Forskare som tänjer på gränserna för världens mest avancerade neutronspridningsinstrument vet att en liten förvrängning i deras mätningar är oundviklig. För vissa experiment är denna förvrängning lätt att förklara, men i andra typer av forskning kan den orsaka felaktiga fynd.

Varför spelar en liten mängd förvrängning roll? Det liknar när en detektiv lyfter ett fingeravtryck från ett glas vatten. Glasets krökning förvränger fingeravtrycket något, vilket gör det svårt att matcha avtrycket med en misstänkts fingeravtryck i filen. I ett sådant fall skulle det vara bra om det fanns ett sätt att ta bort förvrängningen från fingeravtrycket som finns på glaset.

Något liknande inträffade när forskare från Oak Ridge National Laboratory (ORNL) använde den världsklassiga SEQUOIA neutronspridningsspektrometern vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS). Forskarna mätte spinnvågsspridningar från ett magnetiskt kristallint material. De upptäckte att data (fingeravtrycket) som erhölls från SEQUOIA (glaset) var något förvrängd av instrumentets upplösningsgränser, trots dess toppmoderna design.

För att lösa problemet utvecklade forskarna en ny beräkningsteknik som förbättrade SEQUOIA:s effektiva upplösning med 500 % för att matcha data med kända spridningsvärden för spinnvågor. Dessutom kommer den här lösningen praktiskt taget utan kostnad eftersom den inte kräver någon extra hårdvara och använder programvara med öppen källkod.

Resultaten av deras ansträngningar publicerades i AIP-tidskriften Review of Scientific Instruments .

"Vi förutspådde att om vi kunde mäta mängden distorsion som är inneboende i SEQUOIA:s datainsamling, så kunde vi tillämpa en korrigering som skulle öka instrumentets effektiva upplösning", säger Jiao Lin, ledande instrumentutvecklingsforskare för CUPI ² D-instrument vid den andra målstationen (STS). "Det liknar hur ögonläkare utvärderar din syn och sedan ordinerar korrigerande glasögon eller kontaktlinser för att kompensera för distorsionen i din syn."

Till skillnad från ögonläkare som bara testar i tre dimensioner, behövde forskarna mäta SEQUOIAs förvrängning över fyra dimensioner. Detta gjorde uppgiften många gånger mer utmanande. Lyckligtvis hade forskarna tillgång till ORNL:s MCViNE öppen källkodsprogramvara, som kan användas för att emulera neutronexperiment för spinnvågor uppmätta av neutroninstrument som SEQUOIA. Teamet trodde att de kunde tillämpa programvaran på ett annat sätt för att få 4D-mätningar av distorsionen.

"För att förenkla 4D-mätningarna använde vi MCViNE-mjukvaran för att göra 2D-mätningar längs två axlar åt gången. Vi gjorde det för både den förvrängda experimentbilden och den högupplösta idealiserade modellen vi utvecklade", säger Matt Stone, ledande instrumentforskare i SEQUOIA på SNS. "Vi upprepade sedan 2D-mätningarna längs många andra axlar och interpolerade resultaten för att approximera en 4D-modell. På så sätt kunde vi mäta skillnaderna mellan den faktiska bilden och vår modell."

Teamet anpassade en datorbaserad stereovisionsteknik som är jämförbar med hur 3D-glasögon skapar en illusion av djup i filmer. De kunde visualisera förvrängningen längs modellens olika axlar en skiva i taget och kompensera för förvrängningar i sina ursprungliga mått. Superupplösningstekniken uppnådde så mycket som en 5 gånger bättre upplösning än tidigare metoder.

"När vi väl identifierat mängden och positionen för förvrängning i data kontra den idealiserade modellen, kunde vi tillämpa korrigeringar på data", säger Gabriele Sala, ledande instrumentforskare för STS CHESS strållinje. "Vi använde sedan den korrigerade datamängden för att generera en mycket mer exakt spinnvågsspridning som matchade en av de kända möjliga modellerna."

Forskarna är övertygade om att samma superupplösningsmetod kan tillämpas på andra neutroninstrument och experiment. "Denna teknik kan användas i ett brett spektrum av experimentella tillämpningar," sa Lin.

För ännu större upplösning och noggrannhet tror teamet att det kommer att vara möjligt att uppdatera 2D-upplösningstekniken för att direkt lösa 4D-mätningar. Detta skulle också kunna ta bort enkeldispersionsbegränsningen. + Utforska vidare

Ny ORNL-programvara förbättrar neutronspektroskopidataupplösning