美国橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）将中子谱仪SEQUOIA的分辨率提高了500%

      目前，科学家们正在挑战突破中子散射仪器的极限，他们深知中子测量的微失真是不可避免的。在一些实验中，这些失真很容易解释，但在其余类型的实验中，它可能导致结果的不准确性。

图1 ORNL的科学家开发了一种计算技术，将中子仪器的分辨率提高了500%。（图片来源：ORNL/Jill Hemman）

       为什么微弱的失真很重要？比如，侦探从杯子上提取指纹，玻璃的弯曲使指纹微微变形，增加了提取到的指纹与档案中嫌疑人指纹的匹配难度。在这种情况下，如果存在一种方法消除指纹的形变，那对案件分析是非常有帮助的。

       类似情况发生在美国橡树岭国家实验室散裂中子源SNS世界级中子散射谱仪SEQUOIA上。研究人员正在测量磁性晶体材料的自旋波色散，他们发现，尽管仪器采用了最先进的设计，但由于仪器的分辨率极限，从SEQUOIA（玻璃）采集的数据（指纹）有些失真。

       为了解决这个问题，研究人员开发了一种新的计算方法，将SEQUOIA的有效分辨率提高了500%，以便将数据与已知的自旋波色散值相一致。此外，由于这个解决方法使用开源软件，并且不需要额外的硬件，因此几乎没有增加任何测试成本（如图1）。

       以上研究成果已发表在AIP期刊《Review of Scientific Instruments》。

       “我们预计，如果能够测量SEQUOIA数据收集中固有失真量，我们就可以应用校正来提高仪器的有效分辨率，”第二目标站CUPI2D仪器的首席谱仪科学家Jiao Lin说，“这类似于眼科医生评估你的视力，然后得到合适的矫正眼镜或隐形眼镜，以矫正视力的散光或模糊。”

       跟眼科医生的三维空间测试不同，谱仪科学家们需要在四维空间中测量SEQUOIA的失真程度，这增加了修正的难度。幸运的是，研究人员可以使用ORNL的开源软件MCViNE模拟自旋波的中子实验，这些实验由SEQUOIA等中子仪器测量。ORNL团队相信他们可以用不同的方式通过这个软件来获得失真的4D测试结果。

       “为了简化4D测量，我们使用MCViNE软件沿两个物理轴进行2D测量。我们对失真的实验图像和开发的高分辨理想模型都进行处理，”SNS的SEQUOIA首席谱仪科学家Matt Stone说，“然后，我们沿着其它轴重复测量2D测量，并用差值法估算4D模型。基于此，我们能够测量实际图像和计算模型之间的差异。”（详见动画）

       该团队采用了一种计算立体视觉技术，这种技术可以与3D眼镜在电影中创造深度错觉的方式相媲美。他们可以将模型各个轴上的扭曲可视化，重复作二维的截面图像，并补偿原始测量中的扭曲。这种超分辨率技术的分辨率比之前的方法高出5倍。

       “一旦我们确定了数据与理想模型对比的扭曲程度和位置，我们就能够对数据进行修正，”STS CHESS波束线的首席谱仪科学家Gabriele Sala说，“然后，我们使用修正的数据生成更加精确的自旋波色散，它与已知的物理模型相匹配。”

       研究人员相信，同样的超分辨率方法可以应用于其它中子仪器和实验。Lin说：“这项技术可以广泛应用于中子实验。”

       为了获得更高的分辨率和精确度，ORNL团队认为可以继续更新2D分辨率技术，直接解析4D测量值，这也可以消除单色散极限。