KOSMISK, ett multifunktionellt röntgeninstrument vid Lawrence Berkeley National Laboratorys (Berkeley Labs) Advanced Light Source (ALS), har gjort framsteg inom det vetenskapliga samfundet sedan lanseringen för mindre än 2 år sedan, med banbrytande bidrag inom områden som sträcker sig från batterier till biomineraler.

COSMIC är den ljusaste röntgenstrållinjen vid ALS, en synkrotron som genererar intensivt ljus – från infrarött till röntgenstrålar – och levererar det till dussintals strållinjer för att utföra en rad samtidiga vetenskapliga experiment. COSMICs namn kommer från koherent spridning och mikroskopi, som är två övergripande röntgentekniker som den är utformad för att utföra.

Dess kapacitet inkluderar världsledande mjuk röntgenmikroskopiupplösning under 10 nanometer (miljarddelar av en meter), extrem kemisk känslighet, ultrasnabb skanningshastighet samt förmågan att mäta kemiska förändringar i nanoskala i prover i realtid, och att underlätta utforskningen av prover med en kombination av röntgen- och elektronmikroskopi. Mjuka röntgenstrålar representerar ett lågt intervall i röntgenenergier, medan hårda röntgenstrålar har högre energi. Varje typ kan hantera olika experiment.

COSMIC lägger grunden för ett långsiktigt projekt för att uppgradera den decennier gamla ALS. Ansträngningen, känd som ALS-uppgraderingen (ALS-U), kommer att ersätta de flesta av de befintliga acceleratorkomponenterna med den senaste tekniken, säkerställa kapacitet som möjliggör världsledande mjukröntgenvetenskap i många år framöver. Uppgraderingen kommer också att ytterligare förbättra COSMICs förmåga att fånga detaljer i nanoskala i strukturen och kemin hos ett brett urval av prover.

Den förväntade 100-faldiga ökningen av röntgenljusstyrkan som ALS-U kommer att leverera kommer att ge en liknande ökning av bildhastigheten vid COSMIC, och en mer än trefaldig förbättring av bildupplösning, möjliggör mikroskopi med en nanometers upplösning. Ytterligare, tekniken som utvecklas nu på COSMIC kommer att användas vid andra strållinjer vid den uppgraderade ALS, möjliggör mikroskopi med högre röntgenenergier för många fler experiment. Instrumentet är en av många mycket specialiserade resurser som är tillgängliga för forskare från hela världen gratis genom en sakkunnig granskad förslagsprocess.

En tidskriftsartikel, publicerad 16 december, 2020, i Vetenskapens framsteg , lyfter fram några av COSMICs befintliga kapacitet och de som är på väg. Tidningen ger exempel på 8-nanometers upplösning som uppnås vid avbildning av magnetiska nanopartiklar, den högupplösta kemiska kartläggningen av ett batterikatodmaterial under uppvärmning, och högupplöst avbildning av en frusen hydratiserad jästcell vid COSMIC. (En katod är en typ av batterielektrod, en komponent genom vilken ström flyter.) Dessa resultat fungerar som demonstrationsfall, avslöjar kritisk information om dessa materials struktur och inre funktion och öppnar dörren för ytterligare insikter inom många vetenskapsområden.

Ännu en tidningsartikel, publicerad 19 januari, 2021), i Proceedings of the National Academy of Sciences , demonstrerade den första användningen någonsin av linjär dikroisk röntgenptykografi, en specialiserad högupplöst bildteknik tillgänglig på COSMIC, att kartlägga orienteringen av en kristall känd som aragonit som finns i korallskelett med 35 nanometers upplösning. Tekniken visar lovande för kartläggning av andra biomineralprover i hög upplösning och i 3D, som kommer att ge nya insikter om deras unika egenskaper och hur man härmar och kontrollerar dem. Vissa biomineraler har inspirerat mänskligt tillverkade material och nanomaterial på grund av sin styrka, elasticitet, och andra önskvärda egenskaper.

"Vi använder detta användarvänliga, unik plattform för materialkaraktärisering för att demonstrera världsledande rumslig upplösning, i samband med operando och kryogen mikroskopi, sa David Shapiro, tidningens huvudförfattare och huvudforskaren för COSMICs mikroskopiexperiment. Han leder också ALS-mikroskopiprogrammet. "Operando" beskriver förmågan att mäta förändringar i prover när de inträffar.

"Det finns inget annat instrument som har dessa funktioner samlokaliserade för röntgenmikroskopi vid denna upplösning, "Shapiro sa. COSMIC kan ge nya ledtrådar till nanoskala inre bearbetning av material, även när de fungerar aktivt, som kommer att leda till en djupare förståelse och bättre design – för batterier, katalysatorer, eller biologiska material. Att utrusta COSMIC med en sådan mångfald av förmågor krävde ett lika brett samarbete över vetenskapliga discipliner, noterade han.

COSMIC-bidragsgivare inkluderade medlemmar i Berkeley Labs CAMERA-team (Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications), som inkluderar datavetare, programvaruingenjörer, tillämpade matematiker, och andra; IT-experter; detektorspecialister; ingenjörer; forskare vid Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy; ALS-forskare; och externa medarbetare från National Science Foundations STROBE Science and Technology Center och Stanford University.

Flera avancerade teknologier utvecklade av olika grupper integrerades i detta ena instrument. Nyckeln till demonstrationerna på COSMIC som rapporteras i tidningen är implementeringen av röntgenptykografi, vilket är en datorstödd bildrekonstruktionsteknik som kan överstiga upplösningen för konventionella tekniker med upp till cirka 10 gånger.

Med traditionella metoder, rumslig upplösning – förmågan att urskilja små detaljer i prover – begränsas av kvaliteten på röntgenoptiken och deras förmåga att fokusera röntgenstrålen till en liten fläck. Men konventionell röntgenoptik, vilka är de instrument som används för att manipulera röntgenljus för att se prover tydligare, är svåra att göra, ineffektiv, och har korta brännvidder.

Istället för att förlita sig på ofullkomlig optik, ptychography registrerar ett stort antal fysiskt överlappande diffraktionsmönster - som är bilder producerade som röntgenljusspridningar från provet - var och en erbjuder en liten del av hela bilden. Istället för att begränsas av optikens kvalitet, ptychografitekniken begränsas av ljusstyrkan hos röntgenkällan – precis den parameter som ALS-U förväntas förbättra hundra gånger. För att fånga och bearbeta den enorma mängden data och rekonstruera den slutliga bilden krävs databehandlingsfaciliteter, datoralgoritmer, och specialiserade snabba pixeldetektorer som de som utvecklats vid Berkeley Lab.

"Röntgenptykografi är en detektoraktiverad teknik - först utplacerad med hård (högenergi) röntgenstrålning med hybridpixeldetektorer, och sedan på ALS med FastCCD utvecklade vi, sa Peter Denes, programledaren för ALS-detektorn som arbetade med ledande ingenjör John Joseph om implementeringen på COSMIC. "Mycket av COSMIC-teknologin gynnades av Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programmet, liksom FastCCD, som översatte verktyg för kosmologi till KOSMISKA observationer." Berkeley Labs LDRD-program stödjer innovativa forskningsaktiviteter som håller labbet i framkanten av vetenskap och teknik.

Ptychografi använder en sekvens av spridningsmönster, produceras som röntgenljusspridning från ett prov. Dessa spridningsmönster analyseras av en dator som kör högpresterande algoritmer, som omvandlar dem till en högupplöst bild.

I den 16 december, 2020, papper, forskare lyfte fram hur ptykografiska bilder gjorde det möjligt att se den högupplösta kemiska distributionen i mikroskopiska partiklar av ett katodmaterial av litiumjärnfosfatbatteri (Li) _0,5 FePo ₄ ). De ptykografiska bilderna visade kemiska egenskaper i nanoskala i det inre av partiklarna som inte var synliga med den konventionella formen av bildtekniken, kallas spektromikroskopi.

I en separat demonstration av ptychografi på COSMIC, forskare noterade kemiska förändringar i en samling av LixFePO4-nanopartiklar när de utsattes för uppvärmning.

Ptychografi är också en källa till COSMICs stora datakrav. Strållinjen kan producera flera terabyte data per dag, eller tillräckligt för att fylla några bärbara datorer. De intensiva beräkningarna som krävs för COSMICs bildbehandling kräver ett dedikerat kluster av GPU:er (grafiska bearbetningsenheter), som är specialiserade datorprocessorer.

ALS-uppgraderingen kommer ytterligare att driva sina databehov upp till förväntade 100 terabyte per dag, Shapiro noterade. Planer diskuteras redan för att använda fler resurser vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för att tillgodose denna väntande ökning av data.

COSMIC är ett fantastiskt exempel på Berkeley Labs Superfacility Project, som är designad för att länka samman ljuskällor som ALS och banbrytande instrumentering inklusive mikroskop och teleskop med data och högpresterande datorresurser i realtid, sa Björn Enders, en datavetenskaplig arbetsflödesarkitekt i NERSC:s Data Science Engagement Group.

"Vi älskar data- och datorutmaningar från instrument som COSMIC som vågar sig utanför anläggningens gränser, " Sa Enders. "Vi arbetar mot en framtid där det kommer att vara så enkelt som ett knapptryck att använda NERSCs resurser från en strållinje." Tillägget av den nya Perlmutter superdatorn på NERSC, han lade till, "kommer att vara en idealisk partner för COSMIC inom teamvetenskap."

COSMIC startade i driftsättningsläge i mars 2017, och öppnade för allmänna vetenskapliga experiment för cirka 2 år sedan. Sedan denna tid, instrumentpersonalen har lanserat operandofunktionerna som mäter aktiva kemiska processer, till exempel, och rullade ut linjär och cirkulär dikroisk mikroskopi och tomografifunktioner som ytterligare utökar COSMICs utbud av avbildningsexperiment.

Dess sammanhängande spridningsgren testas nu och är ännu inte tillgänglig för externa användare. Arbete pågår också för att korrelera dess röntgenmikroskopresultat med elektronmikroskopiresultat för aktiva processer, och att vidareutveckla dess kryogena kapacitet, vilket gör att biologiska prover och andra mjuka material kan skyddas från skador av den ultraljusa röntgenstrålen medan de avbildas. Kombinationen av röntgen- och elektronmikroskopi kan ge ett kraftfullt verktyg för att samla in detaljerad kemisk och strukturell information om prover, som visades i ett experiment som involverade COSMIC som lyftes fram i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Shapiro noterade att det finns planer på att introducera en ny experimentstation till strållinjen, tidsinställd med ALS-U, för att rymma fler experiment.

En hemlighet bakom COSMICs framgång är att instrumentet är designat för kompatibilitet med standardkomponenter för provhantering. Shapiro sa att detta användarvänliga tillvägagångssätt "har varit väldigt viktigt för oss, " och gör det lättare för forskare från akademi och industri att designa COSMIC-kompatibla experiment. "Användare kan bara dyka upp och koppla in (proverna). Det ökar vår räckvidd, vetenskapligt, " han sa.

Medan COSMIC är laddat med funktioner, det är inte skrymmande, och Shapiro beskrev den som "strömlinjeformad i storlek och kostnad." Han sa att han hoppas att det kommer att vara en modell för framtida strållinjer, både vid ALS-U och vid andra synkrotronanläggningar.

"Jag tycker att det som verkligen är attraktivt med det är att det är ett väldigt kompakt instrument. Det är högpresterande och väldigt stabilt, " sade han. "Det är mycket hanterbart och inte särskilt dyrt. I den meningen borde det vara väldigt attraktivt för synkrotroner."