| dc.description.abstract | De potensielle negative effektene av vidvinkel-spredning på fasegjenvinningsprosessen i koherent røntgendiffraksjonsavbildning (CDI) har blitt undersøkt ved bruk av numeriske beregninger.
CDI er avbildningsmetode som kan lage en digital, tredimensjonal kopi av en prøve fra et sett med småvinkel Fraunhofer-diffraksjonsmønster. Metoden er særlig ettertraktet da den kan finne de tredimensjonale detaljene av prøven, med en oppløsning på rundt et titalls nanometer, uten å kutte den opp. Teknikken har allerede vist at den kan bidra med nyttig informasjon på tvers av mange fagfelt, og med tidsoppløst CDI på trappene kan man se for seg en rekke nye bruksområder.
Det finnes derimot et problem med dagens fasegjenvinningsalgoritmer, og det er at de antar at all den innkommende intensiteten vil bidra til småvinkel diffraksjonsmønstrene for hver orientering av prøven. Denne antagelsen vil sannsynligvis være riktig for ikke-krystallinske prøver, som teknikken først ble utviklet for å avbilde, men for krystallinske prøver måler man derimot et sterkt signal ved vidvinkel-detektoren. Spørsmålet blir derfor hva forholdet mellom denne spredte intensiteten og den innkommende intensiteten er, og hvordan forholdet påvirker resultatene i et CDI-eksperiment. Tidligere har jeg i en prosjektoppgave vist ved bruk av numeriske simuleringer at vidvinkel-spredning kan ha en betydelig innvirkning på rekonstruksjonskvaliteten, opp til et punkt hvor fasegjenvinningsalgoritmene ikke klarte å gjenskape prøven.
I disse beregningene ble det derimot antatt en forholdsvis stor intensitetsreduksjon. Det var derfor nødvendig å undersøke om de negative effektene fortsatt ville være til stede hvis en mer realistisk fordeling av vidvinkel-spredningen ble brukt i simuleringene. For å bestemme denne fordelingen ble såkalte rocking curves av ulike simulerte aragonitt krystallitter beregnet. Dessverre klarte jeg ikke å normalisere den spredte intensiteten mhp. den innkommende strålen. Jeg fant derimot et nytt anslag på hvor stort vinkelspenn av prøveorienteringer som vil gi en målbar mengde spredning.
Ved å bruke dette nye spennet på pluss-minus 0.1 grader, som var betydelig smalere enn spennet som ble antatt i prosjektoppgaven, samt de samme intensitetsreduksjonene som i prosjektoppgaven, avtok de negative effektene betraktelig. Små forverringer i rekonstruksjonskvaliteten ble observert for de største intensitetsreduksjonene, men alle rekonstruksjonene var kvalitativt lik den originale prøven, og det var kun mindre lokale variasjoner som skilte de ulike rekonstruksjonene. Jeg anser det derfor som usannsynlig at vidvinkel-spredning har en betydelig påvirkning på fasegjenvinningsprosessen.
Selv om effektene av vidvinkel-spredning sannsynligvis er små, om merkbare i det hele tatt, må det gjennomføres ytterligere beregninger på det absolutte intensitetstapet før man kan trekke noen endelige konklusjoner. Hvis det viser seg at energitapet er på høyde med det som ga forverrede rekonstruksjonsresultater i denne masteroppgaven, dvs. fra og med 30%, bør det gjennomføres forsøk hvor man måler det nøyaktige forholdet mellom intensiteten til den innkommende og den spredte strålen for å se om forholdet virkelig kan bli så stort. | |
| dc.description.abstract | The effects of wide-angle scattering on Coherent X-ray Diffraction Imaging (CDI) have been explored numerically to decide whether the intensity lost due to Bragg scattering might have a negative impact on the phase retrieval process.
CDI is a nondestructive, three-dimensional imaging technique utilising phase retrieval algorithms to digitally reconstruct an object from a set of its small-angle diffraction patterns measured in the Fraunhofer limit. The technique is routinely able to resolve features down to tens of nanometers, and with the development of in situ CDI, several new applications can be envisaged.
However, today's phase retrieval algorithms assume that all the incoming radiation will contribute to the small-angle diffraction pattern for all the orientations of the sample. This assumption is well-founded for non-crystalline samples, for which the technique initially was developed. However, for crystalline samples, there will be a measurable signal at the wide-angle detector, meaning that some of the incoming intensity has been scattered off the sample. If a sufficiently large portion of the incoming beam is scattered, the author has previously shown in a project work that these losses might have serious negative impacts on the reconstruction quality, up to a point where the applied phase retrieval algorithm could not reconstruct the examined object.
It was however necessary to assume a large amount of scattered intensity, i.e. approximately 50% of the incoming beam, to see the negative effects. Therefore, it remained to see whether the negative effects still could be seen if the intensity losses were the same as in a real CDI experiment. To decide how much of the incoming intensity is lost due to the wide-angle scattering, rocking curves of simulated aragonite crystallites, with diameters ranging from approximately 75 nm to 500 nm, have been calculated using the kinematical approximation. No absolute intensity reduction could be decided, but the range of sample orientations which gave a wide-angle signal was found, and this range was significantly narrower than what had been assumed in the previous work.
Building on the new range of plus-minus 0.1 degrees, the effects of Bragg scattering on CDI were examined anew. By calculating the diffraction pattern of a known object and reducing the intensity for some projections, the effects of the phase retrieval process were studied. A reduction in the reconstruction quality was observed given that the intensity reduction was large enough. However, the phase retrieval algorithm was able to reconstruct the sample for all the intensity reductions, and only minor deviations were observed. It is therefore unlikely that Bragg scattering will have a significant negative effect on the phase retrieval process.
However, before drawing any final conclusions, further analysis of the absolute intensity reductions must be performed. If the reductions appear to be of the order which gave a reduced reconstruction quality in this thesis, i.e. 30% or more, it would be advisable to design an experiment which could accurately measure the relation between the incoming beam and the beam scattered to the wide-angle detector. | |
