新中子成像術

Original publish date:Jun 28, 2006

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在六月二日出版的Physical Review Letters中, 研究人員報告了一個不需要高品質的中子束即得到樣品的3D影像的技術. 研究人員表示, 這個技術將可被用在研究磁性物質的內部結構上.

根據波-粒子的二象性, 中子不但具有粒子的性質, 也同時具有波的性質, 因此可以用類似光學的方法來控制它們. 例如讓中子束通過針孔, 可以增加中子束準直性; 若通過適當的折射晶體–就好像稜鏡可以將不同波長的光分開–可以得到較單一能量(或波長)的中子. 但是這兩種方法都是將不符合條件的中子過濾掉, 也因此大大的減低了中子束的強度, 使得使用這種中子源的中子成像術複雜且費時.

Paul Scherrer Institute in Villigen, Switzerland 的Franz Pfeiffer及其同僚利用了一系列的光柵–不透明的屏幕上刻有很多平行的狹縫–設計一個成像系統. 2公分寬的中子束首先通過一個較粗糙的光柵, 使一個中子束分成數個線中子源. 由於狹縫的間距很寬, 因此每條線中子源可看成是各自具有空間同調性且彼此相互獨立的. 利用這樣的中子源(同時使用數個彼此獨立的線中子源), 中子的強度會比以往只使用一道中子束的方法增加至少一百倍.

接著讓這些具有波性質的中子打到第二個較精細的光柵上, 並分別在第二個光柵後方形成明暗交替的繞射條紋. 如果在第一及第二個光柵間置有待測物體, 則通過的中子束會被偏折, 而造成在第二個光柵後方的繞射條紋產生平移. 然而這些平移量相當的小, 一般的中子偵測器是沒有足夠的解析度可以偵測出這些平移的量. 為了將這些平移的資訊取出, 他們在繞射條紋產生的地方放置了第三個光柵, 這個光柵的狹縫間隔恰與繞射條紋的間隔相同. 然後將第三的光柵沿平行光柵的方向緩緩移動, 並量測通過第三個光柵的中子強度隨光柵移動的變化情形. 很明顯的, 若在第一個與第二個光柵間沒有放置物體, 則繞射條紋與第三個光柵完全吻合, 因此通過的中子強度最強. 若放置了物體, 使得繞射條紋產生平移, 則通過第三個光柵中子的強度將會改變, 移動第三個光柵就可以依照通過的強度隨光柵移動的情況而得出繞射條紋平移的情況. 研究人員使用二維的偵測器陣列記錄物體旋轉時所產生的影像平移狀況, 然後利用數學數值計算重建物體與折射中子有關的三維內部結構. 對中子的折射的量測的好處是可以將兩種對中子有相同吸收率的物質, 例如鈦及鉬, 區分出來. 而且這個技術也對於打在整個物體不同部位上的中子強度的差異不敏感, 因此不需要很均勻理想的中子束.

研究人員展示了6及7釐米寬的鈦, 鉛, 鉬及鎂棒的影像, 以及一個鉛條纏在鈦棒上的3維影像. Pfeiffer希望這個方法將來可以擴展到勘測固態的內部結構, 例如磁性物質的磁疇結構. The National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland的Muhammad Arif認為這個方法若要得到更高的解析度, 則需要有更高精密的光柵及對光柵的操控, 而這的確是一項相當大的挑戰. 但是這個方法可以更有效率地使用中子, 也確實是這個方法可以讓人有所期待的地方.

參考來源：

• Physical Review Focus: Neutron Vision
• Neutron Phase Imaging and Tomography

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