KOSMISK indvirkning:Næste generations røntgenmikroskopi-platform er nu i drift

En næste generations røntgenstråle, der nu opererer ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), samler et unikt sæt muligheder for at måle egenskaberne af materialer på nanoskalaen.

Kaldes COSMIC, til sammenhængende spredning og mikroskopi, denne røntgenstråle ved Berkeley Labs Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) gør det muligt for forskere at undersøge batterier og andre aktive kemiske reaktioner, og at afsløre nye detaljer om magnetisme og korrelerede elektroniske materialer.

COSMIC har to grene, der fokuserer på forskellige typer røntgenforsøg:en til røntgenbilledeeksperimenter og en til spredningsforsøg. I begge tilfælde, Røntgenstråler interagerer med en prøve og måles på en måde, der giver, strukturel, kemisk, elektronisk, eller magnetisk information om prøver.

Bjælkelinjen er også tænkt som en vigtig teknologisk bro mod den planlagte ALS -opgradering, kaldet ALS-U, det ville maksimere dets muligheder.

Nu, efter et første års optrapning, hvor personalet testede og justerede dets komponenter, de videnskabelige resultater fra dets tidligste eksperimenter forventes at blive offentliggjort i tidsskrifter senere på året.

En undersøgelse offentliggjort tidligere på måneden i tidsskriftet Naturkommunikation , primært baseret på arbejde på en beslægtet ALS -stråle, med succes demonstreret en teknik kendt som ptychographic computertomografi, der kortlagde placeringen af ​​reaktioner inde i lithium-ion-batterier i 3-D. Dette eksperiment testede den instrumentering, der nu er permanent installeret på COSMIC -billedfaciliteten.

"Dette videnskabelige resultat kom fra forsknings- og udviklingsindsatsen op til COSMIC, "sagde David Shapiro, en personaleforsker i Experimental Systems Group (ESG) ved Berkeley Labs ALS og hovedforsker for COSMICs mikroskopiforsøg.

Dette resultat blev muliggjort af ALS -investeringer i F&U, og samarbejde med University of Illinois i Chicago og med Berkeley Labs Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA), bemærkede han.

"Vi sigter mod at levere en helt ny klasse værktøjer til materialevidenskaben, såvel som for miljø- og biovidenskab, "Sagde Shapiro. Ptychography opnår rumlig opløsning finere end røntgenpletstørrelsen ved faseudtagning fra kohærente diffraktionsdata, og "ALS har gjort dette med verdensrekord rumlig opløsning i to og nu tre dimensioner, " han tilføjede.

Den ptykografiske tomografiteknik, som forskere brugte i denne seneste undersøgelse, tillod dem at se de kemiske tilstande inden for individuelle nanopartikler. Young-Sang Yu, hovedforfatter af undersøgelsen og en ESG -videnskabsmand, sagde, "Vi kiggede på et stykke af en batterikatode i 3-D med en opløsning, der var uden fortilfælde for røntgenstråler. Dette giver ny indsigt i batteriets ydeevne både på enkeltpartikelniveau og på tværs af statistisk signifikante dele af en batterikatode."

COSMIC er fokuseret på en række "bløde" eller lavenergirøntgenstråler, der er særligt velegnede til analyse af kemisk sammensætning i materialer

Pykografisk tomografi kan være særlig nyttig til at se på cellulære komponenter såvel som batterier eller andre kemisk forskellige materialer i ekstreme detaljer. Shapiro sagde, at røntgenstrålen ved COSMIC er fokuseret til et sted med en diameter på omkring 50 nanometer (milliarder af en meter); imidlertid, ptychography kan forbedre den rumlige opløsning rutinemæssigt med en faktor 10 eller mere. Det nuværende arbejde blev udført med en 120-nanometer stråle, der opnåede en 3-D opløsning på omkring 11 nanometer.

COSMICs røntgenstråle er også lysere end ALS-strålelinjen, der blev brugt til at teste dens instrumentering, og det bliver endnu lysere, når ALS-U er færdig. Denne lysstyrke kan oversætte til en endnu højere nanoskala -opløsning, og kan også muliggøre langt mere præcision i tidsafhængige eksperimenter.

Effektiv udnyttelse af denne lysstyrke kræver hurtige detektorer, som er udviklet af ALS -detektorgruppen. Den nuværende detektor kan fungere med en datahastighed på op til 400 megabyte pr. Sekund og kan nu generere et par terabyte data om dagen - nok til at lagre omkring 500 til 1, 000 film i længden. Næste generations detektorer, skal testes inden længe, vil producere data 100 gange hurtigere.

"Vi forventer at være den mest datakrævende beamline på ALS, og en vigtig komponent i COSMIC er udviklingen af ​​avanceret matematik og beregning, der hurtigt kan rekonstruere oplysninger fra dataene, når de indsamles, "Sagde Shapiro.

For at udvikle disse værktøjer COSMIC kombineret med CAMERA, som blev oprettet for at bringe topmoderne matematik og computing til DOE's videnskabelige faciliteter.

KAMERA -direktør James Sethian sagde, "At bygge avancerede algoritmer i realtid og den højtydende ptykografiske genopbygningskode for COSMIC har været en meget vellykket flerårig indsats mellem matematikere, dataloger, software ingeniører, softwareeksperter, og stråleforskere. "

Koden, teamet udviklede for at forbedre ptychographic billeddannelse hos COSMIC, kaldet SHARP, er nu tilgængelig for alle lyskilder på tværs af DOE -komplekset. Til COSMIC, SHARP -koden kører på en dedikeret grafikprocessorenhed (GPU) -klynge, der administreres af Berkeley Labs High Performance Computing Services.

Udover ptychography, COSMIC er også udstyret til eksperimenter, der anvender røntgenfotonkorrelationsspektroskopi, eller XPCS, en teknik, der er nyttig til at studere udsving i materialer forbundet med eksotiske magnetiske og elektroniske egenskaber.

COSMIC gør det muligt for forskere at se sådanne udsving i millisekunder, eller tusindedele af et sekund, sammenlignet med tidsforhøjelser på flere sekunder eller længere ved forgængerens strålelinjer. En ny COSMIC endstation med anvendt magnetfelt og kryogene egenskaber er nu ved at blive bygget, med tidlig test sat til at begynde denne sommer.

Forskere har allerede brugt COSMICs billeddannelsesmuligheder til at udforske en række nanomaterialer, batterianode og katodematerialer, cement, briller, og magnetiske tynde film, Sagde Shapiro.

"Vi er stadig i gang med at lære og indstille, men præstationen er fantastisk indtil videre, "sagde han. Han krediterede ALS -besætningen, ledet af ESG -forskeren Tony Warwick, for at arbejde hurtigt med at bringe COSMIC op i hastighed. "Det er ret bemærkelsesværdigt at nå så høj ydeevne på så kort tid."