Los microscopios de neutrones utilizan neutrones enfocados por dispersión de neutrones de ángulo pequeño para crear imágenes al pasar neutrones a través de un objeto que se va a investigar. Los neutrones que no son absorbidos por el objeto chocan con objetivos de centelleo donde se puede detectar la fisión nuclear inducida del litio-6 y utilizarla para producir una imagen.
Los neutrones no tienen carga eléctrica , lo que les permite penetrar sustancias para obtener información sobre la estructura a la que no se puede acceder mediante otras formas de microscopía. A partir de 2013, los microscopios de neutrones ofrecían un aumento cuádruple y una iluminación entre 10 y 20 veces mejor que las cámaras de neutrones estenopeicas. [1] El sistema aumenta la frecuencia de la señal al menos 50 veces. [2]
Los neutrones interactúan con los núcleos atómicos a través de la interacción nuclear fuerte . Esta interacción puede dispersar a los neutrones de su trayectoria original y también absorberlos. Por lo tanto, un haz de neutrones se vuelve progresivamente menos intenso a medida que se adentra en una sustancia. De esta manera, los neutrones son análogos a los rayos X para estudiar el interior de los objetos. [1]
La oscuridad en una imagen de rayos X corresponde a la cantidad de materia que atraviesan los rayos X. La densidad de una imagen de neutrones proporciona información sobre la absorción de neutrones. Las tasas de absorción varían en muchos órdenes de magnitud entre los elementos químicos . [1]
Si bien los neutrones no tienen carga, sí tienen espín y, por lo tanto, un momento magnético que puede interactuar con campos magnéticos externos . [1]
Las imágenes de neutrones tienen potencial para estudiar los llamados materiales blandos, ya que pequeños cambios en la ubicación del hidrógeno dentro de un material pueden producir cambios muy visibles en una imagen de neutrones. [1]
Los neutrones también ofrecen capacidades únicas para la investigación en materiales magnéticos . La falta de carga eléctrica del neutrón significa que no hay necesidad de corregir las mediciones magnéticas por errores causados por campos eléctricos y cargas dispersas. Los haces de neutrones polarizados orientan los espines de los neutrones en una dirección. Esto permite medir la fuerza y las características del magnetismo de un material. [1]
Los instrumentos basados en neutrones tienen la capacidad de sondear el interior de objetos metálicos, como pilas de combustible, baterías y motores, para estudiar su estructura interna. Los instrumentos de neutrones también son excepcionalmente sensibles a los elementos más ligeros que son importantes en los materiales biológicos. [3]
Los grafos de sombras son imágenes producidas al proyectar una sombra sobre una superficie, generalmente tomadas con una cámara estenopeica y se usan ampliamente para pruebas no destructivas . Estas cámaras proporcionan niveles bajos de iluminación que requieren tiempos de exposición prolongados. También proporcionan una resolución espacial deficiente. La resolución de una lente de este tipo no puede ser menor que el diámetro del orificio. Se obtiene un buen equilibrio entre iluminación y resolución cuando el diámetro del orificio estenopeico es aproximadamente 100 veces menor que la distancia entre el orificio estenopeico y la pantalla de imagen, lo que convierte efectivamente al orificio estenopeico en una lente f/100 . La resolución de un orificio estenopeico f/100 es de aproximadamente medio grado. [1]
Las lentes de vidrio y los espejos convencionales son inútiles para trabajar con neutrones, porque pasan a través de dichos materiales sin refracción ni reflexión . En cambio, el microscopio de neutrones emplea un espejo Wolter , similar en principio a los espejos de incidencia rasante utilizados para los telescopios de rayos X y rayos gamma . [1]
Cuando un neutrón roza la superficie de un metal en un ángulo suficientemente pequeño, se refleja en dirección opuesta a la superficie del metal en el mismo ángulo. Cuando esto ocurre con la luz, el efecto se denomina reflexión interna total . El ángulo crítico para la reflexión rasante es lo suficientemente grande (unas décimas de grado para los neutrones térmicos) como para que se pueda utilizar un espejo curvo. Los espejos curvos permiten entonces crear un sistema de imágenes. [1]
El microscopio utiliza varios cilindros reflectantes anidados uno dentro de otro, para aumentar la superficie disponible para la reflexión. [3]
El flujo de neutrones en el plano focal de la imagen se mide mediante un conjunto de imágenes CCD con una pantalla de centelleo de neutrones delante. La pantalla de centelleo está hecha de sulfuro de cinc , un compuesto fluorescente , mezclado con litio . Cuando un neutrón térmico es absorbido por un núcleo de litio-6 , provoca una reacción de fisión que produce helio , tritio y energía. Estos productos de fisión hacen que el fósforo de ZnS se encienda, produciendo una imagen óptica para capturar mediante el conjunto CCD. [1]