17.07.2026
Weltweit erste achromatische Linse für die Neutronenbildgebung entwickelt
Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben die weltweit erste achromatische Linse für die Neutronenbildgebung entwickelt. Die Linse überwindet ein seit Langem bestehendes Hindernis, denn sie fokussiert Neutronen unterschiedlicher Wellenlängen so gut, dass ein scharfes, vergrößertes Bild entsteht.
Mit dieser Linse können Forscher nun dicke Proben durchleuchten und Vorgänge beobachten, die im Inneren sperriger Geräte wie Öfen, Kryostaten oder Druckzellen stattfinden.
Neutronen gewähren einzigartige Einblicke in die Struktur von Materialien - sind aber schwer zu lenken. Sie werden in Forschungsanlagen wie der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ als Strahl erzeugt und lassen sich wie Röntgenstrahlen dazu verwenden, Materialien und Objekte zu durchleuchten.
Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronen jedoch in viele Metalle tief eindringen und bleiben dabei äußerst empfindlich gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium. So lassen sie sich etwa nutzen, um die Verteilung von Öl, Polymeren oder Lithium im Inneren dichter metallischer Strukturen wie Motoren oder Batterien zu beobachten, die Wasseraufnahme von Pflanzen sichtbar zu machen oder um kostbare archäologische Artefakte zerstörungsfrei zu untersuchen.
Doch genau diese schwache Wechselwirkung mit Materie, welche Neutronen so nützlich macht, hat auch zur Folge, dass sie sich notorisch schwer ablenken oder bündeln lassen. Das hat die Entwicklung erweiterter Bildgebungsverfahren bisher behindert. Nun haben Forschende am PSI in der Fachzeitschrift Nature Communications jedoch einen neuen Linsentyp vorgestellt, der dieses Hindernis überwindet.
Eine Linse für alle Neutronenfarben
Die Herausforderung liegt in erster Linie darin, dass Neutronenstrahlen in der Regel aus Neutronen mit vielen verschiedenen Wellenlängen bestehen. Um ein hochauflösendes Bild zu erzeugen, muss die Linse alle diese Wellenlängen auf denselben Brennpunkt lenken. Bisherige Versuche, eine Linse für die praktische Neutronenbildgebung zu entwickeln, mit der sich ein breites Spektrum an Neutronen fokussieren lässt, scheiterten - bis jetzt.Bislang kommen bei der Neutronenbildgebung keine Linsen zum Einsatz. Die Forschenden müssen die Proben jedoch deshalb dicht am Detektor platzieren, um scharfe Bilder zu erhalten. "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 neue Linse, eine sogenannte achromatische Neutronenlinse, ist weltweit die erste ihrer Art. Sie fokussiert ein breites Spektrum an Neutronenwellenlängen auf denselben Punkt. Damit lässt sich eine scharfe, vergrößerte Abbildung mit einer Auflösung von weniger als zwanzig Mikrometer erzielen - auch bei Objekten, die nicht direkt neben dem Detektor platziert werden können.
"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."
Neutronen gewähren einzigartige Einblicke in die Struktur von Materialien - sind aber schwer zu lenken. Sie werden in Forschungsanlagen wie der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ als Strahl erzeugt und lassen sich wie Röntgenstrahlen dazu verwenden, Materialien und Objekte zu durchleuchten. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronen jedoch in viele Metalle tief eindringen und bleiben dabei äußerst empfindlich gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium. So lassen sie sich etwa nutzen, um die Verteilung von Öl, Polymeren oder Lithium im Inneren dichter metallischer Strukturen wie Motoren oder Batterien zu beobachten, die Wasseraufnahme von Pflanzen sichtbar zu machen oder um kostbare archäologische Artefakte zerstörungsfrei zu untersuchen.
Doch genau diese schwache Wechselwirkung mit Materie, welche Neutronen so nützlich macht, hat auch zur Folge, dass sie sich notorisch schwer ablenken oder bündeln lassen. Das hat die Entwicklung erweiterter Bildgebungsverfahren bisher behindert. Nun haben Forschende am PSI in der Fachzeitschrift Nature Communications jedoch einen neuen Linsentyp vorgestellt, der dieses Hindernis überwindet.
Eine Linse für alle Neutronenfarben
Die Herausforderung liegt in erster Linie darin, dass Neutronenstrahlen in der Regel aus Neutronen mit vielen verschiedenen Wellenlängen bestehen. Um ein hochauflösendes Bild zu erzeugen, muss die Linse alle diese Wellenlängen auf denselben Brennpunkt lenken. Bisherige Versuche, eine Linse für die praktische Neutronenbildgebung zu entwickeln, mit der sich ein breites Spektrum an Neutronen fokussieren lässt, scheiterten - bis jetzt.
Bislang kommen bei der Neutronenbildgebung keine Linsen zum Einsatz. Die Forschenden müssen die Proben jedoch deshalb dicht am Detektor platzieren, um scharfe Bilder zu erhalten. "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 neue Linse, eine sogenannte achromatische Neutronenlinse, ist weltweit die erste ihrer Art. Sie fokussiert ein breites Spektrum an Neutronenwellenlängen auf denselben Punkt. Damit lässt sich eine scharfe, vergrößerte Abbildung mit einer Auflösung von weniger als zwanzig Mikrometer erzielen - auch bei Objekten, die nicht direkt neben dem Detektor platziert werden können.
"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."
Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI)