Som ett potentiellt steg framåt för bildteknik, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och Sandia National Laboratories har utvecklat ett sätt att använda neutroner för att upptäcka elektriska fält i utrymmen som inte går att nå med konventionella sonder.

Deras oförstörande men penetrerande metod, beskrivs i journalen Fysiska granskningsbrev , kan leda till avkänningsenheter som kan se genom väggar för att upptäcka de elektriska fälten i elektroniska komponenter – en helt klart användbar förmåga för säkerhetskontroll och andra diagnostiska tillämpningar.

"Det här är första gången någon har kunnat avbilda ett elektriskt fält som har varit fysiskt isolerat, sa Dan Hussey, en NIST-fysiker. "Det kan finnas något som du inte vill plocka isär utan vill inspektera. Detta tillvägagångssätt kan erbjuda ett sätt att se dess elektriska fält även om barriärer står i vägen."

Tekniken kräver en intensiv stråle av polariserade neutroner, de partiklar som tillsammans med protoner bildar kärnorna för alla andra grundämnen än enkelt väte. Neutroner har förmågan att penetrera täta material, såsom metaller, som blockerar passagen av andra partiklar eller typer av strålning.

Till skillnad från laddade partiklar, såsom positivt laddade protoner, neutroner har ingen elektrisk nettoladdning. Dock, de har en magnetisk egenskap som kallas spin, som kan manipuleras av ett magnetfält. Neutronens spinnriktning påverkas av magnetism – något som forskargruppen använde till sin fördel.

"Neutronen är elektriskt neutral, och ändå använder vi det för att känna av det elektriska fältet, sa Hussey.

Idén har sitt ursprung hos Sandia-fysikern Yuan-Yu Jau, som nyligen startade ett Laboratory Directed Research and Development-projekt (LDRD) för att upptäcka elektriska fält i utrymmen som inte kan nås av konventionella sonder. För att inse det, Jau behövde en bra källa till neutroner och kapabla detektorer - behov som ledde honom till NIST Center for Neutron Research (NCNR).

När en neutron passerar genom det elektriska fältet, det motsvarar det elektriska fältet som rör sig mot en stationär neutron; bara perspektivet, eller referensram, är annorlunda. Och när källan till ett elektriskt fält rör sig, det genererar ett magnetfält.

Även för det starka elektriska fältet som används i detta demonstrationsexperiment, det effektiva magnetfältet var svagt (cirka 50 gånger mindre än jordens magnetfält). Ändå, detta svaga magnetfält lutade riktningen för neutronens magnetiska spin något. I experimenten, lutningsvinkeln var mindre än en grad, men med hjälp av en känslig polarimetrimetod utvecklad av teamet, en liten rotation mättes med en noggrannhet på cirka en hundradels grad.

För att göra denna exakta mätning, Hussey och hans NIST-kollegor byggde på NCNR:s etablerade kapacitet inom polarimetri för att utveckla en metod som är cirka 100 gånger känsligare än konventionell polarimetri. Deras metod beror på beteendet hos neutronernas snurr när de passerar in i en typ av elektromagnet som kallas en solenoid, används tillsammans med ett polariserat neutronspinnfilter. Denna enhet utvecklades för andra ändamål, men det visade sig vara idealiskt för denna forskning.

Förutsättningarna för experimentet kan tyckas underskrida det praktiska värdet av tekniken för användning i fält, eftersom teamet krävde en obekvämt stor reaktor för att generera neutronstrålen. Dock, mindre, kommersiellt tillgängliga neutrongeneratorer finns, vilket tyder på att metoden en dag skulle kunna utnyttjas av bärbar utrustning om den kunde generera en tillräckligt stark neutronstråle.

Hussey betonade att resultaten endast visar att konceptet är giltigt. "Vi hoppade inte framåt för att försöka se inuti metallföremål, men det kommer inom en snar framtid, " han sa.

Dock, avkänningstekniken skulle kunna få fler användningsområden när forskare designar experiment runt den.

"Du kanske vill diagnostisera högspänningselektronik medan de är i drift, eller potentiellt studera material som har elektriska egenskaper i provmiljöer, " sa Hussey. "Nu när kapaciteten finns, kanske kommer andra idéer att dyka upp."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.