保罗·谢勒研究所(PSI)研究人员开发出世界首个用于中子成像的消色差透镜，解决了长期困扰该领域的关键难题：如何将不同波长的中子同时聚焦到同一位置，从而获得清晰、放大的图像。相关成果已发表于《自然通讯》。
来自保罗·谢勒研究所(PSI)光子科学中心的Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj和Joan Vila-Comamala在瑞士散裂中子源SINQ外展示了消色差中子透镜。中子科学和X射线光学领域的专家密切合作，使得中子成像领域长期存在的一个难题得以解决。保罗·谢勒研究所 PSI/Markus Fischer
中子成像是材料研究中的重要手段。与X射线相比，中子能够深入穿透多种金属，同时对氢、锂等轻元素高度敏感，因此可用于观察电池、发动机、植物和考古文物等对象内部的结构与物质分布。不过，中子与物质相互作用较弱，这一特性虽然有利于穿透成像，却也让中子束的偏转和聚焦变得十分困难，限制了高分辨率成像技术的发展。
传统中子成像通常不使用透镜，样品需要尽量靠近探测器，以避免图像模糊。这意味着大型样品或置于熔炉、低温恒温器、压力池等复杂装置中的样品，很难实现高质量成像。PSI此次研制的新型消色差中子透镜，可将不同波长的中子聚焦到同一点，即便样品距离探测器较远，也能获得分辨率低于20微米的放大图像。
远距离也能看得更清晰：这张放大后的中子图像展示了一个直径三毫米的PSI标志，它是使用新型消色差中子透镜拍摄的，标志放置在距离探测器六米处。如果没有这枚透镜，要获得类似的分辨率，物体必须放置在距离探测器几厘米甚至几毫米的范围内。保罗·谢勒研究所 PSI/Mano Raj Dhanalakshmi Veeraraj
研究团队在实验中将一个直径约3毫米的PSI标志放置在距离探测器6米的位置，利用该透镜获得了清晰的放大中子图像。若没有该透镜，要达到类似分辨率，样品通常必须放在距离探测器数厘米甚至数毫米的位置。研究人员还使用该透镜对商用锂离子电池进行测试，实现了对卷绕电极层状结构约7倍放大成像。
该技术有望用于观察真实工作环境中的材料和设备内部过程，例如追踪运行中发动机部件的结构变化，或研究电池内部锂分布及电极结构演化。研究人员认为，这不仅是分辨率提升，更可能改变中子成像获取图像的方式。未来，若中子成像装置配备更长光束线，还可能实现更高放大倍率。
据了解，该透镜的设计借鉴了PSI此前在X射线消色差光学方面的研究经验，由镍制同心环和精密金刚石结构组成。镍环负责产生衍射效应，金刚石结构则对中子束进行折射，两者共同作用，在探测器上形成放大图像。镍结构通过电子束光刻技术制造，最精细环形结构尺寸小于200纳米。
研究团队表示，中子成像、X射线光学和纳米制造等多学科协同，是该突破得以实现的重要基础。随着欧洲散裂中子源等新一代中子设施建设推进，相关透镜技术有望进一步拓展中子显微成像及其在能源、材料和工程领域的应用空间。
