劳伦斯·伯克利国家实验室 在宇宙显微镜的光束线上，研究人员使用扫描透射x光显微镜(STXM)在操作条件下探测化学元素铈的氧化态
这是宇宙号首次展示这种能力
结果证实了铈颗粒如何决定铂颗粒的反应位点的大小和位置
在这幅艺术描绘中，混合的氧化铈-二氧化钛纳米粒子(银球)被铂和铈对(黄色和蓝色)均匀覆盖，而传统的二氧化钛粒子被较大的铂簇(金)覆盖的密度较低
学分:中南大学 宇宙是劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)高级光源(ALS)的一种多用途x光仪器，自不到两年前推出以来，在科学界取得了进展，在从电池到生物矿物等领域做出了开创性的贡献
宇宙是ALS中最亮的x光光束线，ALS是一种同步加速器，它产生从红外线到x光的强光，并将其传送到几十条光束线，以进行一系列同步科学实验
宇宙的名字来源于相干散射和显微术，这是它被设计用来执行的两种最重要的x光技术
它的能力包括世界领先的10纳米(十亿分之一米)以下的软x光显微镜分辨率、极高的化学灵敏度、超快的扫描速度以及实时测量样品中纳米级化学变化的能力，并通过x光和电子显微镜的结合来促进样品的探索
软x光的能量范围较低，而硬x光的能量较高
每种类型都可以处理不同范围的实验
宇宙正在为一个长期项目搭建舞台，以升级已有几十年历史的肌萎缩侧索硬化症
这项被称为ALS升级(ALS-U)的工作将使用最先进的技术替换大多数现有的加速器组件，确保在未来几年内实现世界领先的软X射线科学的能力。
此次升级还将进一步增强宇宙捕捉大范围样品结构和化学中纳米级细节的能力
ALS-U将提供的X射线亮度预计增加100倍，将在宇宙中提供类似的成像速度增加，成像分辨率提高三倍以上，使显微镜具有单纳米分辨率。
此外，现在宇宙研究所正在开发的技术将被应用于升级后的ALS的其他束线，这使得更高的x光能量用于更多的实验成为可能
该仪器是许多高度专业化的资源之一，可通过同行评审的提案流程免费提供给世界各地的科学家
12月发表的一篇期刊文章
2020年6月16日，在《科学进展》中，强调了宇宙的一些现有能力和正在发展的能力
本文提供了在磁性纳米粒子成像中实现8纳米分辨率的例子，电池阴极材料在加热过程中的高分辨率化学绘图，以及在宇宙中冷冻水合酵母细胞的高分辨率成像
(阴极是电池电极的一种，是电流流经的部件
)这些结果作为示范案例，揭示了关于这些材料的结构和内部工作的关键信息，并为许多科学领域的进一步见解打开了大门
另一篇期刊文章，发表于2009年1月
19，2021)，在《美国国家科学院院刊》中首次展示了使用x光线性二色性ptychrogy(一种在宇宙公司(COSMIC)可获得的专业高分辨率成像技术)来绘制以35纳米分辨率存在于珊瑚骨骼中的文石晶体的方向图
这项技术显示出以高分辨率和三维方式绘制其他生物矿物样本的前景，这将为了解它们的独特属性以及如何模拟和控制它们提供新的见解
一些生物矿物激发了人造材料和纳米材料的灵感，因为它们具有强度、弹性和其他令人满意的特性
该论文的主要作者和宇宙显微镜实验的首席科学家大卫·夏皮罗说:“我们使用这个用户友好、独特的材料表征平台，结合操作显微镜和低温显微镜来展示世界领先的空间分辨率。”
他还领导肌萎缩侧索硬化症显微镜项目
“操作”描述了在样品发生变化时测量样品变化的能力
夏皮罗说:“没有其他仪器能以这种分辨率同时具备x光显微镜的这些功能。”
宇宙可以为纳米材料的内部工作提供新的线索，即使它们在积极发挥作用，这将导致对电池、催化剂或生物材料更深入的理解和更好的设计
他指出，为宇宙号配备如此多样的能力需要科学学科之间同样广泛的合作
宇宙贡献者包括伯克利实验室的CAMERA(能源研究应用高等数学中心)团队成员，该团队包括计算机科学家、软件工程师、应用数学家等；信息技术专家；探测器专家；工程师；分子铸造国家电子显微镜中心的科学家；ALS科学家；和斯坦福大学的外部合作者
不同小组开发的几种先进技术被集成到这一个仪器中
论文中报道的在宇宙中演示的关键是实现x光摄影，这是一种计算机辅助图像重建技术，其分辨率可以超过传统技术约10倍
在传统方法中，空间分辨率——区分样本中微小特征的能力——受到x光光学质量和将x光束聚焦成微小点的能力的限制
但是传统的x光光学是用来操纵x光来更清楚地观察样品的仪器，很难制造，效率低，并且焦距短
ptychography不依赖于不完美的光学系统，而是记录大量物理上重叠的衍射图案——这是由样品中的x光散射产生的图像——每一个都提供了完整图像的一小部分
光子成像技术不受光学质量的限制，而是受到x光光源亮度的限制——这正是ALS-U预计将提高一百倍的参数
要捕捉和处理大量数据并重建最终图像，需要数据处理设备、计算机算法和专门的快速像素检测器，就像伯克利实验室开发的那样
宇宙显微镜的概念图，x光以紫色显示
所有设备都安装在一个中心圆筒上
当样品保持静止时，相对于该圆柱体扫描一种类型的x光光学元件——波带片
该仪器允许在传统显微镜和一种叫做ptychography的增强成像技术之间快速切换
学分:劳伦斯·伯克利国家实验室 “x光光子成像是一种由探测器支持的技术——首先使用混合像素探测器使用硬(高能)x光进行部署，然后在ALS中使用我们开发的快速CCD，”ALS探测器项目负责人彼得·丹尼斯说，他与首席工程师约翰·约瑟夫一起在宇宙中实施
“宇宙技术的大部分受益于实验室指导研究和发展(LDRD)计划，同样受益于将宇宙学工具转化为宇宙观测的快速CCD
伯克莱实验室的LDRD项目支持创新的研究活动，使实验室保持在科学和技术的前沿
光子照相术利用一系列的散射模式，这些模式是由样品中的x光散射产生的
这些散射模式由运行高性能算法的计算机进行分析，将它们转换成高分辨率图像
十二月
2020年12月16日，研究人员强调了全息图像如何使人们能够看到磷酸铁锂电池正极材料(Li0
5FePo4)
光子图像显示了粒子内部的纳米级化学特征，使用常规形式的成像技术，即光谱显微术，这些特征是不可见的
在宇宙研究所的一个单独的ptychography演示中，研究人员注意到加热时LixFePO4纳米粒子集合中的化学变化
Ptychography也是宇宙的大量数据需求的来源
这条束线每天可以产生几兆字节的数据，或者足以填满几台笔记本电脑
宇宙成像所需的密集计算需要一组专用的图形处理器(图形处理单元)，它们是专门的计算机处理器
夏皮罗指出，ALS升级将进一步推动其数据需求达到预期的每天100
伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)已经在讨论使用更多资源来适应这种即将到来的数据激增的计划
NERSC数据科学参与小组的数据科学工作流架构师比约恩·恩德斯(Bjoern Enders)说，宇宙是伯克利实验室超级设施项目的一个突出例子，该项目旨在将ALS等光源和包括显微镜和望远镜在内的尖端仪器与数据和高性能计算资源实时连接起来
恩德斯说:“我们喜欢像宇宙这样的仪器跨越设施边界的数据和计算挑战。”
“我们正朝着一个未来努力，在这个未来，只需点击一个按钮，就可以轻松地从一条束线上使用国家能源研究中心的资源
他补充说，新的佩尔穆特超级计算机在国家科学研究中心的加入，“将是宇宙团队科学的理想伙伴
" 宇宙在2017年3月以试运行模式启动，并在大约2年前向普通科学实验开放
例如，从那时起，仪器工作人员已经启动了测量活性化学过程的操作功能，并推出了线性和圆形二色性显微镜和断层扫描功能，进一步扩展了宇宙的成像实验范围
它的相干散射分支目前正在测试中，外部用户还不能使用
还在开展工作，将其x光显微镜结果与主动过程的电子显微镜结果联系起来，并进一步发展其低温能力，这将使生物样品和其他软材料在成像时免受超亮x光束的损害
x光和电子显微镜的结合可以为收集样品的详细化学和结构信息提供一个强大的工具，正如《科学进展》杂志上重点报道的一项涉及宇宙的实验所证明的那样
夏皮罗指出，有计划在光束线上引入一个新的实验站，与ALS-U同步，以容纳更多的实验
宇宙成功的一个秘密是该仪器是为与标准样品处理组件兼容而设计的
夏皮罗说，这种用户友好的方法“对我们来说非常重要”，让来自学术界和工业界的研究人员更容易设计出与宇宙兼容的实验
“用户只需出现并插入(样本)即可
科学地说，它增加了我们的影响范围，”他说
虽然宇宙号装载了很多功能，但它并不笨重，夏皮罗将其描述为“在尺寸和成本上呈流线型”
他说，他希望这将是未来光束线的一个模型，无论是在ALS-U还是在其他同步加速器设施
“我认为它真正吸引人的地方在于它是一种非常紧凑的仪器
它是高性能和非常稳定的，”他说
“它非常容易管理，也不太贵
从这个意义上说，它应该对同步加速器很有吸引力
"
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