För första gången, forskare har tagit neutrontomografibilder på ungefär en sekund, nästan en storleksordning snabbare än tidigare rapporterade försök. Tills nyligen, långa bildinsamlingstider har varit det största hindret för att använda denna icke-invasiva teknik för att studera dynamiska 3D-processer såsom vattenutbytet mellan rötter och jord.

"Förmågan att få bilder så snabbt gör att vi kan fånga, med oöverträffade detaljer, de snabba processer som är involverade när rötter absorberar vatten och andra näringsämnen från jorden, sade Christian Tötzke, som ledde forskargruppen vid universitetet i Potsdam. "En bättre förståelse för dessa rot-jord-interaktioner kan hjälpa till att optimera vattenanvändningseffektiviteten och växtproduktionen, som skulle kunna bidra till att möta högre krav från en ökande världsbefolkning och begränsade resurser."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , en multiinstitutionell grupp av forskare beskriver hur de åstadkom rekordsnabba avbildningstider för neutrontomografi. Forskningen är en del av ett pågående arbete för att studera den betydande påverkan som rötter har på de fysiska och kemiska egenskaperna hos omgivande jord.

"Eftersom neutroner är mycket känsliga för väte - inklusive väteinnehållande föreningar som vatten - kan höghastighets neutronavbildning användas för att visualisera växtrötter samtidigt som den förändrade vattenfördelningen i marken kartläggs, ", sa Tötzke. "Den kan också användas för att studera andra dynamiska transportprocesser som överföring av vätskor i konstruerade eller naturliga porösa materialsystem."

Till exempel, höghastighetsneutrontomografi kan avslöja nya insikter om dynamiken som uppstår under hydraulisk sprickbildning och användas för att studera beteendet hos litium inuti batterier för att öka deras hållbarhet och säkerhet.

Fånga rot-jord-interaktioner

Hur växter tar upp vatten och näring från marken beror starkt på jordens transportegenskaper intill rötterna, ett område som kallas rhizosfären. En bättre förståelse för rot-jord-interaktioner kräver att forskare lär sig mer om hur strukturella och biokemiska förändringar i rhizosfären påverkar hur vatten och näringsämnen flyter in i rötterna.

Neutronavbildning är idealisk för denna applikation eftersom när neutroner interagerar med atomer som väte och litium, de blir mycket synliga medan metaller som aluminium och titan för det mesta är transparenta. Denna avbildningsmetod särskiljer också väteisotoper, vilket gör att en isotopiskt tyngre vattenmolekyl känd som deutererat vatten kan användas som kontrastmedel. Denna typ av vatten tolereras också väl av växter.

Dock, den relativt långsamma insamlingshastigheten för neutronavbildning har gjort det utmanande att använda för tidsupplösta 3D-studier av snabba processer som vattenabsorption. En neutronkälla tillgänglig vid den nyligen öppnade bildbehandlingsanläggningen NeXT-Grenoble vid Institutet Laue-Langevin kan ge den kraft som behövs för snabbare neutronavbildning.

Utveckla en snabb bilduppsättning

"NeXT-Grenoble har det mest intensiva kalla neutronflödet för avbildningsändamål i världen, sade Tötzke. att använda detta höga flöde krävde att vi optimerade förvärvsparametrarna, som utmanade gränserna för den tillgängliga tekniken."

Forskarna utvecklade en bilduppsättning för snabb avbildning som inkluderade en mycket effektiv scintillatorskärm som omvandlar neutroner till synligt ljus och en vetenskaplig CMOS-kamera med hög bildhastighet. De använde denna uppställning för att studera vattenupptagningen av en lupinväxts rotsystem som roterades med konstant hastighet medan bilder togs kontinuerligt.

"Den data vi inhämtade överträffade förväntningarna, inte bara när det gäller insamlingshastighet utan också signal-brusförhållande och övergripande rumslig upplösning, som visar att detta tillvägagångssätt var perfekt lämpat för att studera hur jord och vatten interagerar med rötter, " förklarade Tötzke.

Nu när forskarna har visat den tekniska genomförbarheten av snabb neutrontomografi, de planerar att designa snabbare kameror och bättre rotationssteg specifikt för denna applikation. De vill också försöka justera neutronflödet för att ytterligare driva den tidsmässiga upplösningen av denna teknik. Den snabba avbildningsuppsättningen kommer också att införlivas i NeXT-instrumentet i Grenoble så att andra forskare kan använda den för att studera snabba transportprocesser.