Une ligne de faisceaux de rayons X de nouvelle génération fonctionnant actuellement au laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) rassemble un ensemble unique de capacités pour mesurer les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique.

Appelé COSMIC, pour la diffusion cohérente et la microscopie, cette ligne de faisceaux de rayons X à la source de lumière avancée (ALS) du Berkeley Lab du Berkeley Lab permet aux scientifiques de sonder les batteries en état de marche et d'autres réactions chimiques actives, et révéler de nouveaux détails sur le magnétisme et les matériaux électroniques corrélés.

COSMIC a deux branches qui se concentrent sur différents types d'expériences de rayons X :une pour les expériences d'imagerie aux rayons X et une pour les expériences de diffusion. Dans les deux cas, Les rayons X interagissent avec un échantillon et sont mesurés de manière à fournir, de construction, chimique, électronique, ou des informations magnétiques sur les échantillons.

La ligne de lumière est également conçue comme un pont technologique important vers la mise à niveau prévue de l'ALS, surnommé ALS-U , qui maximiserait ses capacités.

Maintenant, après une première année de montée en puissance au cours de laquelle les équipes ont testé et réglé ses composants, les résultats scientifiques de ses premières expériences devraient être publiés dans des revues plus tard cette année.

Une étude publiée plus tôt ce mois-ci dans la revue Communication Nature , basé principalement sur le travail sur une ligne de lumière ALS connexe, a démontré avec succès une technique connue sous le nom de tomodensitométrie ptychographique qui a cartographié l'emplacement des réactions à l'intérieur des batteries lithium-ion en 3D. Cette expérience a testé l'instrumentation qui est maintenant installée en permanence à l'installation d'imagerie COSMIC.

"Ce résultat scientifique est issu de l'effort de R&D qui a mené à COSMIC, " a déclaré David Shapiro, membre du personnel scientifique du groupe des systèmes expérimentaux (ESG) de l'ALS de Berkeley Lab et scientifique principal pour les expériences de microscopie de COSMIC.

Ce résultat a été rendu possible par les investissements d'ALS en R&D, et des collaborations avec l'Université de l'Illinois à Chicago et avec le Berkeley Lab's Center for Advanced Mathematics for Energy Research Applications (CAMERA), il a noté.

"Nous visons à fournir une toute nouvelle classe d'outils pour les sciences des matériaux, ainsi que pour les sciences de l'environnement et de la vie, " a déclaré Shapiro. La ptychographie atteint une résolution spatiale plus fine que la taille du spot de rayons X par récupération de phase à partir de données de diffraction cohérentes, et "L'ALS l'a fait avec une résolution spatiale record du monde en deux et maintenant en trois dimensions, " il ajouta.

La technique de tomographie ptychographique que les chercheurs ont utilisée dans cette dernière étude leur a permis de visualiser les états chimiques au sein de nanoparticules individuelles. Young-Sang Yu, auteur principal de l'étude et scientifique ESG, mentionné, « Nous avons examiné un morceau de cathode de batterie en 3D avec une résolution sans précédent pour les rayons X. Cela donne un nouvel aperçu des performances de la batterie à la fois au niveau d'une seule particule et sur des parties statistiquement significatives d'une cathode de batterie. »

COSMIC se concentre sur une gamme de rayons X « doux » ou de faible énergie qui sont particulièrement bien adaptés à l'analyse de la composition chimique au sein des matériaux

La tomographie ptychographique peut être particulièrement utile pour examiner les composants cellulaires ainsi que les batteries ou d'autres matériaux chimiquement divers de manière extrêmement détaillée. Shapiro a déclaré que le faisceau de rayons X de COSMIC est focalisé sur un point d'environ 50 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre; cependant, La ptychographie peut améliorer la résolution spatiale de manière routinière d'un facteur 10 ou plus. Le travail actuel a été réalisé avec un faisceau de 120 nanomètres qui a atteint une résolution 3-D d'environ 11 nanomètres.

Le faisceau de rayons X de COSMIC est également plus lumineux que la ligne de lumière ALS qui a été utilisée pour tester son instrumentation, et il deviendra encore plus brillant une fois ALS-U terminé. Cette luminosité peut se traduire par une résolution nanométrique encore plus élevée, et peut également permettre beaucoup plus de précision dans les expériences dépendantes du temps.

L'utilisation efficace de cette luminosité nécessite des détecteurs rapides, qui sont développés par le groupe de détecteurs ALS. Le détecteur actuel peut fonctionner à un débit de données allant jusqu'à 400 mégaoctets par seconde et peut désormais générer quelques téraoctets de données par jour - assez pour stocker environ 500 à 1, 000 longs métrages. Détecteurs de nouvelle génération, à tester prochainement, produira des données 100 fois plus rapidement.

"Nous nous attendons à être la ligne de lumière la plus gourmande en données à l'ALS, et un élément important de COSMIC est le développement de mathématiques avancées et de calculs capables de reconstruire rapidement les informations à partir des données au fur et à mesure qu'elles sont collectées, " a déclaré Shapiro.

Pour développer ces outils COSMIC couplés à CAMERA, qui a été créé pour apporter les mathématiques et l'informatique de pointe aux installations scientifiques du DOE.

Le directeur de CAMERA, James Sethian, a déclaré :« Construire des algorithmes avancés en temps réel et le code de reconstruction ptychographique haute performance pour COSMIC a été un effort pluriannuel très réussi entre les mathématiciens, informaticiens, ingénieurs logiciels, experts en logiciels, et les scientifiques des lignes de lumière."

Le code développé par l'équipe pour améliorer l'imagerie ptychographique à COSMIC, surnommé SHARP, est désormais disponible pour toutes les sources lumineuses du complexe DOE. Pour COSMIC, le code SHARP s'exécute sur un cluster d'unités de traitement graphique (GPU) dédié géré par les services de calcul haute performance de Berkeley Lab.

Outre la ptychographie, COSMIC est également équipé pour des expériences utilisant la spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X, ou XPCS, une technique utile pour étudier les fluctuations des matériaux associées à des propriétés magnétiques et électroniques exotiques.

COSMIC permet aux scientifiques de voir ces fluctuations se produire en quelques millisecondes, ou millièmes de seconde, par rapport aux incréments de temps de plusieurs secondes ou plus sur les lignes de faisceau précédentes. Une nouvelle station terminale COSMIC avec champ magnétique appliqué et capacités cryogéniques est en cours de construction, les premiers tests devraient commencer cet été.

Les scientifiques ont déjà utilisé les capacités d'imagerie de COSMIC pour explorer une gamme de nanomatériaux, matériaux d'anode et de cathode de batterie, ciments, lunettes, et films minces magnétiques, dit Shapiro.

"Nous sommes toujours en mode d'apprentissage et de réglage, mais la performance est fantastique jusqu'à présent, " at-il dit. Il a crédité l'équipe de l'ALS, dirigé par le scientifique ESG Tony Warwick, pour travailler rapidement pour mettre COSMIC à jour. "C'est assez remarquable d'atteindre des performances aussi élevées en si peu de temps."