Ученые, расширяющие возможности самых передовых в мире приборов для рассеяния нейтронов, знают, что небольшие искажения в их измерениях неизбежны. Для некоторых экспериментов это искажение легко объяснить, но в других типах исследований оно может привести к неточным результатам.
Почему небольшое количество искажений имеет значение? Это похоже на то, когда детектив снимает отпечаток пальца со стакана воды. Кривизна стекла немного искажает отпечаток пальца, что затрудняет сопоставление отпечатка с отпечатком пальца подозреваемого в файле. В таком случае было бы полезно, если бы был способ удалить искажение отпечатка пальца, найденного на стекле.
Нечто подобное произошло, когда ученые из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) использовали спектрометр рассеяния нейтронов мирового класса SEQUOIA на источнике нейтронов расщепления ORNL (SNS). Исследователи измеряли дисперсию спиновых волн от магнитного кристаллического материала. Они обнаружили, что данные (отпечаток пальца), полученные с SEQUOIA (стекло), были слегка искажены из-за пределов разрешения прибора, несмотря на его современную конструкцию.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новую вычислительную технику, которая улучшила эффективное разрешение SEQUOIA на 500%, чтобы сопоставить данные с известными значениями дисперсии спиновых волн. Кроме того, это решение предоставляется практически бесплатно, поскольку не требует дополнительного оборудования и использует программное обеспечение с открытым исходным кодом .
Результаты их усилий были опубликованы в журнале AIP Review of Scientific Instruments.
«Мы предсказали, что если бы мы могли измерить количество искажений, присущих сбору данных SEQUOIA, мы могли бы затем применить поправку, которая увеличила бы эффективное разрешение инструмента», — сказал Цзяо Линь, ведущий научный сотрудник по разработке инструмента CUPI 2D во Второй Целевая станция (STS). «Это похоже на то, как офтальмологи оценивают ваше зрение, а затем назначают корректирующие очки или контактные линзы, чтобы компенсировать искажение вашего зрения».
В отличие от глазных врачей, которые тестируют только в трех измерениях, ученым нужно было измерить искажение SEQUOIA в четырех измерениях. Это во много раз усложняло задачу. К счастью, у исследователей был доступ к программному обеспечению ORNL MCViNE с открытым исходным кодом, которое можно использовать для моделирования нейтронных экспериментов со спиновыми волнами, измеряемыми нейтронными приборами, такими как SEQUOIA. Команда полагала, что они могут применить программное обеспечение по-другому, чтобы получить 4D-измерения искажения.
«Чтобы упростить 4D-измерения, мы использовали программное обеспечение MCViNE для выполнения 2D-измерений одновременно по двум осям. Мы сделали это как для искаженного экспериментального изображения, так и для разработанной нами идеализированной модели с высоким разрешением», — сказал Мэтт Стоун, ведущий научный сотрудник SEQUOIA. в СНС. «Затем мы повторили 2D-измерения по многим другим осям и интерполировали результаты, чтобы приблизиться к 4D-модели. Таким образом, мы смогли измерить несоответствия между реальным изображением и нашей моделью».
Команда адаптировала вычислительную технологию стереозрения, которая сравнима с тем, как 3D-очки создают иллюзию глубины в фильмах. Они могли визуализировать искажение по разным осям модели по одному срезу за раз и компенсировать искажения в своих исходных измерениях. Метод сверхвысокого разрешения достиг разрешения в 5 раз лучше, чем предыдущие методы.
«Как только мы определили количество и положение искажений в данных по сравнению с идеализированной моделью, мы смогли применить поправки к данным», — сказал Габриэле Сала, ведущий специалист по приборам лучевой линии STS CHESS. «Затем мы использовали скорректированный набор данных для создания гораздо более точной дисперсии спиновых волн, которая соответствовала бы одной из известных возможных моделей».
Исследователи уверены, что такой же подход со сверхвысоким разрешением можно применить и к другим нейтронным приборам и экспериментам. «Эту технику можно использовать в самых разных экспериментальных приложениях», — сказал Лин.
Команда считает, что для еще большего разрешения и точности будет возможно обновить метод 2D-разрешения для прямого разрешения 4D-измерений. Это также может снять ограничение на одиночную дисперсию.
