe an den Detektor schieben, wenn sie sich in einem Ofen, einer Druckzelle oder einer Tieftemperaturanlage befindet.
Viele Wellenlängen, aber nur ein Brennpunkt
Ein Neutronenstrahl besteht meist aus Neutronen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Vergleichbar ist das mit weißem Licht, das sich aus verschiedenen Farben zusammensetzt.
Eine einfache Linse lenkt jede Wellenlänge etwas anders ab. Dadurch entstehen mehrere Brennpunkte, und das Bild verliert an Schärfe. Fachleute sprechen von chromatischer Aberration.
Das neue optische System gleicht diesen Fehler aus. Es kombiniert zwei verschiedene Wirkprinzipien:
- Konzentrische Nickelringe beugen die Neutronenwellen.
- Präzise geformte Diamantstrukturen brechen den Strahl.
- Beide Elemente korrigieren gemeinsam die Verschiebung des Brennpunkts.
Die Nickelstruktur arbeitet als sogenannte Fresnel-Zonenplatte. Statt einer gewölbten Glasfläche nutzt sie zahlreiche feine Ringe, die den Strahl gezielt überlagern. Die Diamantlinsen lenken die Neutronen in die entgegengesetzte Richtung und gleichen damit die wellenlängenabhängige Unschärfe aus.
Nach Angaben des PSI handelt es sich um die erste praktisch nutzbare achromatische Neutronenlinse, die diese Brechungs- und Beugungselemente kombiniert. Achromatische Neutronenoptiken auf Basis von Spiegeln wurden bereits früher erprobt. Neu ist daher nicht jede Form der farbfehlerfreien Neutronenabbildung, sondern diese konkrete Linsenkonstruktion.
Batterie bleibt 6 m vom Detektor entfernt
Beim entscheidenden Versuch bildete das Team eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie ab. Die Zelle stand 6 m vor dem Detektor. Die Optik vergrößerte die Schichtstruktur der aufgewickelten Elektroden um den Faktor sieben. Das System erreichte dabei laut PSI eine räumliche Auflösung von weniger als 20 µm.
Ohne eine abbildende Linse müssen Proben für eine vergleichbare geometrische Schärfe gewöhnlich sehr viel näher am Detektor stehen. Der größere Abstand schafft Raum für Gehäuse, Kabel, Heizungen, Druckbehälter und weitere Messtechnik.
Die Vergrößerung bringt noch einen weiteren Vorteil. Sie kann kleine Strukturen so groß auf den Detektor projizieren, dass auch vergleichsweise effiziente Detektorsysteme eingesetzt werden können, ohne die räumliche Auflösung am untersuchten Objekt entsprechend zu verschlechtern. Diesen Punkt heben die Studienautorinnen und -autoren ausdrücklich hervor.
Was die Neutronenlinse künftig zeigen könnte
Das Forschungsteam sieht mögliche Anwendungen vor allem bei Untersuchungen, die während des Betriebs eines Geräts stattfinden. Denkbar sind unter anderem:
- Veränderungen in den Elektroden von Batteriezellen,
- die Verteilung lithiumhaltiger Bereiche in Metallgehäusen,
- Öl in Motoren oder Getrieben,
- Wasserstoff in Werkstoffen und Brennstoffzellen,
- Materialveränderungen in Öfen oder Druckzellen.
An einem laufenden Motor wurde die Linse bislang jedoch nicht getestet. Die Studie belegt zunächst, dass sich ein vergrößertes und scharfes Neutronenbild aus mehreren Metern Entfernung erzeugen lässt.
„Der entscheidende Punkt ist nicht einfach nur die Auflösung, sondern eine völlig neue Art der Bildaufnahme“, sagt Dhanalakshmi Veeraraj.
Fertigung verlangt Strukturen unter 200 Nanometern
Die Herstellung der Linse war aufwendig. Das PSI fertigte die konzentrischen Nickelringe per Elektronenstrahl-Lithografie im PICO-Reinraum. Die feinsten Ringe messen weniger als 200 nm. Das Schweizer Unternehmen Synova stellte die Brechungselemente aus Diamant her.
Erste Tests liefen an den Neutronenstrahllinien BOA und ICON der Schweizer Spallationsneutronenquelle SINQ. Das vollständige Mikroskopieexperiment fand an der NeXT-Strahllinie des Institut Laue-Langevin in Grenoble statt.
Noch handelt es sich um einen Forschungsaufbau. Stärkere Vergrößerungen benötigen längere Strahlführungen. Damit hängt die erreichbare Vergrößerung künftig nicht nur von der Linse ab, sondern auch von der Größe der jeweiligen Neutronenanlage.
„Wenn man eine ausreichend lange Strahlführung hat, kann man im Prinzip stärker vergrößern“, erklärt Dhanalakshmi Veeraraj. Die neue Linse löst damit ein wichtiges optisches Problem. Ob daraus ein breit einsetzbares Werkzeug für Batterien, Motoren und Werkstoffprüfungen wird, müssen weitere Versuche zeigen.
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