Кубанский государственный технологический университет

Холодные нейтронные лучи прощупывают предметы, не внося никаких возмущений

08-11-2011
Титановый стержень и завязанная узлом свинцовая проволока: снимок получен в нейтронных лучах с помощью нейтронного интерферометра (изображение с сайта focus.aps.org)

Швейцарские физики добились прорыва в применении нейтронной томографии к изучению веществ. Изображения тел в нейтронных лучах вскрывают ядерные свойства веществ вне зависимости от химического окружения.

Арсенал средств современной экспериментальной физики, позволяющий «прощупывать» вещество и изучать его свойства, чрезвычайно велик. Звуковые волны, лазерное излучение всевозможных длин волн и поляризаций, просвечивающая электронная и нейтронная микроскопия — все эти методы чувствительны к разным свойствам вещества, и получаемая с их помощью информация дополняет друг друга.

Особняком тут стоит нейтронная интерферометрия: как явление она существует, но применить ее к изучению веществ пока не удавалось.

Нейтроны, как и всякие объекты микромира, подчиняются законам квантовой механики, а значит должны испытывать типично волновые явления — интерференцию и дифракцию. Именно на этом принципе основан нейтронный интерферометр, с помощью которого можно, например, изучать влияние силы тяжести на нейтроны.

Казалось бы, на основе этого же явления можно исследовать и структуру вещества. При очень малых энергиях нейтроны становятся больше похожими на сгустки волн, чем на отдельные частицы. Когда длина «нейтронной» волны становится больше типичного размера атома, такой нейтрон при прохождении сквозь вещество уже не взаимодействует с отдельными ядрами, а чувствует локальную плотность среды «в целом». В результате холодные нейтроны распространяются в веществе, словно свет в прозрачной среде: нейтронный поток чувствует лишь некий средний коэффициент преломления, который зависит от типа среды (см. подробнее статью Нейтронная оптика).

Это значит, что — в полной аналогии с оптическими приборами — можно взять нейтронный интерферометр и изучить трехмерное распределение плотности и изотопного состава вещества. Такой прибор был бы незаменим при изучении крупных непрозрачных тел, например цельнометаллических предметов, для которых прочие методики наблюдения неудобны. За последние годы предпринимались многочисленные попытки построить такой прибор. Был даже достигнут какой-то прогресс, но успехом назвать его пока не получается. Для одного-единственного снимка требовалась «экспозиция» в несколько часов, а ведь для получения хорошей трехмерной картинки необходимы сотни таких снимков!

Свежая статья швейцарских физиков F. Pfeiffer et al., Physical Review Letters 96, 215505 (2 June 2006) стала гигантским шагом вперед в этой области. Авторы работы придумали способ ускорить этот процесс в сотни раз и при этом кардинально упростить установку!

По сути дела, для рассматривания предмета в «нейтронных лучах» исследователи применили точно такой же метод, какой используем мы при разглядывании осколка прозрачного стекла в воде. В воде и в стекле свет преломляется по-разному, и хотя сам материал стекла остается невидимым, он слегка отклоняет и искажает проходящие сквозь него лучи света. Поэтому если внимательно рассмотреть узор на дне, то стекло можно заметить по искажениям, вносимым в этот узор.

Авторы работы с помощью простой системы из двух дифракционных решеток, разнесенных на пять метров, создали на экране узор из параллельных чередующихся дифракционных полосок (напомним, что речь идет про нейтронные лучи!). Если теперь в пространство между решетками поместить тело, то нейтронная волна, проходя через него, слегка сдвинет свою фазу, и из-за этого сдвинутся и полоски на экране. По сдвигу полосок и можно получить «нейтронный снимок».

Тут, правда, возникает техническая трудность. Полоски нейтронной интенсивности на экране столь частые (250 полосок на миллиметр), что никакой нейтронный детектор их не разрешит, и уж тем более не заметит их сдвиг. Но швейцарцы очень элегантно преодолели эту трудность. На экране, непосредственно перед детектором, была установлена третья дифракционная решетка с точно таким же периодом, как у полосок. В результате при контрольном замере детектор «видел» однородный фон, но как только помещали тело, в детекторе возникало его контрастное изображение.

Авторы сообщают, что для получения каждого снимка им было достаточно минуты, и за пару часов можно было полностью реконструировать сложный трехмерный объект. Они подчеркивают, что при этом использовался источник нейтронов без каких-либо выдающихся характеристик: не слишком мощный, не слишком монохроматический и практически некогерентный. Таким образом, нейтронная фазоконтрастная томография стала доступна любому исследовательскому центру нейтронной физики.

Может возникнуть вопрос: а зачем вообще понадобилось рассматривать тело в «еще одних лучах»? Что принципиально нового может дать этот метод?

Нейтронная волна чувствует не атомы или молекулы с их электронными оболочками, а непосредственно ядра. Нейтронная томография восстановит ядерные свойства материала вне зависимости от химического окружения. Вы можете покрасить кусочек вещества краской, покрыть его полимерной пленкой, окислить его до какого-то совершенно неузнаваемого состояния или даже вплавить в свинцовую гирьку — нейтронная томография этот элемент всё равно распознает. Наконец, облучение медленными нейтронами не вносит никаких возмущений в химическую структуру вещества, не трогает хрупкие электростатические структуры и не разрушает магнитные домены. Холодные нейтроны ничему не «мешают» — они лишь аккуратно прощупывают вещество.

См. также: Neutron Vision — заметка из Physical Review Focus об этой работе.

Игорь Иванов

‹‹