Argonne ontwikkelt een nieuwe methode om complexe materiaalfysica in moeilijk toegankelijke omgevingen duidelijker te zien.

Met het juiste gereedschap, wetenschappers kunnen een Superman-achtig röntgenbeeld hebben dat verborgen kenmerken onthult die in objecten zijn begraven, maar het is zeer gecompliceerd.

De geavanceerde fotonbron (APS), een Office of Science User Facility bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), geeft wetenschappers toegang tot zeer doordringende röntgenstralen die - op atomair niveau - materialen kunnen verlichten die zich diep in andere structuren bevinden.

De volgende fase voor het APS, de APS-upgrade, transformeert het APS van vandaag in een wereldwijd toonaangevend, op basis van opbergringen, hoogenergetische röntgenlichtbron die wetenschappers uitrust met een veel krachtiger hulpmiddel voor het onderzoeken en verbeteren van de materialen en chemische processen die van invloed zijn op bijna elk aspect van ons leven. Vooral, de upgrade maakt het gebruik van lensloze beeldvormingsmethoden met hoogenergetische röntgenstralen mogelijk om optische beperkingen te overwinnen voor het verkrijgen van de hoogste ruimtelijke resolutie diep in ondoorzichtige monsters.

"Het is vergelijkbaar met proberen de vorm en grootte te bepalen van een steen die in een vijver wordt gegooid door te kijken naar de rimpelingen die de steen creëert, behalve in drie dimensies. Als uw pixelgrootte klein genoeg is ... kunt u [eigenlijk] ... een driedimensionaal beeld krijgen van het object dat de verstrooiing veroorzaakt, " merkte Siddharth Maddali op, een Argonne postdoctoraal onderzoeker.

Echter, het gebruik van hoogenergetische röntgenstralen voor diepe penetratie brengt een potentiële hapering met zich mee - diep doordringende röntgenstralen kunnen met de huidige detectortechnologie tegen beperkingen aanlopen.

"Eigenlijk, het signaal op de detector wordt meer en meer gecomprimeerd naarmate we naar hogere en hogere röntgenstralingsenergieën gaan, "zei Maddali. "De prijs die we betalen voor meer indringende röntgenfoto's is een verlies van trouw aan de geregistreerde gegevens."

In een nieuwe studie, onderzoekers van Argonne hebben een nieuwe manier gevonden om deze beperkingen te overwinnen.

Deze beperkingen, volgens Argonne röntgenfysicus Stefan Vogt, zijn als het gebruik van een computermonitor met een lage resolutie om een ​​digitale foto met een hoge resolutie te bekijken. "Je kunt de getrouwheid van de originele afbeelding niet zien, " hij zei.

Door het algehele effect lijkt het beeld korrelig, zei Maddali, een auteur van de studie.

Omdat de afstand van doel tot detector relatief vast is, het verbeteren van de resolutie van een gepixeld röntgenverstrooiingsbeeld - in wezen, om het te verscherpen - vereist computationele algoritmen die onderverdeelde "virtuele pixels" creëren die het gepixelde beeld kunnen herverdelen. Vervolgens kunnen onderzoekers een proces gebruiken dat phase retrieval wordt genoemd om real-space-informatie over het monster te reconstrueren op basis van de verstrooide röntgengolffronten.

"Het is vergelijkbaar met proberen de vorm en grootte te bepalen van een steen die in een vijver wordt gegooid door te kijken naar de rimpelingen die de steen creëert, behalve in drie dimensies, "Zei Maddali. "Als je pixelgrootte klein genoeg is zodat je de ups en downs in de golf kunt zien, je kunt die afbeeldingen computationeel verwerken en een driedimensionaal beeld krijgen van het object dat de verstrooiing veroorzaakt."

Door signaalverwerking op deze manier te gebruiken, wetenschappers zijn in staat om op een effectieve manier een afbeelding te corrigeren die anders een experimenteel onmogelijk lenzensysteem nodig zou hebben om op te lossen.

Wetenschappers zouden deze techniek kunnen gebruiken om betere informatie te krijgen over materiële interfaces, en daardoor het gedrag van nieuwe materialen beter te begrijpen en uiteindelijk te beheersen.