Un team internazionale di ricercatori che comprende scienziati della Divisione di ricerca computazionale (CRD) del Berkeley Lab e del Centro per la matematica avanzata per le applicazioni di ricerca sull'energia (CAMERA) continua a trovare nuovi modi per migliorare la ricostruzione dell'immagine tticografica.

Negli esperimenti scientifici, L'imaging a raggi X tticografico viene utilizzato principalmente per caratterizzare la struttura e le proprietà della materia e dei materiali. Sebbene il metodo sia in circolazione da circa 50 anni, un ampio utilizzo è stato ostacolato dal fatto che il processo sperimentale è stato lento e l'elaborazione computazionale dei dati per produrre un'immagine ricostruita è stata costosa.

Ma negli ultimi anni i progressi nei rivelatori e nei microscopi a raggi X a sorgenti luminose come l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab hanno reso possibile misurare un set di dati tticografico in pochi secondi. Di conseguenza, oggi la tticografia è utilizzata in una vasta gamma di domini scientifici, compresa la fisica della materia condensata, biologia cellulare ed elettronica.

In pratica, La tticografia a raggi X funziona focalizzando un raggio di raggi X su un punto in un campione. La dispersione dal campione viene registrata nel campo lontano, e il modello registrato viene quindi messo in fase per ottenere l'immagine finale. La massima risoluzione ottenibile non è limitata dalle dimensioni del punto focale, solo dall'apertura numerica e dalla lunghezza d'onda utilizzata. La procedura di phasing in tticografia utilizza la sovrapposizione tra esposizioni consecutive del campione, più i modelli di diffrazione in campo lontano registrati, ricostruire un'immagine ad alta risoluzione del campione.

Di conseguenza, ricostruire set di dati tticografici può essere una sfida ad alta intensità di dati che comporta la risoluzione di un difficile problema di recupero delle fasi, calibrare gli elementi ottici e gestire i valori anomali sperimentali e il "rumore". Per affrontare questa sfida, Gli scienziati del Berkeley Lab hanno sviluppato SHARP (tticografia in tempo reale adattabile eterogenea scalabile), un framework algoritmico e un software per computer che consente la ricostruzione di milioni di fasi di dati di immagine tticografica al secondo. Da quando è stato introdotto nel 2016, SHARP ha avuto un impatto dimostrabile sulla produttività per gli scienziati che lavorano presso l'ALS e altre fonti di luce nel complesso del Dipartimento dell'Energia, con notevoli successi nell'analisi dei film magnetici sottili, magnetozomi e materiali per batterie 3-D.

Ora i ricercatori di CAMERA, l'Università del Texas e la Tianjin Normal University, tutti membri della collaborazione SHARP, hanno sviluppato un modello che migliora ulteriormente le capacità di ricostruzione di SHARP. Il nuovo algoritmo PIL-ADMM (scomposizione in gradiente del metodo della sonda/direzione alternata dei moltiplicatori), sfrutta gli aspetti matematici all'avanguardia del recupero di fase, ottimizzazione del rumore di fondo e "denoising" del rilevatore per migliorare l'acquisizione dei dati e la risoluzione dell'immagine. Con PIL-ADMM, SHARP è ora in grado di gestire più luce di prima, consentendo un'acquisizione più rapida e una risoluzione temporale più elevata e, in definitiva, più scoperte scientifiche.

Un documento che descriveva GDP-ADMM era l'articolo di copertina nel numero di maggio 2018 di Acta Cristallografia Sezione A . PIL-ADMM consente di utilizzare più luce, aprendo le fessure d'ingresso di un microscopio tticoografico e riducendo il numero di fotogrammi necessari per ottenere dati sufficienti per ricostruire un'immagine significativa. La pubblicazione descrive in dettaglio come il GDP-ADMM e l'analisi di coerenza parziale aiutano a superare i problemi di stabilità inerenti agli esperimenti di imaging tticografico coerenti, che spesso scartano la maggior parte del flusso da una sorgente luminosa per definire la coerenza di un'illuminazione (sonda a raggi X coerente localizzata). Sfrutta anche la separabilità del kernel traslazionale per velocizzare l'analisi.

"L'obiettivo era offrire la possibilità di scoprire rapidamente nanoparticelle interessanti a piena risoluzione, consentendo un rapido feedback dai microscopisti alle linee di luce, " disse Stefano Marchesini, uno scienziato del personale in CRD e coautore del documento Acta. "Anche quando le sorgenti luminose coerenti di nuova generazione entrano in funzione, potremmo essere in grado di estendere le energie dei raggi X che possono essere utilizzate in tticografia utilizzando questo modello".