En nästa generations röntgenstrållinje som nu fungerar vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) samlar en unik uppsättning möjligheter för att mäta egenskaperna hos material i nanoskala.

Kallas COSMIC, för koherent spridning och mikroskopi, denna röntgenstrållinje vid Berkeley Labs Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) tillåter forskare att undersöka fungerande batterier och andra aktiva kemiska reaktioner, och att avslöja nya detaljer om magnetism och korrelerade elektroniska material.

COSMIC har två grenar som fokuserar på olika typer av röntgenexperiment:en för röntgenavbildningsexperiment och en för spridningsexperiment. I båda fallen, Röntgenstrålar interagerar med ett prov och mäts på ett sätt som ger, strukturell, kemisk, elektronisk, eller magnetisk information om prover.

Strållinjen är också tänkt som en viktig teknisk bro mot den planerade ALS-uppgraderingen, kallad ALS-U, som skulle maximera dess kapacitet.

Nu, efter en första års upptrappning under vilken personalen testade och trimmade dess komponenter, de vetenskapliga resultaten från dess tidigaste experiment förväntas publiceras i tidskrifter senare i år.

En studie publicerad tidigare denna månad i tidskriften Naturkommunikation , huvudsakligen baserat på arbete vid en relaterad ALS-strållinje, framgångsrikt demonstrerat en teknik känd som ptychographic computed tomography som kartlade platsen för reaktioner inuti litiumjonbatterier i 3-D. Det experimentet testade instrumenteringen som nu är permanent installerad vid COSMIC-avbildningsanläggningen.

"Detta vetenskapliga resultat kom från FoU-ansträngningen som ledde fram till COSMIC, sa David Shapiro, en stabsforskare i Experimental Systems Group (ESG) vid Berkeley Labs ALS och den ledande forskaren för COSMICs mikroskopiexperiment.

Detta resultat möjliggjordes av ALS investeringar i FoU, och samarbeten med University of Illinois i Chicago och med Berkeley Labs Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA), noterade han.

"Vi strävar efter att tillhandahålla en helt ny klass av verktyg för materialvetenskap, såväl som för miljö- och livsvetenskaper, Shapiro sa. Ptychography uppnår rumslig upplösning som är finare än röntgenfläckstorleken genom fashämtning från koherenta diffraktionsdata, och "ALS har gjort detta med världsrekord rumslig upplösning i två och nu tre dimensioner, " han lade till.

Den ptykografiska tomografitekniken som forskare använde i denna senaste studie gjorde det möjligt för dem att se de kemiska tillstånden i enskilda nanopartiklar. Young-Sang Yu, huvudförfattare till studien och en ESG-forskare, sa, "Vi tittade på en bit av en batterikatod i 3D med en upplösning som var oöverträffad för röntgenstrålar. Detta ger ny insikt om batteriprestanda både på enpartikelnivå och över statistiskt signifikanta delar av en batterikatod."

COSMIC är fokuserat på en rad "mjuka" eller lågenergiröntgenstrålar som är särskilt väl lämpade för analys av kemisk sammansättning i material

Ptykografisk tomografi kan vara särskilt användbar för att titta på cellulära komponenter såväl som batterier eller andra kemiskt olika material i extrem detalj. Shapiro sa att röntgenstrålen vid COSMIC är fokuserad på en plats på cirka 50 nanometer (miljarddelar av en meter) i diameter; dock, ptykografi kan rutinmässigt förbättra den rumsliga upplösningen med en faktor 10 eller mer. Det aktuella arbetet utfördes med en 120 nanometer stråle som uppnådde en 3D-upplösning på cirka 11 nanometer.

COSMICs röntgenstråle är också ljusare än ALS-strållinjen som användes för att testa dess instrumentering, och det kommer att bli ännu ljusare när ALS-U är klar. Denna ljusstyrka kan översättas till en ännu högre upplösning i nanoskala, och kan också möjliggöra mycket mer precision i tidsberoende experiment.

För att effektivt kunna använda denna ljusstyrka krävs snabba detektorer, som är utvecklade av ALS-detektorgruppen. Den aktuella detektorn kan arbeta med en datahastighet på upp till 400 megabyte per sekund och kan nu generera några terabyte data per dag - tillräckligt för att lagra cirka 500 till 1, 000 långfilmer. Nästa generations detektorer, ska testas inom kort, kommer att producera data 100 gånger snabbare.

"Vi förväntar oss att vara den mest dataintensiva strållinjen vid ALS, och en viktig komponent i COSMIC är utvecklingen av avancerad matematik och beräkning som snabbt kan rekonstruera information från data när den samlas in, sa Shapiro.

För att utveckla dessa verktyg COSMIC tillsammans med CAMERA, som skapades för att ge den senaste matematiken och datoranvändningen till DOE:s vetenskapliga anläggningar.

CAMERA Director James Sethian sa, "Att bygga avancerade realtidsalgoritmer och den högpresterande ptykografiska rekonstruktionskoden för COSMIC har varit en mycket framgångsrik flerårig ansträngning mellan matematiker, datavetare, mjukvaruingenjörer, mjukvaruexperter, och strållinjeforskare."

Koden som teamet utvecklade för att förbättra ptychographic imaging på COSMIC, döpt till SHARP, är nu tillgänglig för alla ljuskällor över hela DOE-komplexet. För COSMIC, SHARP-koden körs på ett dedikerat grafikprocessor (GPU)-kluster som hanteras av Berkeley Labs High Performance Computing Services.

Förutom ptychografi, COSMIC är också utrustad för experiment som använder röntgenfotonkorrelationsspektroskopi, eller XPCS, en teknik som är användbar för att studera fluktuationer i material associerade med exotiska magnetiska och elektroniska egenskaper.

COSMIC gör det möjligt för forskare att se sådana fluktuationer som inträffar i millisekunder, eller tusendels sekund, jämfört med tidssteg på flera sekunder eller längre vid föregångare beamlines. En ny COSMIC slutstation med applicerat magnetfält och kryogena möjligheter byggs nu, med tidiga tester som ska börja i sommar.

Forskare har redan använt COSMICs avbildningskapacitet för att utforska en rad nanomaterial, batterianod och katodmaterial, cement, glasögon, och magnetiska tunna filmer, sa Shapiro.

"Vi är fortfarande i läget för att lära och trimma, men prestationen är fantastisk än så länge, " sa han. Han krediterade ALS-teamet, ledd av ESG-forskaren Tony Warwick, för att arbeta snabbt för att få fart på COSMIC. "Det är ganska anmärkningsvärt att nå så hög prestanda på så kort tid."