p Uma equipe internacional de pesquisadores que inclui cientistas da Divisão de Pesquisa Computacional (CRD) do Berkeley Lab e do Centro de Matemática Avançada para Aplicações de Pesquisa de Energia (CAMERA) continua a encontrar novas maneiras de melhorar a reconstrução de imagens pticográficas. p Em experimentos científicos, A imagem fotográfica de raios-X é usada principalmente para caracterizar a estrutura e as propriedades da matéria e dos materiais. Embora o método já exista há cerca de 50 anos, a ampla utilização foi dificultada pelo fato de que o processo experimental era lento e o processamento computacional dos dados para produzir uma imagem reconstruída era caro.

p Mas, nos últimos anos, os avanços em detectores e microscópios de raios-X em fontes de luz, como a fonte de luz avançada do Berkeley Lab (ALS), tornaram possível medir um conjunto de dados pticográficos em segundos. Como resultado, hoje a pticografia é usada em uma variedade de domínios científicos, incluindo a física da matéria condensada, biologia celular e eletrônica.

p Na prática, A picografia de raios-X funciona focalizando um feixe de raios-X em um ponto de uma amostra. O espalhamento da amostra é registrado no campo distante, e o padrão gravado é então dividido em fases para obter a imagem final. A maior resolução atingível não é limitada pelo tamanho do ponto focal, apenas pela abertura numérica e comprimento de onda usado. O procedimento de faseamento na pticografia usa a sobreposição entre exposições consecutivas da amostra, além dos padrões de difração de campo distante registrados, para reconstruir uma imagem de alta resolução da amostra.

p Como resultado, reconstruir conjuntos de dados pticográficos pode ser um desafio intensivo de dados que envolve a resolução de um difícil problema de recuperação de fase, calibrar elementos ópticos e lidar com outliers experimentais e "ruído". Para enfrentar este desafio, Os cientistas do Berkeley Lab desenvolveram o SHARP (pticografia em tempo real adaptativa heterogênea escalável), uma estrutura algorítmica e software de computador que permite a reconstrução de milhões de fases de dados de imagem pticográfica por segundo. Desde que foi lançado em 2016, O SHARP teve um impacto demonstrável na produtividade dos cientistas que trabalham no ALS e em outras fontes de luz em todo o complexo do Departamento de Energia, com notáveis ​​sucessos na análise de filmes finos magnéticos, magnetozomes e materiais de bateria 3-D.

p Agora, pesquisadores da CAMERA, a Universidade do Texas e a Tianjin Normal University - todos membros da colaboração do SHARP - desenvolveram um modelo que aprimora ainda mais as capacidades de reconstrução do SHARP. O novo algoritmo, GDP-ADMM (decomposição de gradiente da sonda / método de direção alternada dos multiplicadores), aproveita os aspectos matemáticos de última geração da recuperação de fase, otimização de ruído de fundo e "denoising" do detector para aprimorar a aquisição de dados e a resolução da imagem. Com o GDP-ADMM, SHARP agora é capaz de lidar com mais luz do que antes, permitindo aquisição mais rápida e resolução de tempo superior e, finalmente, mais descobertas científicas.

p Um artigo descrevendo a GDP-ADMM foi o artigo de capa na edição de maio de 2018 da Cristalografia de Acta, seção A . GDP-ADMM permite que mais luz seja usada, abrir as fendas de entrada de um microscópio pticográfico e reduzir o número de quadros necessários para obter dados suficientes para reconstruir uma imagem significativa. A publicação detalha como o GDP-ADMM e a análise de coerência parcial ajudam a superar os problemas de estabilidade inerentes aos experimentos de imagem pticográfica coerentes, que frequentemente descartam a maior parte do fluxo de uma fonte de luz para definir a coerência de uma iluminação (sonda de raios-X coerente localizada). Ele também explora a separabilidade translacional do kernel para acelerar a análise.

p "O objetivo era oferecer a capacidade de descobrir rapidamente nanopartículas interessantes em resolução total, permitindo um feedback rápido dos microscopistas nas linhas de luz, "disse Stefano Marchesini, cientista da equipe do CRD e co-autor do artigo da Acta. "Mesmo quando as fontes de luz coerente da próxima geração ficam online, podemos ser capazes de estender as energias de raios-X que podem ser usadas em pticografia usando este modelo. "