Большие данные в атомном масштабе: новый детектор достигает нового рубежа в скорости

Трансмиссионный электронный микроскоп с поправкой на аберрацию (TEAM 0.5) в лаборатории Беркли был дополнен новым детектором, который может снимать изображения в атомном масштабе с шагом в миллионные доли секунды. Предоставлено: Thor Swift / Berkeley Lab.

Достижения в области электронной микроскопии — использование электронов в качестве инструментов для визуализации, позволяющих видеть вещи, выходящие далеко за пределы досягаемости обычных микроскопов, использующих свет, — открыли новое окно в мир наноразмерных размеров и привлекли внимание широкого спектра образцов, как никогда раньше.

Узнайте как сделать микроскоп своими руками.

Электронные микроскопические эксперименты могут использовать только часть возможной информации, получаемой при взаимодействии электронного пучка микроскопа с образцами. Теперь команда из Национальной лаборатории Министерства энергетики им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) разработала новый тип детектора электронов, который собирает всю информацию в этих взаимодействиях.

Этот новый инструмент, сверхбыстрый детектор, установленный 12 февраля на Молекулярном литейном заводе Berkeley Lab, научно-исследовательском центре, работающем в наноразмерном масштабе, захватывает больше изображений с более высокой скоростью, раскрывая детали атомного масштаба на гораздо больших площадях, чем это было возможно раньше. Молекулярный литейный завод и его электронные микроскопы мирового класса в Национальном центре электронной микроскопии (NCEM) предоставляют доступ исследователям со всего мира.

Ускоренная визуализация может также выявить важные изменения, которые происходят в образцах, и предоставить фильмы по сравнению с изолированными снимками. Это может, например, помочь ученым лучше изучить работающие компоненты батареи и микросхемы в атомном масштабе до наступления повреждения.

Детектор, который имеет специальную прямую связь с суперкомпьютером Cori в Национальном научно-вычислительном центре (NERSC) Лаборатории энергетики, позволит ученым записывать изображения атомного масштаба со временем, измеренным в микросекундах или миллионных долях секунды — в 60 раз быстрее чем возможно с существующими детекторами.

«Это самый быстрый детектор электронов, который когда-либо создавался», — сказал Эндрю Майнор, директор NCEM в Молекулярном литейном производстве.

«Это открывает новый временной режим для исследования с помощью микроскопии с высоким разрешением . Никто никогда не снимал непрерывные фильмы с таким временным разрешением», используя электронную визуализацию, сказал он. «Что там происходит? Могут произойти все виды динамики. Мы просто не знаем, потому что мы никогда не могли смотреть на них раньше». Например, новые фильмы могут показать крошечные деформации и движения в материалах и показать химию в действии.

Разработка нового детектора, известного как «4-D камера» (для динамического дифракционного прямого детектора), является последней в ряду новаторских инноваций в области электронной микроскопии, получения изображений в атомном масштабе, а также высокоскоростной передачи и вычисления данных в лаборатории Беркли, которая охватывает несколько десятилетий.

«Наша группа в течение некоторого времени работала над созданием лучших детекторов для микроскопии», — сказал Питер Денес, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и давний пионер в разработке инструментов для электронной микроскопии.

«Вы получаете целую картину рассеяния вместо одной точки, и вы можете вернуться и повторно проанализировать данные, чтобы найти вещи, на которых, возможно, вы не фокусировались раньше», — сказал Денис. Это быстро создает полное изображение образца, сканируя его электронным лучом и собирая информацию, основанную на электронах, которые рассеиваются от образца.

Слева направо: Иэн Джонсон из Berkeley Lab, Джим Систон, Питер Денес и Питер Эрсиус работают над поиском неисправностей для нового сверхскоростного детектора 4D Camera, установленного на микроскопе TEAM 0.5 в Молекулярном литейном цехе Berkeley Lab. Предоставлено: Thor Swift / Berkeley Lab.

Мэри Скотт, преподаватель Молекулярного литейного завода, сказала, что уникальная геометрия нового детектора позволяет одновременно изучать как легкие, так и тяжелые элементы в материалах. «Причиной, по которой вам может потребоваться выполнить один из этих более сложных экспериментов, является измерение положения легких элементов, особенно в материалах, которые могут быть действительно чувствительными к электронному пучку, например литий в материале батареи, и в идеале вы могли бы чтобы точно измерить положение тяжелых элементов в том же материале «, сказала она.

Новый детектор был установлен на микроскопе 0,5 с трансмиссионной электронной коррекцией аберрации (TEAM 0.5) на Молекулярном литейном заводе, который устанавливает рекорды с высоким разрешением, когда он был запущен в NCEM десять лет назад, и позволяет посещающим исследователям получить доступ к одноатомному разрешению для некоторых образцы. Детектор будет генерировать колоссальные 4 терабайта данных в минуту.

«Объем данных эквивалентен одновременному просмотру около 60000 фильмов в формате HD», — говорит Питер Эрсиус, сотрудник Молекулярного литейного завода, который специализируется на трехмерной атомной визуализации.

Брент Дрэйни (Brent Draney), сетевой архитектор в NERSC Berkeley Lab, сказал, что Эрсиус и Денис обратились к NERSC, чтобы узнать, что потребуется для создания системы, способной обрабатывать этот огромный поток данных объемом 400 гигабит, создаваемый 4-D камерой.

Его ответ: «На самом деле у нас уже есть система, способная сделать это. Нам действительно нужно было построить сеть между микроскопом и суперкомпьютером».

Техник работает на микроскопе TEAM 0.5. Микроскоп был дополнен сверхскоростным детектором, называемым 4D-камерой, который может снимать изображения в атомном масштабе с шагом в миллионные доли секунды. Предоставлено: Thor Swift / Berkeley Lab.

Данные камеры передаются через около 100 волоконно-оптических соединений в высокоскоростное Ethernet-соединение, которое примерно в 1000 раз быстрее, чем обычная домашняя сеть, — говорит Иэн Джонсон, научный сотрудник инженерного отдела лаборатории Беркли. Сеть соединяет Foundry с суперкомпьютером Cori в NERSC.

В работе участвовала сеть научных исследований Berkeley Lab (ESnet), которая соединяет исследовательские центры с высокоскоростными сетями передачи данных.

Эрциус сказал: «Суперкомпьютер проанализирует данные примерно за 20 секунд, чтобы обеспечить быструю обратную связь для ученых под микроскопом, чтобы определить, был ли эксперимент успешным или нет».

Джим Систон, другой научный сотрудник Molecular Foundry, сказал: «Мы на самом деле захватим каждый электрон, который проходит через образец по мере его рассеяния. Благодаря этому действительно большому набору данных мы сможем провести «виртуальные» эксперименты на образце — мы не придется возвращаться и получать новые данные из разных условий изображения. «

Работа над новым детектором и его вспомогательными системами данных должна принести пользу другим объектам, которые производят большие объемы данных, таким как усовершенствованный источник света и его запланированное обновление, а также проект LCLS-II в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, отметил Кистон.

Этот компьютерный чип является компонентом сверхскоростного детектора, называемого 4D Camera. Детектор представляет собой модернизацию мощного электронного микроскопа в лаборатории молекулярной литейной промышленности Berkeley Lab. Кредит: Мэрилин Чунг / Беркли Лаб

Усовершенствованный источник света, ESnet, Молекулярный литейный завод и NERSC являются объектами пользовательского обслуживания Министерства энергетики США.

Разработка 4-D камеры была поддержана Программой исследований ускорителей и детекторов Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики, а работа на Молекулярном литейном заводе была поддержана Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики.

Источник информации: https://phys.org/news/2019-02-big-atomic-scale-detector-frontier.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...