科学家利用中子揭示了幕后的力量

naichabei1个月前科学与科技9

美国国家标准与技术研究院(NIST)和桑迪亚国家实验室的科学家们在成像技术方面迈出了潜在的一步,他们开发了一种使用中子来检测常规探头无法到达的空间中电场的方法。



在《物理评论快报》(Physical Review Letters)中描述了它们的非破坏性但具有穿透性的方法,它可能导致传感设备能够穿透墙壁,从而检测出电子部件中的电场,这对于安全性检查和其他诊断应用而言显然是有用的功能。


NIST物理学家丹·休西(Dan Hussey)表示:“这是任何人第一次能够对物理隔离的电场进行成像。” “可能有些东西你不想拆开但要检查。即使障碍物挡在了路上,这种方法也可能提供一种查看其电场的方法。”


该技术需要一束强烈的极化中子束,中子与质子一起形成除简单氢以外的所有元素的核。中子具有穿透致密材料(例如金属)的能力,这些材料会阻止其他粒子或辐射类型的通过。


与带电粒子(例如带正电的质子)不同,中子没有净电荷。但是,它们确实具有一种称为自旋的磁性,可以通过磁场来操纵。在中子的自旋方向由磁性,使用的东西对自己有利的科研团队的影响。


休西说:“中子是电中性的,但我们正在用它来感应电场。”


这个想法起源于桑迪亚物理学家袁裕(Juan-Yu Jau),他最近开始了实验室定向研究与开发(LDRD)项目,以检测传统探头无法到达的空间中的电场。为了实现这一目标,Jau需要一个良好的中子源和功能强大的探测器,这些需求使他进入了NIST中子研究中心(NCNR)。


当中子通过电场时,它相当于向固定中子移动的电场;只有视角或参照系不同。当电场源移动时,它会产生磁场。


即使在此演示实验中使用了强电场,有效磁场也很弱(大约比地球磁场小50倍)。然而,这种弱磁场使中子的磁自旋方向略微倾斜。在实验中,倾斜角小于1度,但是使用该小组开发的灵敏旋光法,可以测量到很小的旋转,精度约为100度。


为了进行这种精确的测量,Hussey和他的NIST同事在NCNR的极化技术能力基础上开发出一种比传统极化技术灵敏度高约100倍的方法。他们的方法取决于中子的自旋行为,因为它们进入一种称为螺线管的电磁体,该电磁体与极化的中子自旋滤波器结合使用。该设备是为其他目的而开发的,但事实证明对于该研究而言是理想的。


实验条件似乎削弱了该技术在现场的实用价值,因为研究小组需要一个不方便的大型反应堆来产生中子束。但是,确实存在更小的,可商购的中子发生器,这表明该方法有一天可能会被便携式设备利用,如果它能够产生足够强的中子束。


Hussey强调,结果仅表明该概念有效。他说:“我们并没有试图看到金属物体的内部,但是这将在不久的将来实现。”


但是,随着研究人员围绕该技术进行实验设计,传感技术可能会找到更多用途。


休西说:“您可能要在高压电子设备运行时进行诊断,或者可能要研究在样品环境中具有电学特性的材料。” “既然能力已经存在,也许其他想法就会出现。”


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