En gratis måde at forbedre neutronspredningsopløsningen med 500 %

Forskere, der skubber grænserne for verdens mest avancerede neutronspredningsinstrumenter, ved, at en lille mængde forvrængning i deres målinger er uundgåelig. For nogle eksperimenter er denne forvrængning let redegjort for, men i andre typer forskning kan det forårsage unøjagtige resultater.

Hvorfor betyder en lille mængde forvrængning noget? Det svarer til, når en detektiv løfter et fingeraftryk fra et glas vand. Glasets krumning forvrænger fingeraftrykket en smule, hvilket gør det vanskeligt at matche aftrykket med en mistænkts fingeraftryk på filen. I et sådant tilfælde ville det være nyttigt, hvis der var en måde at fjerne forvrængningen fra fingeraftrykket på glasset.

Noget som dette skete, da forskere fra Oak Ridge National Laboratory (ORNL) brugte verdensklasses SEQUOIA neutronspredningsspektrometer ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS). Forskerne målte spin-bølge dispersioner fra et magnetisk krystallinsk materiale. De opdagede, at dataene (fingeraftrykket) opnået fra SEQUOIA (glasset) var lidt forvrænget af instrumentets opløsningsgrænser på trods af dets avancerede design.

For at løse problemet udviklede forskerne en ny beregningsteknik, der forbedrede SEQUOIAs effektive opløsning med 500 % for at matche dataene med kendte spin-bølgespredningsværdier. Derudover kommer denne løsning næsten uden omkostninger, da den ikke kræver yderligere hardware og bruger open source-software.

Resultaterne af deres indsats blev offentliggjort i AIP-tidsskriftet Review of Scientific Instruments .

"Vi forudsagde, at hvis vi kunne måle mængden af ​​forvrængning i SEQUOIAs dataindsamling, kunne vi derefter anvende en korrektion, der ville øge instrumentets effektive opløsning," sagde Jiao Lin, ledende instrumentudviklingsforsker for CUPI ² D-instrument ved den anden målstation (STS). "Det svarer til, hvordan øjenlæger vurderer dit syn og derefter ordinerer korrigerende briller eller kontaktlinser for at kompensere for forvrængning i dit syn."

I modsætning til øjenlæger, der kun tester i tre dimensioner, skulle forskerne måle SEQUOIAs forvrængning over fire dimensioner. Det gjorde opgaven mange gange mere udfordrende. Heldigvis havde forskerne adgang til ORNLs MCViNE open source-software, som kan bruges til at efterligne neutroneksperimenter for spinbølger målt af neutroninstrumenter som SEQUOIA. Holdet mente, at de kunne anvende softwaren på en anden måde for at opnå 4D-målinger af forvrængningen.

"For at forenkle 4D-målingerne brugte vi MCViNE-software til at lave 2D-målinger langs to akser ad gangen. Det gjorde vi for både det forvrængede eksperimentelle billede og den højopløselige idealiserede model, vi udviklede," sagde Matt Stone, ledende SEQUOIA-instrumentforsker hos SNS. "Vi gentog derefter 2D-målingerne langs mange andre akser og interpolerede resultaterne for at tilnærme en 4D-model. På denne måde var vi i stand til at måle forskellene mellem det faktiske billede og vores model."

Holdet tilpassede en computerbaseret stereovision-teknologi, der kan sammenlignes med, hvordan 3D-briller skaber en illusion af dybde i film. De kunne visualisere forvrængningen langs modellens forskellige akser en skive ad gangen og kompensere for forvrængninger i deres oprindelige mål. Superopløsningsteknikken opnåede så meget som en 5 gange bedre opløsning end tidligere metoder.

"Når vi identificerede mængden og positionen af ​​forvrængning i dataene i forhold til den idealiserede model, var vi i stand til at anvende korrektioner på dataene," sagde Gabriele Sala, ledende instrumentforsker ved STS CHESS beamline. "Vi brugte derefter det korrigerede datasæt til at generere en meget mere nøjagtig spin-bølgespredning, der matchede en af ​​de kendte mulige modeller."

Forskerne er sikre på, at den samme superopløsningstilgang kan anvendes på andre neutroninstrumenter og eksperimenter. "Denne teknik kan bruges i en lang række eksperimentelle applikationer," sagde Lin.

For endnu større opløsning og nøjagtighed mener teamet, at det vil være muligt at opdatere 2D-opløsningsteknikken til direkte at løse 4D-målinger. Dette kunne også fjerne enkeltspredningsbegrænsningen. + Udforsk yderligere

Ny ORNL-software forbedrer neutronspektroskopidataopløsning