现在在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)运行的下一代X射线光束线汇集了一套独特的功能来测量纳米尺度的材料特性。

　　被称为COSMIC，用于相干散射和显微镜，伯克利实验室伯克利实验室先进光源(ALS)的X射线光束线使科学家能够探测工作电池和其他活性化学反应，并揭示有关磁性和相关电子材料的新细节。

　　COSMIC有两个分支，专注于不同类型的X射线实验：一个用于X射线成像实验，一个用于散射实验。在这两种情况下，X射线都与样品相互作用，并以提供样品的结构，化学，电子或磁性信息的方式进行测量。

　　光束线还可作为计划中的ALS升级的重要技术桥梁，称为ALS-U，可最大限度地发挥其功能。

　　现在，经过第一年的工作人员测试和调整其组件后，其最早的实验的科学结果预计将在今年晚些时候发表在期刊上。

　　本月早些时候发表在Nature Communications杂志上的一项研究，主要基于相关ALS光束线的工作，成功地展示了一种称为ptychographic计算机断层扫描的技术，该技术绘制了3-D锂离子电池内部反应的位置。该实验测试了现在永久安装在COSMIC成像设施的仪器。

　　“这一科学成果源于COSMIC的研发工作，”大卫夏皮罗说，他是伯克利实验室ALS实验系统组(ESG)的科学家，也是COSMIC显微镜实验的首席科学家。

　　他指出，这一结果得益于ALS在研发方面的投资，以及与伊利诺伊大学芝加哥分校以及伯克利实验室能源研究应用高级数学中心(CAMERA)的合作。

　　“我们的目标是为材料科学以及环境和生命科学提供全新的工具，”夏皮罗说。通过相干衍射数据的相位检索，Ptychography实现了比X射线光斑尺寸更精细的空间分辨率，并且“ALS已经用两个现在的三维空间分辨率实现了这一目标，”他补充道。

　　研究人员在这项最新研究中使用的ptychographic断层扫描技术使他们能够查看单个纳米粒子内的化学状态。该项研究的第一作者，ESG科学家Young-Sang Yu说：“我们研究了一块三维电池阴极，其分辨率对于X射线是前所未有的。这为电池性能提供了新的见解。在单颗粒水平和电池阴极的统计显着部分。“

　　COSMIC专注于一系列“软”或低能X射线，特别适合分析材料中的化学成分

　　Ptychographic断层扫描对于极其详细地观察细胞组分以及电池或其他化学上不同的材料特别有用。夏皮罗说，COSMIC的X射线束聚焦到直径约50纳米(十亿分之一米)的点; 然而，ptychography可以常规地将空间分辨率提高10倍或更多。目前的工作是使用120纳米光束进行的，该光束实现了大约11纳米的3-D分辨率。

　　COSMIC的X射线光束也比用于测试其仪器的ALS光束线更亮，并且一旦ALS-U完成，它将变得更亮。这种亮度可以转化为更高的纳米级分辨率，并且还可以在时间相关的实验中实现更高的精度。

　　有效利用这种亮度需要快速检测器，这是由ALS检测器组开发的。目前的探测器可以以高达每秒400兆字节的数据速率运行，现在每天可以生成几兆兆字节的数据 - 足以存储大约500到1,000部长篇电影。即将进行测试的下一代探测器将产生100倍的数据。

　　“我们期望成为ALS中数据密集程度最高的光束线，而COSMIC的一个重要组成部分是开发先进的数学和计算，能够在收集数据时快速重建信息，”Shapiro说。

　　开发这些工具COSMIC与CAMERA相结合，CAMERA旨在为DOE科学设施带来最先进的数学和计算。

　　CAMERA主任James Sethian说：“为数学家，计算机科学家，软件工程师，软件专家和光束科学家建立实时高级算法和COSMIC的高性能ptychographic重建代码是一项非常成功的多年工作。”

　　该团队开发的用于改进COSMIC(称为SHARP)的ptychographic成像的代码现在可用于DOE综合体的所有光源。对于COSMIC，SHARP代码运行在由Berkeley Lab的高性能计算服务管理的专用图形处理单元(GPU)集群上。

　　除了ptychography，COSMIC还配备了使用X射线光子相关光谱或XPCS的实验，这种技术可用于研究与外来磁性和电子特性相关的材料的波动。

　　COSMIC使科学家能够在毫秒或千分之一秒内看到这种波动，而在先前的光束线上，时间增量为数秒或更长。现在正在建造一个具有应用磁场和低温能力的新型COSMIC终端站，早期测试将于今年夏天开始。

　　Shapiro说，科学家已经使用COSMIC的成像能力来探索一系列纳米材料，电池阳极和阴极材料，水泥，玻璃和磁性薄膜。

　　“我们仍然处于学习和调整的模式，但到目前为止表现非常出色，”他说。他认为由ESG科学家Tony Warwick领导的ALS工作人员很快就能让COSMIC加快速度。“在如此短的时间内达到如此高的性能是非常了不起的。”

　　ALS是美国能源部科学用户设施办公室。美国能源部科学办公室支持开发和部署COSMIC光束线。