Un equipo internacional de investigadores que incluye científicos de la División de Investigación Computacional CRD de Berkeley Lab y el Centro de Matemáticas Avanzadas para Aplicaciones de Investigación de Energía CAMERA continúa encontrando nuevas formas de mejorar la reconstrucción de la imagen fenográfica.
En experimentos científicos, las imágenes de rayos X ptychographic se utilizan principalmente para caracterizar la estructura y las propiedades de la materia y los materiales. Si bien el método ha existido durante unos 50 años, la amplia utilización se ha visto obstaculizada por el hecho de que el proceso experimental fue lentoy el procesamiento computacional de los datos para producir una imagen reconstruida fue costoso.
Pero en los últimos años, los avances en detectores y microscopios de rayos X en fuentes de luz como la Fuente de Luz Avanzada ALS de Berkeley Lab han permitido medir un conjunto de datos ptychographic en segundos. Como resultado, hoy la ptychography se usa en un rangode dominios científicos, incluida la física de la materia condensada, la biología celular y la electrónica.
En la práctica, la ptychography de rayos X funciona enfocando un haz de rayos X en un punto de una muestra. La dispersión de la muestra se registra en el campo lejano, y el patrón grabado se escalona para obtener la imagen final.La resolución más alta posible no está limitada por el tamaño del punto focal, solo por la apertura numérica y la longitud de onda utilizada. El procedimiento de fase en la ptychography utiliza la superposición entre exposiciones consecutivas de la muestra, más los patrones de difracción de campo lejano registrados, para reconstruiruna imagen de alta resolución de la muestra.
Como resultado, la reconstrucción de conjuntos de datos ptychographic puede ser un desafío intensivo en datos que implica resolver un problema difícil de recuperación de fase, calibrar elementos ópticos y lidiar con valores atípicos experimentales y "ruido". Para abordar este desafío, los científicos de Berkeley Lab desarrollaron SHARP ptychography adaptable heterogéneo escalable en tiempo real, un marco algorítmico y un software de computadora que permite la reconstrucción de millones de fases de datos de imagen ptychographic por segundo. Desde su introducción en 2016, SHARP ha tenido un impacto demostrable en la productividad para los científicos que trabajan en el ALSy otras fuentes de luz en todo el complejo del Departamento de Energía, con notables éxitos en el análisis de películas delgadas magnéticas, magnetozomas y materiales de baterías 3D.
Ahora los investigadores de CAMERA, la Universidad de Texas y la Universidad Normal de Tianjin, todos miembros de la colaboración SHARP, han desarrollado un modelo que mejora aún más las capacidades de reconstrucción de SHARP. El nuevo algoritmo, GDP-ADMM descomposición en gradiente de la sonda /método de dirección alterna de multiplicadores, aprovecha los aspectos matemáticos de vanguardia de recuperación de fase, optimización de ruido de fondo y "eliminación de ruido" del detector para mejorar la adquisición de datos y la resolución de la imagen. Con GDP-ADMM, SHARP ahora puede manejarmás luz que antes, lo que permite una adquisición más rápida y una mayor resolución de tiempo y, en última instancia, más descubrimientos científicos.
Un artículo que describe GDP-ADMM fue el artículo de portada en la edición de mayo de 2018 de Acta Cristalografía Sección A . GDP-ADMM permite utilizar más luz, abriendo las rendijas de entrada de un microscopio ptychographic y reduciendo el número de cuadros necesarios para obtener datos suficientes para reconstruir una imagen significativa. La publicación detalla cómo el GDP-ADMM y el análisis de coherencia parcial ayudanSuperar los problemas de estabilidad inherentes a los experimentos coherentes de formación de imágenes ptychographic, que a menudo descartan la mayoría del flujo de una fuente de luz para definir la coherencia de una iluminación sonda de rayos X coherente localizada. También explota la capacidad de separación del núcleo de traducción para acelerar el análisis.
"El objetivo era ofrecer la capacidad de descubrir rápidamente nanopartículas interesantes a resolución completa al permitir la retroalimentación rápida de los microscopistas en las líneas de luz", dijo Stefano Marchesini, científico del personal en CRD y coautor del artículo de Acta. "cuando las fuentes de luz coherentes de próxima generación se conecten, es posible que podamos extender las energías de rayos X que se pueden usar en la ptychography usando este modelo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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