2019-02-27 23:40:02
原子尺度的大数据新探测器在速度上达到了新的前沿

电子显微镜的进步 - 利用电子作为成像工具来观察使用光的传统显微镜所能达到的范围 - 为纳米级世界打开了一扇新的窗口,并以前所未有的方式将各种样品聚焦。

电子显微镜实验只能使用显微镜电子束与样品相互作用时产生的一小部分可能信息。现在,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一个团队设计了一种新型电子探测器,可以捕获这些相互作用中的所有信息。

这种新工具是2月12日在伯克利实验室分子铸造厂(一家纳米级科学用户设施)安装的超高速探测器,以更快的速度捕获更多图像,在比以前更大的区域内显示原子级细节。 Molecular Foundry及其位于美国国家电子显微镜中心(NCEM)的世界级电子显微镜为来自世界各地的研究人员提供了便利。

更快的成像还可以揭示样本正在经历的重要变化,并提供电影与孤立的快照。例如,它可以帮助科学家在损伤发生之前更好地探索原子级的工作电池和微芯片组件。

该探测器与实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的Cori超级计算机有特殊的直接连接,将使科学家能够以微秒或百万分之一秒的速度记录原子级图像 - 速度提高60倍比现有的探测器可能。

“这是有史以来最快的电子探测器,”Molecular Foundry的NCEM设施总监Andrew Minor说。

他说:“它开辟了一个新的时间体系来探索高分辨率显微镜。没有人曾经使用电子成像在这个时间段拍摄连续电影”。 “那里发生了什么?可能会发生各种各样的动态。我们只是不知道,因为我们以前从来没有能够看过它们。”例如,新电影可以揭示材料中的微小变形和运动,并展示化学作用。

新探测器的开发,被称为“4-D摄像机”(用于动态衍射直接探测器),是电子显微镜,原子级成像,高速数据传输和计算领域的一系列开创性创新中的最新成果。在伯克利实验室,几十年。

伯克利实验室资深科学家,电子显微镜工具开发的长期先驱彼得·迪恩斯说:“我们的团队已经为制作更好的显微镜检测器工作了一段时间。

“你得到了一个完整的散射模式,而不仅仅是一个点,你可以回过头来重新分析数据,找到你之前没有关注的事情,”Denes说。通过用电子束扫描样品并基于从样品散射的电子捕获信息,这可以快速生成样品的完整图像。

Molecular Foundry的教师科学家玛丽·斯科特说,新探测器的独特几何结构可以同时研究材料中的轻质和重质元素。 “你可能想要进行这些更复杂的实验之一的原因是测量轻元素的位置,特别是在可能对电子束非常敏感的材料中 - 比如电池材料中的锂 - 理想情况下你可以同样精确地测量同一材料中重元素的位置,“她说。

一些新探测器安装在Molecular Foundry的Transmission Electron Aberration-corrected Microscope 0.5(TEAM 0.5)上,该探测器在十年前在NCEM上发射时设置了高分辨率记录,并允许访问研究人员获得单原子分辨率样本。探测器每分钟会产生高达4TB的数据。

“数据量相当于同时观看约60,000部高清电影,”分子铸造厂的专职三维原子级成像的科学家Peter Ercius说。

伯克利实验室NERSC的网络架构师Brent Draney表示,Ercius和Denes已经与NERSC联系,看看如何构建一个可以处理由4-D Camera生成的巨大的400千兆位数据流的系统。

他的回答是:“我们实际上已经有了一个能够做到这一点的系统。我们真正需要做的是在显微镜和超级计算机之间建立一个网络。”

伯克利实验室工程部门的科学家Ian Johnson表示,相机数据通过大约100个光纤连接传输到高速以太网连接,速度比普通家庭网络快1000倍。该网络将Foundry连接到NERSC的Cori超级计算机。

伯克利实验室的能源科学网络(ESnet)将研究中心与高速数据网络连接起来,参与了这项工作。

Ercius说:“超级计算机将在大约20秒内分析数据,以便在显微镜下向科学家提供快速反馈,以判断实验是否成功。”

另一位分子铸造厂的科学家吉姆·西斯顿说:“我们实际上会捕获每个通过样品分散的电子。通过这个非常大的数据集,我们将能够对样品进行'虚拟'实验 - 我们将不必返回并从不同的成像条件中获取新数据。“

Ciston指出,新探测器及其支持数据系统的工作应该有利于其他生产大量数据的设施,例如高级光源及其计划的升级,以及SLAC国家加速器实验室的LCLS-II项目。

Advanced Light Source,ESnet,Molecular Foundry和NERSC是DOE科学用户设施办公室。

4-D相机的开发得到了能源部基础能源科学办公室的加速器和探测器研究计划的支持,分子铸造厂的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持。

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