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透视短暂的超亮 X 射线激光脉冲

2021-11-10 14:09          XFEL 自由电子激光X射线

数百个聚焦 X 射线自由电子激光脉冲强度分布的随机变化会降低成像分辨率。这项工作的作者将机器学习与计算透镜相结合,以推断和减少这些变化,从而提高单粒子成像分辨率。

新加坡国立大学的科学家们共同领导了一项国际合作,以解决难以捉摸的 X 射线自由电子激光波阵面问题,为高通量、高分辨率、机器学习成像铺平了道路。

明亮、超快的 X 射线自由电子激光 (XFEL) 脉冲源可以在短短几小时内检测数百万个单个粒子。通过分别对每个粒子进行成像,XFEL 打开了一扇前所未有的窗口,揭示了每个粒子结构和动力学中细微但重要的差异。然而,这种形式的单粒子成像伴随着一项艰巨的机器学习任务:每个粒子都引入了几个必须推断的不可测量的干扰参数(粒子的方向、位置、状态等);复杂的是不同 XFEL 脉冲的强度和波前分布之间的差异。众所周知,这些脉冲很难在焦点处进行表征,因为它们非常强烈,以至于很容易抹掉用于表征 X 射线的传统仪器。

由新加坡国立大学生物科学系和物理系 Duane Loh 教授领导的研究小组与来自瑞典、英国、意大利和美利坚合众国的国际合作伙伴合作,能够使用一种被称为混合态 ptychography 的技术,用于解析来自 SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源的数千个 XFEL 脉冲。与传统的基于可见光的显微镜不同,后者使用物理镜头来形成图像,XFEL 照明粒子的结构必须改为使用计算透镜(例如 ptychography)来推断,这些透镜使用基于 X 射线的科学和光学的已知原理形成图像。额外的复杂情况是,由于它们是自发产生的,没有两个 XFEL 脉冲是相同的。混合状态形式主义非常好地处理了这种不确定性。他们的技术具有使用非常小的信号强度的额外优势。这很重要,因为必须高度衰减 X 射线脉冲的功率以保护被照亮的参考目标。

数以千计的 X 射线脉冲之间的关键差异被定量捕获并形成为结构确定和实验设计的重要先决条件。

Loh 教授说:“基于 XFEL 的成像实验有时感觉就像在蒙住眼睛的状态下同时玩几场国际象棋游戏。我们的工作最终揭示了哪些成像参数对于解决隐藏在粒子集合中的结构类别至关重要。”

这项工作展示了一种插入式方案,可在几分钟内快速表征和优化数以万计的极其明亮和聚焦的 X 射线脉冲。最终的目标是在成像时做同样的事情——从每个脉冲中吸走一小部分未散射的 X 射线光子,以进行真正的实时和并发诊断。


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