Tecnologia Científica

Uma maneira de custo zero de melhorar a resolução de espalhamento de nêutrons em 500%
Os cientistas que forçam os limites dos instrumentos de espalhamento de nêutrons mais avançados do mundo sabem que uma pequena distorção em suas medições é inevitável. Para alguns experimentos, essa distorção é facilmente explicada, mas..
Por Paul Boisvert - 09/05/2022


Os cientistas do ORNL desenvolveram uma técnica computacional que melhora a resolução dos instrumentos de nêutrons em 500%. Essa solução praticamente não tem custo, pois não requer hardware adicional e usa software de código aberto. Crédito: ORNL/Jill Hemman

Os cientistas que forçam os limites dos instrumentos de espalhamento de nêutrons mais avançados do mundo sabem que uma pequena distorção em suas medições é inevitável. Para alguns experimentos, essa distorção é facilmente explicada, mas em outros tipos de pesquisa pode causar resultados imprecisos.

Por que uma pequena quantidade de distorção é importante? É semelhante a quando um detetive tira uma impressão digital de um copo de água. A curvatura do vidro distorce ligeiramente a impressão digital, dificultando a correspondência da impressão com a impressão digital de um suspeito no arquivo. Nesse caso, seria útil se houvesse uma maneira de remover a distorção da impressão digital encontrada no vidro.

Algo assim ocorreu quando cientistas do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) usaram o espectrômetro de espalhamento de nêutrons SEQUOIA de classe mundial na Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL. Os pesquisadores estavam medindo dispersões de ondas de spin de um material cristalino magnético. Eles descobriram que os dados (a impressão digital) obtidos do SEQUOIA (o vidro) estavam levemente distorcidos pelos limites de resolução do instrumento, apesar de seu design de última geração.

Para resolver o problema, os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica computacional que melhorou a resolução efetiva do SEQUOIA em 500% para corresponder os dados aos valores conhecidos de dispersão de ondas de spin. Além disso, essa solução praticamente não tem custo, pois não requer hardware adicional e usa software de código aberto .

Os resultados de seus esforços foram publicados na revista AIP Review of Scientific Instruments .

"Nós previmos que, se pudéssemos medir a quantidade de distorção inerente à coleta de dados do SEQUOIA, poderíamos aplicar uma correção que aumentaria a resolução efetiva do instrumento", disse Jiao Lin, cientista-chefe de desenvolvimento de instrumentos para o instrumento CUPI 2D no Segundo Estação Alvo (STS). “É semelhante a como os oftalmologistas avaliam sua visão e prescrevem óculos corretivos ou lentes de contato para compensar a distorção em sua visão”.

Ao contrário dos oftalmologistas que testam apenas em três dimensões, os cientistas precisavam medir a distorção do SEQUOIA em quatro dimensões. Isso tornou a tarefa muitas vezes mais desafiadora. Felizmente, os pesquisadores tiveram acesso ao software de código aberto MCViNE do ORNL, que pode ser usado para emular experimentos de nêutrons para ondas de spin medidas por instrumentos de nêutrons como o SEQUOIA. A equipe acreditava que poderia aplicar o software de uma maneira diferente para obter medições 4D da distorção.
 
"Para simplificar as medições 4D, usamos o software MCViNE para fazer medições 2D ao longo de dois eixos de cada vez. Fizemos isso tanto para a imagem experimental distorcida quanto para o modelo idealizado de alta resolução que desenvolvemos", disse Matt Stone, cientista principal do instrumento SEQUOIA no SNS. "Em seguida, repetimos as medições 2D ao longo de muitos outros eixos e interpolamos os resultados para aproximar um modelo 4D. Dessa forma, conseguimos medir as disparidades entre a imagem real e nosso modelo."

A equipe adaptou uma tecnologia de visão estéreo computacional que é comparável à forma como os óculos 3D criam a ilusão de profundidade em filmes. Eles podiam visualizar a distorção ao longo dos vários eixos do modelo uma fatia de cada vez e compensar as distorções em suas medições originais. A técnica de super-resolução alcançou uma resolução 5 vezes melhor do que os métodos anteriores.

“Uma vez que identificamos a quantidade e a posição da distorção nos dados em relação ao modelo idealizado, fomos capazes de aplicar correções aos dados”, disse Gabriele Sala, cientista-chefe de instrumentos da linha de luz STS CHESS. "Usamos então o conjunto de dados corrigido para gerar uma dispersão de onda de spin muito mais precisa que correspondia a um dos modelos possíveis conhecidos."

Os pesquisadores estão confiantes de que a mesma abordagem de super-resolução pode ser aplicada a outros instrumentos e experimentos de nêutrons. "Esta técnica pode ser usada em uma ampla gama de aplicações experimentais", disse Lin.

Para uma resolução e precisão ainda maiores, a equipe acredita que será possível atualizar a técnica de resolução 2D para resolver diretamente as medições 4D. Isso também pode remover a limitação de dispersão única.

 

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