日本國立研究開發法人理化學研究所開拓研究本部的主任研究員齋藤武彥、國際項目助理Abdul Muneem（研究當時，現為理研光量子工學研究中心特別研究員）以及日本東北大學國際放射光創新智慧研究中心的副教授吉田純也等人組成的研究團隊，聯合京都大學、高能加速器研究機構、名古屋大學和巴基斯坦的University of Wah，成功開發出解析度達到全球最高水平，精度突破1微米級的中介子成像技術。該技術有望精確NDI含有氫、鋰、硼等元素的產品，解決X射線難以視覺化的問題。相關研究成果已發表在國際學術期刊《Scientific Reports》1月24日刊上。
圖1：本研究開發出來的中介子成像技術示意圖（供圖：理化學研究所）
NDI技術被認為是工業產品開發及品質管制的必要技術，通常採用X射線透視成像。但這種方法主要通過觀察X射線被物質的電子吸收後形成的陰影，難以視覺化由輕元素構成的物質結構。
近年來，作為X射線的補充手段，利用中介子特性的透射中介子成像技術備受關注。中介子具有電荷為零且單獨存在時以10分鐘左右的半衰期發生衰敗的特性，當中性子照射到物質時，相較於X射線，它能更容易地被特定原子核（如氫、鋰、硼）散射或吸收。該技術利用中性子易被這些原子核吸收的特性，藉助探測器捕捉吸收過程中釋放的帶電粒子（子核）徑跡，從而實現成像。
2023年，前述研究團隊利用J-PARC（位於茨城縣東海村）物質與生命科學實驗設施的中性子束，開發出了一種基於含硼薄膜與核乳膠膠片的探測設備，並評估了其解析度，創造了當時全球中介子探測器空間解析度的最高紀錄——0.945 ± 0.004微米。儘管該技術製成的器件體積小且成本低廉，但由於核乳膠板不可重複使用，且顯影耗時1天左右，這成為實際應用的一大挑戰。
圖2 結合了碳化硼薄膜和螢光徑跡探測器的中介子成像器件（供圖：理化學研究所）
左圖：畫面中央黑色區域為碳化硼薄膜，其表面附著於硅基底層。上方的黃色方塊是螢光徑跡探測器。尺寸為：長4毫米，寬8毫米，厚0.5毫米。
右圖：將碳化硼薄膜和螢光徑跡探測器緊密貼合，使用層壓薄膜並真空封裝製成的中介子成像器件。實驗時，中介子束從圖像後方向前照射。實驗後拆封包裝，使用共聚焦顯微鏡擷取螢光徑跡探測器的成像數據。
為克服上述難題，研究團隊此次全新開發了一種將碳化硼（B4C）薄膜和摻雜C與Mg的單晶氧化鋁（Al₂O₃）螢光徑跡探測器（FNTD）相結合的器件。該器件在照射中介子束後可立即通過共聚焦顯微鏡擷取探測器上留下的帶電粒子徑跡，而無需顯影過程。
研究團隊在J-PARC對該設備進行中性子束照射實驗，評估其解析度，結果顯示其解析度刷新了世界紀錄，達到了0.887±0.009μm。
此外，研究團隊已開發出利用UV雷射擦除FNTD軌跡的系統，驗證了該探測設備可多次重複使用。
未來，該團隊將致力於提升徑跡擷取速度，加快成像效率，並擴大設備的成像面積，以推動技術實用化。據悉，該技術有望在NDI半導體元件內部、鋰離子金屬電池內枝晶（dendrite）生長以及超導導線等領域中得到應用。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Advancing Neutron Imaging Techniques to Highest Resolution with Fluorescent Nuclear Track Detectors
DOI：10.1038/s41598-024-84591-x
