Een röntgenbundellijn van de volgende generatie die nu werkt in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy, brengt een unieke reeks mogelijkheden samen om de eigenschappen van materialen op nanoschaal te meten.

genaamd KOSMISCHE, voor coherente verstrooiing en microscopie, deze röntgenbundellijn in Berkeley Lab's Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) stelt wetenschappers in staat om werkende batterijen en andere actieve chemische reacties te onderzoeken, en om nieuwe details over magnetisme en gecorreleerde elektronische materialen te onthullen.

COSMIC heeft twee takken die zich richten op verschillende soorten röntgenexperimenten:een voor röntgenbeeldvormingsexperimenten en een voor verstrooiingsexperimenten. In beide gevallen, Röntgenstralen interageren met een monster en worden gemeten op een manier die zorgt voor, structureel, chemisch, elektronisch, of magnetische informatie over monsters.

De bundellijn is ook bedoeld als een belangrijke technologische brug naar de geplande ALS-upgrade, genaamd ALS-U, dat zou zijn mogelijkheden maximaliseren.

Nutsvoorzieningen, na een opstart in het eerste jaar waarin het personeel de componenten heeft getest en afgesteld, de wetenschappelijke resultaten van de eerste experimenten zullen naar verwachting later dit jaar in tijdschriften worden gepubliceerd.

Een studie die eerder deze maand in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuurcommunicatie , voornamelijk gebaseerd op werk aan een gerelateerde ALS-bundellijn, heeft met succes een techniek gedemonstreerd die bekend staat als ptychografische computertomografie en die de locatie van reacties in lithium-ionbatterijen in 3D in kaart bracht. Dat experiment testte de instrumentatie die nu permanent is geïnstalleerd in de COSMIC-beeldvormingsfaciliteit.

"Dit wetenschappelijke resultaat kwam voort uit de R&D-inspanningen die leidden tot COSMIC, " zei David Shapiro, een stafwetenschapper in de Experimental Systems Group (ESG) bij Berkeley Lab's ALS en de hoofdwetenschapper voor COSMIC's microscopie-experimenten.

Dat resultaat werd mogelijk gemaakt door ALS-investeringen in R&D, en samenwerkingen met de Universiteit van Illinois in Chicago en met Berkeley Lab's Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA), hij merkte.

"We streven ernaar een geheel nieuwe klasse gereedschappen te bieden voor de materiaalwetenschappen, evenals voor milieu- en biowetenschappen, " zei Shapiro. Ptychografie bereikt een ruimtelijke resolutie die fijner is dan de grootte van de röntgenvlek door fase-opvraging van coherente diffractiegegevens, en "De ALS heeft dit gedaan met een wereldrecord ruimtelijke resolutie in twee en nu drie dimensies, " hij voegde toe.

De ptychografische tomografietechniek die onderzoekers in dit laatste onderzoek gebruikten, stelde hen in staat om de chemische toestanden in individuele nanodeeltjes te bekijken. Young-Sang Yu, hoofdauteur van de studie en een ESG-wetenschapper, zei, "We hebben een stuk van een batterijkathode in 3D bekeken met een resolutie die ongekend was voor röntgenstralen. Dit biedt nieuw inzicht in de batterijprestaties, zowel op het niveau van één deeltje als over statistisch significante delen van een batterijkathode."

COSMIC is gericht op een reeks "zachte" of energiezuinige röntgenstralen die bijzonder geschikt zijn voor analyse van de chemische samenstelling in materialen

Ptychografische tomografie kan bijzonder nuttig zijn om cellulaire componenten evenals batterijen of andere chemisch diverse materialen tot in de kleinste details te bekijken. Shapiro zei dat de röntgenstraal bij COSMIC is gericht op een plek met een diameter van ongeveer 50 nanometer (miljardste van een meter); echter, ptychografie kan de ruimtelijke resolutie routinematig verbeteren met een factor 10 of meer. Het huidige werk werd uitgevoerd met een straal van 120 nanometer die een 3D-resolutie van ongeveer 11 nanometer bereikte.

De röntgenstraal van COSMIC is ook helderder dan de ALS-straallijn die werd gebruikt om de instrumenten te testen, en het zal nog helderder worden zodra ALS-U voltooid is. Deze helderheid kan zich vertalen in een nog hogere resolutie op nanoschaal, en kan ook veel meer precisie mogelijk maken in tijdafhankelijke experimenten.

Om efficiënt gebruik te maken van deze helderheid zijn snelle detectoren nodig, die zijn ontwikkeld door de ALS-detectorgroep. De huidige detector kan werken met een datasnelheid van maximaal 400 megabyte per seconde en kan nu een paar terabytes aan data per dag genereren - genoeg om ongeveer 500 tot 1 op te slaan. 000 langspeelfilms. Detectoren van de volgende generatie, binnenkort te testen, zal 100 keer sneller data produceren.

"We verwachten de meest data-intensieve bundellijn te zijn bij de ALS, en een belangrijk onderdeel van COSMIC is de ontwikkeling van geavanceerde wiskunde en berekeningen die in staat zijn om snel informatie uit de verzamelde gegevens te reconstrueren, ' zei Shapiro.

Om deze tools COSMIC in combinatie met CAMERA te ontwikkelen, die is gemaakt om state-of-the-art wiskunde en informatica naar de wetenschappelijke faciliteiten van DOE te brengen.

CAMERA-directeur James Sethian zei:"Het bouwen van geavanceerde realtime-algoritmen en de hoogwaardige ptychografische reconstructiecode voor COSMIC is een zeer succesvolle meerjarige inspanning geweest tussen wiskundigen, computer wetenschappers, software-ingenieurs, software-experts, en beamline wetenschappers."

De code die het team ontwikkelde om ptychografische beeldvorming bij COSMIC te verbeteren, genaamd SHARP, is nu beschikbaar voor alle lichtbronnen in het DOE-complex. Voor KOSMISCHE, de SHARP-code draait op een speciale grafische verwerkingseenheid (GPU)-cluster die wordt beheerd door Berkeley Lab's High Performance Computing Services.

Naast ptychografie, COSMIC is ook uitgerust voor experimenten die gebruikmaken van röntgenfotoncorrelatiespectroscopie, of XPCS, een techniek die nuttig is voor het bestuderen van fluctuaties in materialen die verband houden met exotische magnetische en elektronische eigenschappen.

COSMIC stelt wetenschappers in staat om dergelijke fluctuaties in milliseconden te zien, of duizendsten van een seconde, vergeleken met tijdstappen van meerdere seconden of langer bij voorgaande bundellijnen. Een nieuw COSMIC-eindstation met toegepast magnetisch veld en cryogene mogelijkheden wordt nu gebouwd, met vroege testen die deze zomer beginnen.

Wetenschappers hebben de beeldvormingsmogelijkheden van COSMIC al gebruikt om een ​​reeks nanomaterialen te verkennen, batterij anode en kathode materialen, cement, bril, en magnetische dunne films, zei Shapiro.

"We zijn nog steeds in de modus van leren en afstemmen, maar de uitvoering is tot nu toe fantastisch, " zei hij. Hij crediteerde de ALS-bemanning, onder leiding van ESG-wetenschapper Tony Warwick, om snel te werken om COSMIC op snelheid te brengen. "Het is vrij opmerkelijk om in zo'n korte tijd zulke hoge prestaties te leveren."