Neutronen ermöglichen einzigartige Einblicke in die Struktur von Materialien, gelten jedoch als schwierig zu lenken. Sie werden an Forschungsanlagen wie der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ als Strahl erzeugt und können ähnlich wie Röntgenstrahlen zur zerstörungsfreien Durchleuchtung von Materialien und Objekten eingesetzt werden. Im Unterschied zu Röntgenstrahlen dringen Neutronen tief in viele Metalle ein und reagieren gleichzeitig empfindlich auf leichte Elemente wie Wasserstoff und Lithium. Dadurch lassen sich unter anderem die Verteilung von Öl, Polymeren oder Lithium in metallischen Strukturen wie Motoren oder Batterien untersuchen, die Wasseraufnahme von Pflanzen sichtbar machen oder archäologische Artefakte zerstörungsfrei analysieren.

Gerade diese schwache Wechselwirkung mit Materie erschwert jedoch das Ablenken und Bündeln von Neutronen und hat die Entwicklung leistungsfähiger Bildgebungsverfahren bislang begrenzt.

Die besondere Herausforderung besteht darin, dass Neutronenstrahlen üblicherweise aus Neutronen mit unterschiedlichen Wellenlängen bestehen. Für hochauflösende Bilder müssen alle diese Wellenlängen auf denselben Brennpunkt fokussiert werden. Frühere Ansätze für eine Linse, die ein breites Spektrum an Neutronen bündeln kann, scheiterten bislang.

Bislang kommen in der Neutronenbildgebung deshalb keine Linsen zum Einsatz. Um scharfe Bilder zu erhalten, müssen Proben möglichst dicht am Detektor positioniert 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, Erstautor der Studie und Doktorand am Zentrum für Photonenforschung des PSI.

Die nun entwickelte achromatische Neutronenlinse ist nach Angaben des PSI weltweit die erste ihrer Art. Sie fokussiert ein breites Spektrum an Neutronenwellenlängen auf denselben Punkt und ermöglicht dadurch scharfe, vergrößerte Abbildungen mit einer Auflösung von weniger als 20 Mikrometern – auch dann, wenn sich das Untersuchungsobjekt nicht unmittelbar neben dem Detektor befindet.

„Das Fehlen einer solchen Linse hat die Neutronenbildgebung jahrzehntelang behindert“, meint Joan Vila-Comamala, Wissenschaftler am Zentrum für Photonenforschung des PSI und Leiter des Teams. „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.“

Für den Praxistest durchleuchtete das Forschungsteam eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie. Dabei konnten die Forschenden den Schichtaufbau der gewickelten Elektroden um das Siebenfache vergrößern, obwohl sich die Batterie sechs Meter vom Detektor entfernt befand.

Künftig könnte die Technologie dazu beitragen, feine innere Strukturen von Materialien und technischen Systemen während des Betriebs unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. So ließen sich beispielsweise strukturelle Veränderungen an Bauteilen eines laufenden Motors sichtbar machen.

„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.“

Um das Potenzial der neuen Linsentechnologie vollständig auszuschöpfen, könnten Anpassungen an bestehenden Neutronenbildgebungsanlagen erforderlich werden. Insbesondere längere Strahllinien würden größere Bildvergrößerungen ermöglichen. „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. Neue Anlagen wie die derzeit in Schweden entstehende Europäische Spallationsquelle ESS berücksichtigen diese Anforderungen bereits.

Die Entwicklung baut auf früheren Arbeiten des Teams im Bereich der Röntgenoptik auf. Bereits 2022 entwickelte die Arbeitsgruppe eine achromatische Röntgenlinse für Synchrotron- und Röntgenlaser-Anlagen wie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und SwissFEL. Für die Neutronenlinse wurden das Know-how der Röntgenoptik am Zentrum für Photonenforschung mit der Expertise der Neutronenbildgebung am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI zusammengeführt.

Die Linse besteht aus konzentrischen Nickelringen sowie präzise geformten Diamantstrukturen, die in einer exakt definierten Geometrie angeordnet sind. Während klassische Linsen für sichtbares Licht ausschließlich auf Brechung beruhen, nutzt die Neutronenlinse zusätzlich Beugungseffekte. Die Nickelringe erzeugen das Beugungsmuster, die Diamantstrukturen brechen den Neutronenstrahl. Das Zusammenspiel beider Effekte erzeugt schließlich das vergrößerte Bild am Detektor.

Die Nickelstrukturen wurden mithilfe von Elektronenstrahl-Lithografie in den neu eingeweihten PICO-Reinräumen des PSI gefertigt, die diamantbasierten Brechungsstrukturen stammen vom Schweizer Unternehmen SYNOVA S.A. „Die Nickelringe werden immer kleiner, wobei die feinsten Ringe deutlich weniger als 200 Nanometer messen“, erklärt Vila-Comamala.

Anschließend wurden die Prototypen sowohl an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS mit Röntgenstrahlen als auch an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ mit Neutronen getestet.

„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.“