Ny beregningsteknik løser komprimerede røntgendata

Argonne udvikler en ny metode til tydeligere at se kompleks materialefysik i svært tilgængelige miljøer.

Med de rigtige værktøjer, Forskere kan have Superman-lignende røntgensyn, der afslører skjulte træk begravet i objekter - men det er meget kompliceret.

Den avancerede fotonkilde (APS), en Office of Science User Facility ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, giver videnskabsmænd adgang til stærkt gennemtrængende røntgenstråler, der kan belyse - på atomniveau - materialer indeholdt dybt inde i andre strukturer.

Den næste fase for APS, APS-opgraderingen, transformerer nutidens APS til en verdensførende, lagerring baseret, høj energi røntgen lyskilde, der udstyrer forskere med et langt mere kraftfuldt værktøj til at undersøge og forbedre de materialer og kemiske processer, der påvirker næsten alle aspekter af vores liv. I særdeleshed, Opgraderingen muliggør brugen af ​​linseløse billeddannelsesmetoder med højenergi røntgenstråler for at overvinde optiske begrænsninger for at opnå den højeste rumlige opløsning dybt inde i uigennemsigtige prøver.

"Det svarer til at forsøge at bestemme formen og størrelsen på en sten kastet i en dam ved at se på de krusninger, stenen skaber, undtagen i tre dimensioner. Hvis din pixelstørrelse er lille nok ... kan du [faktisk] ... få et tredimensionelt billede af objektet, der forårsager spredningen, " bemærkede Siddharth Maddali, en postdoktor i Argonne.

Imidlertid, Brug af højenergi røntgenstråler til dyb penetration kommer med et potentielt problem - dybt penetrerende røntgenstråler kan støde ind i begrænsninger med den nuværende detektorteknologi.

"I bund og grund, signalet på detektoren bliver mere og mere komprimeret, når vi går til højere og højere røntgenenergier, " sagde Maddali. "Prisen, vi betaler for mere gennemtrængende røntgenstråler, er et tab af troskab i de registrerede data."

I en ny undersøgelse, forskere ved Argonne har fundet en ny måde at overvinde disse begrænsninger på.

Disse begrænsninger, ifølge Argonne røntgenfysiker Stefan Vogt, er som at bruge en computerskærm med lav opløsning til at se et digitalt fotografi i høj opløsning. "Du kan ikke se troværdigheden af ​​det originale billede, " han sagde.

Den overordnede effekt får billedet til at se ud som pixeleret, sagde Maddali, forfatter til undersøgelsen.

Fordi afstanden fra mål til detektor er relativt fast, forbedring af opløsningen af ​​et pixeleret røntgenspredningsbillede - i det væsentlige, skærpe det - kræver beregningsalgoritmer, der skaber underopdelte "virtuelle pixels", der kan omfordele det pixelerede billede. Derefter kan forskere bruge en proces kaldet fasehentning til at rekonstituere real-space information om prøven baseret på de spredte røntgenbølgefronter.

"Det svarer til at prøve at bestemme formen og størrelsen af ​​en sten, der kastes i en dam, ved at se på de krusninger, stenen skaber, undtagen i tre dimensioner, " sagde Maddali. "Hvis din pixelstørrelse er lille nok til at du kan se op- og nedture i bølgen, du kan beregne disse billeder og få et tredimensionelt billede af objektet, der forårsager spredningen."

Ved at bruge signalbehandling på denne måde, videnskabsmænd er i stand til effektivt at korrigere et billede, som ellers ville have krævet et eksperimentelt umuligt system af linser at løse.

Forskere kunne bruge denne teknik til at få bedre information om materialegrænseflader, og derved bedre forstå og i sidste ende kontrollere nye materialers adfærd.