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记录速度快的中子断层扫描可追踪进入植物的水路

2019-09-25 16:47:37 • 来源：

研究人员第一次在大约一秒内捕获了中子断层图像，比以前报道的尝试快了近一个数量级。直到最近，长时间的图像采集一直是使用这种非侵入性技术研究动态3-D过程(例如根与土壤之间的水交换)的主要障碍。

记录速度快的中子断层扫描可追踪进入植物的水路

波茨坦大学研究团队的负责人克里斯蒂安·特兹克说：“如此迅速地获取图像的能力使我们能够以前所未有的细节捕捉根部吸收土壤中的水和其他养分所涉及的快速过程。” “更好地了解这些根与土壤之间的相互作用可以帮助优化水的利用效率和作物产量，从而有助于满足日益增长的世界人口和有限资源带来的更高需求。”在光学学会(OSA)的《光学快报》中，一个由多个机构组成的研究小组描述了他们如何完成中子断层成像的快速记录时间。该研究是一项正在进行的研究的一部分，旨在研究根对周围土壤的物理和化学性质的重大影响。

“由于中子对氢(包括像水这样的含氢化合物)高度敏感，因此高速中子成像可用于可视化植物根，同时绘制土壤中不断变化的水分布图，”Tötzke说。“它也可以用于研究其他动态传输过程，例如工程或天然多孔材料系统中的流体传输。”

例如，高速中子断层扫描可以揭示在水力压裂过程中发生的动力学的新见解，并可以用于研究电池内部锂的行为以提高其耐用性和安全性。

捕获根-土相互作用

植物如何从土壤中吸收水分和养分，在很大程度上取决于靠近根部的土壤的运输特性，该区域被称为根际。更好地了解根与土壤之间的相互作用，要求科学家更多地了解根际的结构和生化变化如何影响水和养分向根的流动。

中子成像是此应用的理想选择，因为当中子与氢和锂等原子相互作用时，它们变得高度可见，而铝和钛等金属大多是透明的。这种成像方法还可以区分氢同位素，从而使同位素重水分子(称为氘化水)可以用作造影剂。这种水也被植物很好地耐受。

但是，中子成像的采集速度相对较慢，使其难以用于时间分辨的3-D研究，例如吸水等快速过程。Laue-Langevin研究所最近开放的成像设施NeXT-Grenoble提供的中子源可以提供更快的中子成像所需的功率。

开发快速成像设置

Tötzke说：“ NeXT-格勒诺布尔拥有世界上用于成像目的的最强冷中子通量。” “但是，利用这种高通量要求我们优化采集参数，这对现有技术的局限提出了挑战。”

研究人员开发了一种用于快速成像的成像装置，其中包括一个将中子转换为可见光的高效闪烁体屏幕和一个具有高帧频的科学CMOS相机。他们使用此设置来研究羽扇豆植物根系的吸水率，该系统以恒定速度旋转，同时连续拍摄图像。

“我们获得的数据不仅在采集率，信噪比和整体空间分辨率方面都超出了预期，表明该方法非常适合研究土壤和水与根的相互作用”，Tötzke解释说。

现在，研究人员已经证明了快速中子层析成像的技术可行性，他们计划专门为此应用设计更快的相机和更好的旋转台。他们还想尝试调整中子通量，以进一步推动这项技术的时间分辨率。快速成像装置也将并入格勒诺布尔的NeXT仪器中，以便其他科学家可以使用它来研究快速运输过程。

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