Ein Neutronenstrahl ist ein Strom von Neutronen, das sind subatomare Teilchen, die keine elektrische Ladung haben und zusammen mit positiv geladenen Protonen in den Kernen aller chemischen Elemente mit Ausnahme der häufigsten Form von Wasserstoff, die nur ein Proton hat, gefunden werden. Obwohl Neutronen im Kern stabil sind, zerfällt ein freies Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein anderes Teilchen, das als Elektron-Antineutrino bezeichnet wird; isolierte Neutronen haben eine Halbwertszeit von etwas mehr als 10 Minuten, was bedeutet, dass nach dieser Zeit die Hälfte der Neutronen in einer bestimmten Probe zerfallen ist. Freie Neutronen werden durch Kernspaltung, beispielsweise in einem Kernreaktor, erzeugt und können in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Ein Neutronenstrahl hat viele wichtige Anwendungen in der Materialwissenschaft, Medizin und Sicherheit.
Neutronenstrahlen werden normalerweise unter Verwendung von Neutronengeneratoren erzeugt, bei denen es sich um Teilchenbeschleuniger handelt, die Deuterium- oder Tritiumionen auf Deuterium, Tritium oder beides enthaltende Targets feuern. Deuterium und Tritium sind Wasserstoffisotope, die ein bzw. zwei Neutronen enthalten. Bei der Fusion von Deuterium und Tritium entstehen Neutronen, die zu einem Neutronenstrahl fokussiert werden können. Neutronengeneratoren dieser Art können relativ klein und tragbar sein.
Obwohl die meisten Strahlungsformen mit den Elektronenwolken wechselwirken, die Atomkerne umgeben, wechselwirken Neutronen, die elektrisch neutral sind und keine Form elektromagnetischer Strahlung sind, nur mit den Kernen, die im Verhältnis zum ganzen Atom sehr klein sind. Ein Neutronenstrahl ist daher sehr durchdringend und kann die Positionen von Atomkernen innerhalb einer Materialprobe anzeigen. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronenstrahlen Schwermetalle wie Blei leicht durchdringen, treten aber auch mit leichten Elementen wie Wasserstoff und Kohlenstoff in Wechselwirkung. Nach der Quantentheorie können sich alle subatomaren Teilchen wie Wellen verhalten, Neutronen haben also Wellenlängen. Dies ermöglicht eine Feinabstimmung eines Neutronenstrahls; Sowohl die Wellenlänge als auch die Energie des Strahls können angepasst werden, um bestimmte Materialien zu erkennen.
Die besonderen Eigenschaften von Neutronenstrahlen haben zu einem breiten Anwendungsspektrum geführt, insbesondere als alternatives bildgebendes Verfahren, das in Situationen eingesetzt werden kann, in denen Röntgenstrahlen nicht wirksam sind. Mit ihnen lassen sich die inneren Strukturen von Materialien untersuchen, beispielsweise Risse und Hohlräume in Metallbauteilen erkennen oder die atomare und molekulare Struktur von Verbindungen bestimmen. Ihre Fähigkeit, leichtere Elemente zu erkennen, aber schwerere zu passieren, ermöglicht den Einsatz von Neutronenstrahlen für Sicherheitskontrollen. Sie können beispielsweise versteckte Sprengstoffe oder radioaktives Material erkennen. Neutronenstrahlen haben auch wichtige medizinische Anwendungen, insbesondere bei der Behandlung einiger Krebsarten; Neutronenstrahlentherapie kann Tumore zerstören, die gegen konventionelle Strahlentherapiebehandlungen resistent sind.