En neutronstråle är en ström av neutroner, som är subatomära partiklar som inte har någon elektrisk laddning och som finns, tillsammans med positivt laddade protoner, i kärnorna hos alla kemiska grundämnen utom den vanligaste formen av väte, som bara har en proton. Även om neutroner är stabila i kärnan, sönderfaller en fri neutron till en proton, en elektron och en annan partikel som kallas en elektron antineutrino; isolerade neutroner har en halveringstid på lite mer än 10 minuter, vilket innebär att efter denna period kommer hälften av neutronerna i ett givet prov att ha sönderfallit. Fria neutroner produceras genom kärnklyvning, till exempel i en kärnreaktor, och kan genereras i partikelacceleratorer. En neutronstråle har många viktiga tillämpningar inom materialvetenskap, medicin och säkerhet.
Neutronstrålar produceras normalt med neutrongeneratorer, som är partikelacceleratorer som skjuter deuterium- eller tritiumjoner in i mål som innehåller deuterium, tritium eller båda. Deuterium och tritium är isotoper av väte som innehåller en respektive två neutroner. Fusionen av deuterium och tritium producerar neutroner som kan fokuseras till en neutronstråle. Neutrongeneratorer av denna typ kan vara relativt små och bärbara.
Även om de flesta former av strålning interagerar med molnen av elektroner som omger atomkärnor, interagerar neutroner, som är elektriskt neutrala och inte en form av elektromagnetisk strålning, endast med kärnorna, som är mycket små i förhållande till hela atomen. En neutronstråle är därför mycket penetrerande och kan visa positionerna för atomkärnor i ett materialprov. Till skillnad från röntgenstrålar kan neutronstrålar lätt penetrera tungmetaller som bly men kommer också att interagera med lätta element som väte och kol. Enligt kvantteorin kan alla subatomära partiklar bete sig som vågor, så neutroner har våglängder. Detta gör att en neutronstråle kan finjusteras; både strålens våglängd och energi kan justeras för att detektera specifika material.
Neutronstrålarnas speciella egenskaper har gett upphov till ett brett spektrum av tillämpningar, särskilt som en alternativ bildteknik som kan användas i situationer där röntgenstrålning inte är effektiv. De kan användas för att undersöka materials inre strukturer, såsom att upptäcka sprickor och håligheter i metallkomponenter, och för att bestämma föreningars atomära och molekylära strukturer. Deras förmåga att upptäcka lättare element men ändå passera genom tyngre gör att neutronstrålar kan användas för säkerhetskontroller. De kan till exempel upptäcka dolda sprängämnen eller radioaktivt material. Neutronstrålar har också viktiga medicinska tillämpningar, framför allt vid behandling av vissa former av cancer; neutronstrålbehandling kan förstöra tumörer som är resistenta mot konventionell strålbehandling.