Автор AZoNano 5 марта 2021

COSMIC, многоцелевой рентгеновский прибор в Advanced Light Source (ALS) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab's), добился успехов в научном сообществе с момента его запуска менее 2 лет назад, благодаря новаторскому вкладу в поля от батарей до биоминералов.

COSMIC – это самый яркий рентгеновский луч в ALS, синхротрон, который генерирует интенсивный свет – от инфракрасного до рентгеновского – и доставляет его на десятки каналов луча для одновременного проведения ряда научных экспериментов. Название COSMIC происходит от когерентного рассеяния и микроскопии, которые представляют собой два всеобъемлющих метода рентгеновского излучения, для выполнения которых он предназначен.

Его возможности включают ведущее в мире разрешение мягкой рентгеновской микроскопии ниже 10 нанометров (миллиардных долей метра), исключительную химическую чувствительность, сверхбыструю скорость сканирования, а также возможность измерять химические изменения в образцах на нанометровом уровне в реальном времени и облегчить исследование образцов с помощью комбинации рентгеновской и электронной микроскопии.

Мягкое рентгеновское излучение представляет собой рентгеновское излучение малого диапазона энергий, в то время как жесткое рентгеновское излучение имеет более высокую энергию. Каждый тип может относиться к разному диапазону экспериментов.

COSMIC закладывает основу для долгосрочного проекта по модернизации устаревшей системы ALS. Усилия, известные как обновление ALS (ALS-U), позволят заменить большинство существующих компонентов ускорителя новейшими технологиями, обеспечивая возможности, которые позволят на долгие годы стать ведущими мировыми специалистами в области мягкого рентгеновского излучения.

Обновление также еще больше расширит возможности COSMIC по улавливанию наноразмерных деталей структуры и химического состава широкого диапазона образцов.

Ожидаемое 100-кратное увеличение яркости рентгеновского излучения, которое обеспечит ALS-U, обеспечит аналогичное увеличение скорости визуализации на COSMIC и более чем трехкратное улучшение разрешения изображения, позволяя проводить микроскопию с разрешением в один нанометр. Кроме того, технологии, разрабатываемые сейчас в COSMIC, будут развернуты на других линиях пучка в модернизированном ALS, что сделает возможной микроскопию с более высокими энергиями рентгеновского излучения для многих других экспериментов. Этот инструмент является одним из многих узкоспециализированных ресурсов, доступных ученым со всего мира бесплатно в рамках процесса рецензирования предложений.

Журнальная статья, опубликованная 16 декабря 2020 г. в Science Advances освещает некоторые из существующих возможностей COSMIC и те, которые находятся в стадии разработки. В статье представлены примеры 8-нанометрового разрешения, достигаемого при визуализации магнитных наночастиц, химическое отображение материала катода батареи с высоким разрешением во время нагрева и визуализация с высоким разрешением замороженно-гидратированной дрожжевой клетки в COSMIC. (Катод – это один из типов аккумуляторных электродов, компонент, через который протекает ток.) ​​Эти результаты служат демонстрационными примерами, раскрывая важную информацию о структуре и внутреннем устройстве этих материалов и открывая дверь для дальнейшего понимания во многих областях науки.

В другой журнальной статье, опубликованной 19 января 2021 г.), в Proceedings of the National Academy of Sciences было продемонстрировано первое в истории использование рентгеновской линейной дихроической птихографии, специализированной визуализации с высоким разрешением. Методика, доступная в COSMIC, позволяет нанести на карту ориентацию кристалла, известного как арагонит, который присутствует в скелетах кораллов, с разрешением 35 нанометров. Этот метод перспективен для картирования других биоминеральных образцов в высоком разрешении и в 3D, что позволит по-новому взглянуть на их уникальные атрибуты, а также на способы их имитации и контроля. Некоторые биоминералы вдохновили людей на создание материалов и наноматериалов из-за их прочности, упругости и других желаемых свойств.

«Мы используем эту удобную для пользователя уникальную платформу для определения характеристик материалов, чтобы продемонстрировать лучшее в мире пространственное разрешение в сочетании с операндо и криогенной микроскопией», – сказал Дэвид Шапиро, ведущий автор статьи и ведущий специалист. ученый для микроскопических экспериментов COSMIC. Он также возглавляет Программу микроскопии БАС. "Operando" описывает способность измерять изменения в образцах по мере их появления.

«Нет другого инструмента, который бы обладал такими возможностями для рентгеновской микроскопии с таким разрешением», – сказал Шапиро. COSMIC может дать новые ключи к разгадке наноуровневой внутренней работы материалов, даже когда они активно функционируют, что приведет к более глубокому пониманию и лучшему дизайну – для батарей, катализаторов или биологических материалов. Он отметил, что оснащение COSMIC таким разнообразием возможностей требует одинаково широкого сотрудничества в различных научных дисциплинах.

В состав участников COSMIC входили члены группы CAMERA лаборатории Беркли (Центр передовой математики для приложений энергетических исследований), в которую входят ученые-информатики, инженеры-программисты, прикладные математики и другие; специалисты по информационным технологиям; специалисты по детектированию; инженеры; ученые из Национального центра электронной микроскопии Молекулярного завода; Ученые ALS; и сторонние сотрудники из Научно-технологического центра STROBE Национального научного фонда и Стэнфордского университета

В одном приборе было объединено несколько передовых технологий, разработанных разными группами. Ключом к демонстрациям на COSMIC, о которых сообщается в статье, является реализация рентгеновской птихографии, которая представляет собой компьютерную технику реконструкции изображений, которая может превосходить разрешение традиционных методов примерно в 10 раз.

При использовании традиционных методов пространственное разрешение – способность различать крошечные детали в образцах – ограничивается качеством рентгеновской оптики и их способностью фокусировать рентгеновский луч в крошечное пятно. Но обычную рентгеновскую оптику, которая представляет собой инструменты, используемые для управления рентгеновским светом для более четкого обзора образцов, сложно сделать, она неэффективна и имеет короткие фокусные расстояния.

Вместо того, чтобы полагаться на несовершенную оптику, подпихография записывает большое количество физически перекрывающихся дифракционных картин, которые представляют собой изображения, полученные как рассеивание рентгеновского света от образца, каждая из которых предлагает небольшой фрагмент полной картины. Вместо того, чтобы быть ограниченным качеством оптики, метод ptychography ограничен яркостью источника рентгеновского излучения – именно этот параметр, как ожидается, улучшится в стократном режиме ALS-U. Для захвата и обработки огромного количества данных и восстановления окончательного изображения требуются средства обработки данных, компьютерные алгоритмы и специализированные быстрые детекторы пикселей, подобные тем, которые были разработаны в лаборатории Беркли.

«Рентгеновская птихография – это методика с использованием детекторов – сначала применяемая с жестким (высокоэнергетическим) рентгеновским излучением с использованием гибридных пиксельных детекторов, а затем в ALS с разработанной нами FastCCD», сказал Питер Денес, руководитель программы детекторов ALS, который работал с ведущим инженером Джоном Джозефом над внедрением в COSMIC. «Большая часть технологии COSMIC выиграла от программы лабораторных исследований и разработок (LDRD), как и FastCCD, которая переводила инструменты космологии в наблюдения COSMIC». Программа LDRD лаборатории Беркли поддерживает инновационные исследования, которые позволяют лаборатории оставаться в авангарде науки и технологий.

Птихография использует последовательность диаграмм рассеяния, созданных как рассеивание рентгеновского света от образца. Эти модели рассеяния анализируются компьютером, выполняющим высокопроизводительные алгоритмы, которые преобразуют их в изображение с высоким разрешением.

В статье от 16 декабря 2020 г. исследователи подчеркнули, как с помощью психографических изображений можно увидеть химическое распределение с высоким разрешением в микроскопических частицах катодного материала литий-железо-фосфатной батареи (Li0,5FePo4). Птихографические изображения показали наноразмерные химические особенности внутри частиц, которые не были видны при использовании традиционной формы метода визуализации, называемой спектромикроскопией.

В ходе отдельной демонстрации птихографии в COSMIC исследователи отметили химические изменения в коллекции наночастиц LixFePO4 при нагревании.

Птихография также является источником высоких требований COSMIC к данным. Канал передачи может производить несколько терабайт данных в день, чего достаточно, чтобы заполнить несколько портативных компьютеров. Интенсивные вычисления, необходимые для построения изображений COSMIC, требуют выделенного кластера графических процессоров (графических процессоров), которые представляют собой специализированные компьютерные процессоры.

Обновление ALS еще больше увеличит потребности в данных до ожидаемых 100 терабайт в день, отметил Шапиро. Уже обсуждаются планы использования дополнительных ресурсов в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) лаборатории Беркли, чтобы приспособиться к ожидающемуся увеличению объемов данных.

COSMIC – это блестящий пример проекта Superfacility Project Berkeley Lab, который предназначен для связи источников света, таких как ALS, и передовых приборов, включая микроскопы и телескопы, с данными и высокопроизводительными вычислительными ресурсами в реальном времени, – сказал Бьорн Эндерс. архитектор рабочих процессов в области науки о данных в Группе взаимодействия по науке о данных NERSC

«Мы любим данные и вычислительные задачи от таких инструментов, как COSMIC, которые выходят за пределы границ предприятия», Эндерс сказал . «Мы работаем над будущим, в котором будет так же просто, как щелкнуть кнопку, чтобы использовать ресурсы NERSC из канала передачи». Добавление нового суперкомпьютера Perlmutter в NERSC, добавил он, « будет идеальным вариантом. партнер COSMIC в коллективной науке "

COSMIC был запущен в режим ввода в эксплуатацию в марте 2017 года и открыт для общенаучных экспериментов около 2 лет назад. С этого времени персонал по приборам запустил возможности измерения активных химических процессов, например, и развернул линейную и круговую дихроичную микроскопию и томографию, которые еще больше расширили диапазон экспериментов COSMIC по визуализации.

Его ветвь когерентного рассеяния сейчас проходит испытания и пока недоступна для внешних пользователей. Также ведется работа по корреляции результатов рентгеновской микроскопии с результатами электронной микроскопии для активных процессов и дальнейшего развития криогенных возможностей, которые позволят защитить биологические образцы и другие мягкие материалы от повреждений ультраярким рентгеновским лучом. пока они отображаются. Комбинация рентгеновской и электронной микроскопии может предоставить мощный инструмент для сбора подробной химической и структурной информации об образцах, что продемонстрировано в эксперименте с COSMIC, который освещался в журнале Science Advances .

Шапиро отметил, что есть планы ввести новую экспериментальную станцию ​​в канал луча, синхронизированную с ALS-U, чтобы разместить больше экспериментов.

Одним из секретов успеха COSMIC является то, что прибор разработан с учетом совместимости со стандартными компонентами для работы с пробами. Шапиро сказал, что этот удобный для пользователя подход «был действительно важен для нас, » и облегчает исследователям из академических кругов и промышленности разработку экспериментов, совместимых с COSMIC. «Пользователи могут просто появиться и подключить (образцы). Это увеличивает наш охват с научной точки зрения », – сказал он.

Несмотря на то, что COSMIC наполнен функциями, он не громоздкий, и Шапиро назвал его «оптимизированным по размеру и стоимости». Он сказал, что надеется, что это станет моделью для будущих каналов пучка как на ALS-U, так и на других синхротронных объектах.

«Я думаю, что в нем действительно привлекательно то, что это очень компактный инструмент. Он высокопроизводительный и очень стабильный», – сказал он . «Он очень управляемый и не очень дорогой. В этом смысле он должен быть очень привлекательным для синхротронов».

ALS, Molecular Foundry и NERSC являются объектами пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

«Воздействие на КОСМИЧЕСКУЮ КОСМИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ: платформа для рентгеновской микроскопии нового поколения уже в рабочем состоянии», 21 марта 2018 г.

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и ее ученые, основанная в 1931 году с убеждением в том, что самые большие научные проблемы решаются группами, были отмечены 14 Нобелевскими премиями. Сегодня исследователи Berkeley Lab разрабатывают решения в области устойчивой энергетики и защиты окружающей среды, создают новые полезные материалы, расширяют границы компьютерных технологий и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на возможности лаборатории в своих научных открытиях. Лаборатория Беркли – это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом при Министерстве энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите: energy.gov/science.

Источник: https://www.lbl.gov/