Wetenschappers die de grenzen verleggen van 's werelds meest geavanceerde neutronenverstrooiingsinstrumenten weten dat een kleine hoeveelheid vervorming in hun metingen onvermijdelijk is. Voor sommige experimenten is deze vervorming gemakkelijk te verklaren, maar in andere soorten onderzoek kan het tot onnauwkeurige bevindingen leiden.

Waarom is een kleine hoeveelheid vervorming van belang? Het is vergelijkbaar met wanneer een detective een vingerafdruk van een glas water haalt. De kromming van het glas vervormt de vingerafdruk enigszins, waardoor het moeilijk is om de afdruk te matchen met de vingerafdruk van een verdachte in het bestand. In zo'n geval zou het handig zijn als er een manier was om de vervorming van de vingerafdruk op het glas te verwijderen.

Zoiets deed zich voor toen wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) de SEQUOIA-spectrometer voor neutronenverstrooiing van wereldklasse gebruikten bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS). De onderzoekers maten spingolfdispersies van een magnetisch kristallijn materiaal. Ze ontdekten dat de gegevens (de vingerafdruk) verkregen van SEQUOIA (het glas) enigszins vervormd waren door de resolutielimieten van het instrument, ondanks het ultramoderne ontwerp.

Om het probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe rekentechniek die de effectieve resolutie van SEQUOIA met 500% verbeterde om de gegevens af te stemmen op bekende spingolfdispersiewaarden. Bovendien kost deze oplossing vrijwel niets, omdat er geen extra hardware voor nodig is en gebruik wordt gemaakt van open source-software.

De resultaten van hun inspanningen werden gepubliceerd in het AIP-tijdschrift Review of Scientific Instruments .

"We voorspelden dat als we de hoeveelheid vervorming zouden kunnen meten die inherent is aan de gegevensverzameling van SEQUOIA, we vervolgens een correctie zouden kunnen toepassen die de effectieve resolutie van het instrument zou verhogen", zegt Jiao Lin, hoofd wetenschapper instrumentontwikkeling voor de CUPI ² 2 sup> D-instrument bij het tweede doelstation (STS). "Het is vergelijkbaar met hoe oogartsen uw gezichtsvermogen evalueren en vervolgens corrigerende brillen of contactlenzen voorschrijven om de vervorming in uw zicht te compenseren."

In tegenstelling tot oogartsen die alleen in drie dimensies testen, moesten de wetenschappers de vervorming van SEQUOIA over vier dimensies meten. Dit maakte de taak vele malen uitdagender. Gelukkig hadden de onderzoekers toegang tot ORNL's MCViNE open source software, die kan worden gebruikt om neutronenexperimenten na te bootsen voor spingolven gemeten door neutroneninstrumenten zoals SEQUOIA. Het team dacht dat ze de software op een andere manier konden toepassen om 4D-metingen van de vervorming te verkrijgen.

"Om de 4D-metingen te vereenvoudigen, hebben we MCViNE-software gebruikt om 2D-metingen langs twee assen tegelijk uit te voeren. Dat deden we voor zowel het vervormde experimentele beeld als het geïdealiseerde model met hoge resolutie dat we ontwikkelden", zegt Matt Stone, hoofdinstrumentwetenschapper bij SEQUOIA. bij de SNS. "Vervolgens herhaalden we de 2D-metingen langs vele andere assen en interpoleerden we de resultaten om een ​​4D-model te benaderen. Op deze manier konden we de verschillen tussen het werkelijke beeld en ons model meten."

Het team paste een computationele stereovisietechnologie toe die vergelijkbaar is met hoe 3D-brillen de illusie van diepte in films creëren. Ze konden de vervorming langs de verschillende assen van het model stuk voor stuk visualiseren en de vervormingen in hun oorspronkelijke metingen compenseren. De superresolutietechniek behaalde een 5 keer betere resolutie dan eerdere methoden.

"Toen we eenmaal de hoeveelheid en positie van vervorming in de gegevens vergeleken met het geïdealiseerde model hadden geïdentificeerd, konden we correcties op de gegevens toepassen", zegt Gabriele Sala, hoofdinstrumentwetenschapper van de STS CHESS-bundellijn. "Vervolgens gebruikten we de gecorrigeerde dataset om een ​​veel nauwkeurigere spingolfverspreiding te genereren die overeenkwam met een van de bekende mogelijke modellen."

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat dezelfde superresolutiebenadering kan worden toegepast op andere neutroneninstrumenten en experimenten. "Deze techniek kan worden gebruikt in een breed scala aan experimentele toepassingen", zegt Lin.

Voor een nog grotere resolutie en nauwkeurigheid denkt het team dat het mogelijk zal zijn om de 2D-resolutietechniek te updaten om 4D-metingen direct op te lossen. Dit zou ook de beperking van de enkele dispersie kunnen verwijderen. + Verder verkennen

Nieuwe ORNL-software verbetert de resolutie van neutronenspectroscopiegegevens