Рекордно быстрая нейтронная томография показала впитывание воды корнями

Физикам удалось ускорить нейтронную томографию за счет нового источника нейтронов почти в семь раз, что позволило уменьшить время получения одного кадра до 10 миллисекунд. Для демонстрации возможностей авторы в динамике зафиксировали процесс движения воды в почве с временным разрешением в полторы секунды, однако потенциал метода намного шире, пишут ученые в журнале Optics Express.

Нейтронная томография — это вид компьютерной томографии, который позволяет получать трехмерные изображения объектов посредством просвечивания потоком нейтронов. Так как различные атомные ядра значительно варьируются в плане сечения взаимодействия с этим видом частиц, то вещества отличающегося состава отображаются в виде областей разной контрастности.

Трехмерные изображения получают путем просвечивания образца с разных сторон и последующей компьютерной обработки. Предельное пространственное разрешение современной нейтронной томографии составляет порядка 25 микрон, что несколько хуже, чем у обычной компьютерной томографии с использованием рентгеновских лучей. Тем не менее, в некоторых областях использование нейтронов оказывается предпочтительнее.

В основном нейтронная томография используется в промышленности для диагностики различных устройств без необходимости их разбирать, а также в области наук о материалах. Также есть примеры успешного применения в медицине, но взаимодействие нейтронов с некоторыми изотопами приводит к появлению радиоактивных ядер, что сдерживает распространение технологии. В области биологии с помощью этого метода сканируют окаменелости, которые лишь слегка отличаются по свойствам от окружающих пород.

В работе ученых из Германии и Франции под руководством Кристиана Тёцке (Christian Tötzke) из Потсдамского университета описаны первые результаты применения метода нейтронной томографии с использованием недавно запущенного источника частиц NeXT (Neutron and X-ray Tomography) во французском Институте Лауэ — Ланжевена. Авторы пишут, что поток нейтронов на данный момент является основным ограничивающим фактором данного метода.

Новый источник позволил получать изображения значительно быстрее. Исследователям удалось сократить время получения одного кадра до 10 миллисекунд, а на формирование одного полноценного трехмерного скана, составленного на основе 155 проекций, потребовалось всего полторы секунды, что в 6,7 раза меньше предыдущего рекорда. Пространственное разрешение составило около 200 микрон.

В качестве демонстрации возможностей технологии ученые зафиксировали процесс движения и воды в почве и ее впитывания в корни растения. Для увеличения контраста изображения авторы наливали в горшок с люпином тяжелую воду, то есть содержащую повышенное количество дейтерия — изотопа водорода с нейтроном и протоном в ядре. Результаты авторы представили как в виде отдельных кадров, так и на видео.

Авторы планируют увеличить возможности быстрой нейтронной томографии. В частности, они собираются разработать более быстрые камеры, которые следят за сцинтилляцией нейтронов на специальном экране позади сканируемого объекта, а также улучшить систему вращения образца, что необходимо для получения различных проекций. В будущем будут возможны и другие исследования, например, динамики движения атомов лития внутри литий-ионных батарей.

Ранее сообщалось, что астрофизики смогли сделать томографию сверхновой, физики исследовали при помощи магнитно-резонансной томографии отдельные атомы, а томография чипсов прояснила условия правильной жарки. Также мы составляли галерею с результатами сканирования овощей в томографе.