Rekordhurtig neutron tomografi sporer vandveje ind i planter

For første gang, forskere har taget neutron tomografibilleder på cirka et sekund, næsten en størrelsesorden hurtigere end tidligere rapporterede forsøg. Indtil for nylig, lange billedoptagelsestider har været den største hindring for at bruge denne ikke-invasive teknik til at studere dynamiske 3D-processer, såsom vandudveksling mellem rødder og jord.

"Evnen til at erhverve billeder så hurtigt giver os mulighed for at fange, med enestående detaljer, de hurtige processer, der er involveret, når rødder absorberer vand og andre næringsstoffer fra jorden, sagde Christian Tötzke, der ledede forskergruppen University of Potsdam. "En bedre forståelse af disse rod-jord-interaktioner kan hjælpe med at optimere vandforbrugseffektivitet og afgrødeproduktion, som kunne hjælpe med at opfylde højere krav fra en stigende verdensbefolkning og begrænsede ressourcer. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik Express , en multiinstitutionel gruppe forskere beskriver, hvordan de opnåede rekordhurtige billeddannelsestider for neutron tomografi. Forskningen er en del af en løbende indsats for at studere den betydelige indflydelse, rødderne har på de fysiske og kemiske egenskaber af omgivende jord.

"Fordi neutroner er meget følsomme over for brint-herunder hydrogenholdige forbindelser som vand-kan højhastigheds-neutronafbildning bruges til at visualisere planterødder samtidig med at den kortlægger den skiftende vandfordeling i jord, "sagde Tötzke." Det kunne også bruges til at studere andre dynamiske transportprocesser såsom overførsel af væsker i konstruerede eller naturlige porøse materialesystemer. "

For eksempel, højhastigheds-neutrontomografi kan afsløre ny indsigt i den dynamik, der opstår under hydraulisk frakturering og bruges til at studere adfærd for lithium inde i batterier for at øge deres holdbarhed og sikkerhed.

Optagelse af rod-jord interaktioner

Hvordan planter optager vand og næringsstoffer fra jorden afhænger stærkt af jordens transportegenskaber ved siden af ​​rødderne, et område kendt som rhizosfæren. En bedre forståelse af rod-jord-interaktioner kræver, at forskere lærer mere om, hvordan strukturelle og biokemiske ændringer i rhizosfæren påvirker, hvordan vand og næringsstoffer strømmer ind i rødderne.

Neutronbilleddannelse er ideel til denne applikation, fordi når neutroner interagerer med atomer som hydrogen og lithium, de bliver meget synlige, mens metaller som aluminium og titanium for det meste er gennemsigtige. Denne billeddannelsesmetode adskiller også brintisotoper, tillader et isotopisk tungere vandmolekyle kendt som deutereret vand at blive brugt som kontrastmiddel. Denne type vand tolereres også godt af planter.

Imidlertid, den relativt langsomme optagelseshastighed for neutronbilleddannelse har gjort det udfordrende at bruge til tidsopløste 3D-undersøgelser af hurtige processer som vandabsorbering. En neutronkilde, der er tilgængelig på det nyligt åbnede billedbehandlingsanlæg NeXT-Grenoble på Institut Laue-Langevin, kan levere den nødvendige strøm til hurtigere neutronbilleddannelse.

Udvikler en hurtig billedopsætning

"NeXT-Grenoble har den mest intense kolde neutronstrøm til billeddannelse i verden, "sagde Tötzke." Dog, brug af denne høje flux krævede, at vi optimerede erhvervelsesparametrene, hvilket udfordrede grænserne for den tilgængelige teknologi. "

Forskerne udviklede en billeddannelsesopsætning til hurtig billeddannelse, der inkluderede en meget effektiv scintillatorskærm, der konverterer neutroner til synligt lys og et videnskabeligt CMOS -kamera med en høj billedhastighed. De brugte denne opsætning til at studere vandoptagelse af en lupinplants rodsystem, der blev roteret med en konstant hastighed, mens billeder blev taget kontinuerligt.

"De data, vi indhentede, overgik forventningerne ikke kun med hensyn til erhvervelseshastighed, men også signal-støj-forhold og samlet rumlig opløsning, viser, at denne tilgang var perfekt egnet til at studere, hvordan jord og vand interagerer med rødder, "forklarede Tötzke.

Nu hvor forskerne har demonstreret den tekniske gennemførlighed af hurtig neutron tomografi, de planlægger at designe hurtigere kameraer og bedre rotationstrin specifikt til denne applikation. De vil også prøve at justere neutronstrømmen for yderligere at skubbe den tidsmæssige opløsning af denne teknik. Den hurtige billedopsætning vil også blive indarbejdet i NeXT -instrumentet i Grenoble, så andre forskere kan bruge det til at studere hurtige transportprocesser.