Einzigartige Linse rückt Neutronen stärker in den Fokus

Forschende am Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelten die erste achromatische Linse für die Neutronenbildgebung. Das System fokussiert Neutronen unterschiedlicher Wellenlängen präzise auf einen gemeinsamen Brennpunkt. Dadurch entsteht erstmals eine scharfe, vergrößerte Abbildung. Mit dieser Optik lassen sich dicke Materialproben zerstörungsfrei durchleuchten. Auch Prozesse im Inneren von Öfen, Kryostaten oder Druckzellen werden damit visuell zugänglich.

Vorteile und Limitierungen der Neutronenradiographie

Neutronenstrahlen dringen tief in Metalle ein. Sie reagieren gleichzeitig hochsensitiv auf leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium. Dies prädestiniert sie für die Analyse von Batterien, Motoren oder archäologischen Artefakten. Die geringe Wechselwirkung mit Materie erschwert jedoch die Fokussierung der Strahlen. Bisher mussten Proben für scharfe Bilder direkt am Detektor platziert werden. „Die erreichbare Auflösung ist damit eingeschränkt – aber auch die Grösse des Objekts oder der Probenumgebung, die abgebildet werden kann“, sagt Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj.

Funktionsprinzip der achromatischen Neutronenoptik

Die Neuentwicklung fokussiert ein breites Wellenlängenspektrum ohne chromatische Aberration. Das System erzielt eine Ortsauflösung von unter 20 Mikrometern bei freier Positionierung der Probe. „Das Fehlen einer solchen Linse hat die Neutronenbildgebung jahrzehntelang behindert“, meint Joan Vila-Comamala. „Nun, da wir über eine solche Linse verfügen, wird es möglich sein, Vorgänge zu beobachten, die im Inneren von Geräten wie Öfen, Kryostaten oder Druckzellen stattfinden. Ausserdem ebnet sie den Weg zur Neutronenmikroskopie, bei der ein Objekt vergrössert werden kann und weitere Details sichtbar werden.“

In-situ-Validierung an Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Die Forschenden validierten die Linse durch die zerstörungsfreie Analyse einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie. Sie vergrößerten die Schichtstruktur der Elektroden um das Siebenfache. Die Batterie befand sich dabei sechs Meter weit vom Detektor entfernt. Dies demonstriert das Potenzial für In-situ-Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen. „Das ist aber erst der Anfang“, fügt Dhanalakshmi Veeraraj hinzu. „Wir sehen bereits Möglichkeiten, diese Linse zu verbessern. Entscheidend ist nicht nur die Auflösung, sondern eine völlig neue Art der Bildgebung.“

Für eine maximale Vergrößerung benötigen Neutronenquellen künftig längere Strahllinien. „Wenn die Strahllinie lang genug ist, lässt sich das Bild im Prinzip noch weiter vergrössern. Nicht die Linse stellt dabei die Grenze dar, sondern die Länge des Geräts“, sagt Dhanalakshmi Veeraraj.

Hybrid-Optik aus Beugung und Brechung

Das Design basiert auf einer zuvor am PSI entwickelten achromatischen Röntgenlinse. Die Neutronenlinse kombiniert diffraktive und refraktive Effekte. Konzentrische Ringe aus Nickel erzeugen ein Beugungsmuster. Präzise Diamantstrukturen brechen den Neutronenstrahl komplementär dazu. Die Fertigung der feinen Nickelringe unter 200 Nanometern erfolgte mittels Elektronenstrahl-Lithografie in den PSI-Reinräumen. Die Diamantstrukturen lieferte das Unternehmen SYNOVA S.A. „Die Nickelringe werden immer kleiner, wobei die feinsten Ringe deutlich weniger als 200 Nanometer messen“, erklärt Vila-Comamala.

Die anschließende Charakterisierung der Prototypen erfolgte direkt an den PSI-Großforschungsanlagen SLS und SINQ. „So etwas ist, wenn überhaupt, nur an wenigen anderen Standorten in der Welt möglich“, meint Dhanalakshmi Veeraraj. „Die enge Zusammenarbeit zwischen Experten aus den Bereichen Neutronenbildgebung, Röntgenoptik und Nanostrukturierung, deren Arbeitsstätten auf dem PSI-Campus untereinander fussläufig erreichbar sind, macht technologische Durchbrüche wie diesen möglich.“

Quelle

Paul Scherrer Institut (PSI) (07/2026)