Development of a Neutron Imager using CMOS Pixelated Sensor

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein scharfes Foto eines winzigen, komplizierten Zahnrads mit einer Taschenlampe zu machen, die nicht perfekt ruhig gehalten wird. Das ist im Wesentlichen das, was dieses Team von Wissenschaftlern getan hat, aber anstatt einer Kamera und einer Taschenlampe verwendeten sie einen hochmodernen Sensor und einen Neutronenstrahl (winzige, unsichtbare Teilchen), um ein Foto eines speziellen Testmusters namens „Siemensstern“ zu machen.

Hier ist die Geschichte, wie sie es gemacht haben und was sie herausgefunden haben, unterteilt in einfache Konzepte.

Das Ziel: Eine super-scharfe „Neutronenkamera“

Neutronen sind großartig, um in Materialien hineinzusehen (wie man das Skelett einer Maschine sieht, ohne sie auseinanderzunehmen), aber sie sind schwer einzufangen. Um ein Bild mit ihnen aufzunehmen, benötigt man einen Sensor, der diese unsichtbaren Teilchen in ein sichtbares Bild verwandeln kann.

Die Forscher bauten eine neue Art von „Neutronenkamera“ unter Verwendung eines CMOS-Sensors – derselben Art von Chip, die auch in Ihrer Smartphone-Kamera zu finden ist, nur „super aufgeladen“. Um den Sensor empfindlich für Neutronen zu machen, beschichteten sie die Rückseite des Sensors mit einer sehr dünnen Schicht aus Bor-10. Stellen Sie sich diese Schicht wie eine klebrige Falle vor: Wenn ein Neutron darauf trifft, explodiert es in zwei geladene Teilchen (wie ein winziges Alpha-Teilchen und ein Lithium-Atom), die der Sensor leicht sehen und aufzeichnen kann.

Der Test: Der „Siemensstern“

Um zu sehen, wie gut ihre neue Kamera war, haben sie nicht einfach ein Foto eines zufälligen Objekts gemacht. Sie verwendeten einen Siemensstern.

• Die Analogie: Stellen Sie sich eine Pizza vor, die in 128 winzige Stücke geschnitten ist, aber anstatt massiv zu sein, bestehen die Stücke aus abwechselnden schwarzen und weißen Linien, die immer enger zusammenrücken, je näher man zur Mitte kommt.
• Die Herausforderung: Wenn Ihre Kamera unscharf ist, werden die Linien in der Nähe der Mitte (wo sie sehr eng beieinander liegen) nur wie ein grauer Matsch aussehen. Wenn Ihre Kamera scharf ist, können Sie die einzelnen Linien noch erkennen.

Sie platzierten diesen Stern vor ihrem Sensor in einer riesigen Forschungseinrichtung namens J-PARC in Japan, die einen leistungsstarken Neutronenstrahl aussendet.

Der Prozess: Das Rauschen sortieren

Nicht nur Neutronen fliegen dort herum; es gibt auch Hintergrund-„Rausch“-Teilchen (wie Gammastrahlen).

• Der Filter: Die Wissenschaftler schrieben ein Computerprogramm, das wie ein Türsteher in einem Club fungierte. Es suchte nach den „Fußabdrücken“, die Teilchen auf dem Sensor hinterließen.
  • Neutronen hinterlassen einen ordentlichen, symmetrischen Fußabdruck (wie eine kleine Pfütze).
  • Hintergrundrauschen hinterlässt einen langen, in die Länge gezogenen Fußabdruck (wie ein verschmiertes Gebilde).
• Der Computer behielt nur die ordentlichen, runden Fußabdrücke und warf die Verschmierungen weg, um sicherzustellen, dass das fertige Bild nur aus echten Neutronendaten bestand.

Die Ergebnisse: Wie scharf war das Bild?

Als sie das Bild entwickelten, fanden sie einige interessante Dinge heraus:

1. Die Unschärfe: Das Bild war nicht perfekt scharf; es war leicht verschwommen. Sie maßen diese Unschärfe und stellten fest, dass sie etwa 17 Mikrometer breit war (das ist etwa die Breite eines menschlichen Haares).
2. Die Ursache: Sie erkannten, dass diese Unschärfe nicht daran lag, dass ihre Kamera schlecht war. Ihre Kamera ist tatsächlich sehr scharf (besser als 5 Mikrometer). Die Unschärfe wurde tatsächlich durch den Neutronenstrahl selbst verursacht.
   • Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie leuchten mit einer Taschenlampe durch ein kleines Loch. Wenn das Loch perfekt ist, ist der Strahl ein gerader, enger Laser. Aber wenn das Loch etwas wackelig ist oder die Lichtquelle breit ist, breitet sich der Strahl ein wenig aus. Die Neutronen breiteten sich leicht aus, während sie reisten, was das Bild unscharf machte.
3. Die „Blende“ der Neutronen: In der Fotografie gibt die „Blendenzahl“ an, wie viel Licht hineinkommt. In der Neutronenbildgebung verwenden sie etwas, das man das L/D-Verhältnis nennt (Länge zu Durchmesser). Ihr Experiment zeigte, dass sich der Strahl so verhielt, als hätte er ein L/D-Verhältnis von 370. Dies ist eine sehr hohe Zahl, was bedeutet, dass der Strahl sehr kompakt und gut kontrolliert war, was großartig ist, um klare Bilder zu erhalten.

Der „Cutoff“-Punkt

Sie testeten auch, wie klein die Details werden konnten, bevor sie verschwanden.

• Sie betrachteten den Siemensstern und fragten: „An welchem Punkt werden die Linien so eng beieinander, dass wir sie nicht mehr voneinander unterscheiden können?“
• Sie fanden heraus, dass das System 12 Paare von Linien pro Millimeter deutlich unterscheiden konnte, bevor die Bildklarheit auf 50 % sank. Dies ist ein Maß für die „Auflösung“ oder Schärfe der Kamera.

Das Fazit

Die Wissenschaftler haben erfolgreich eine neue, hochpräzise Neutronenkamera gebaut, die aus einem Standard-Computerchip besteht, der mit einer Bor-Beschichtung modifiziert wurde. Sie bewiesen, dass sie funktioniert, indem sie ein Foto eines Teststern-Musters aufnahmen.

Das Bild war leicht unscharf, aber nicht, weil die Kamera schwach war. Die Unschärfe kam durch den Neutronenstrahl selbst, der sich leicht ausbreitete. Durch das Messen dieser Unschärfe bestätigten sie, dass ihre Kamera unglaublich scharf ist (in der Lage, Details kleiner als ein menschliches Haar zu sehen) und dass der Neutronenstrahl, den sie verwendeten, von sehr hoher Qualität war. Dieses Werkzeug könnte Wissenschaftlern helfen, die Größe und Form von Neutronenstrahlen an Orten zu überwachen, die für Menschen zu gefährlich sind, also direkt neben der Neutronenquelle.