Diversity-enhanced Neutron Microscopy

تعد التصوير بالنيوترونات وسيلة قوية للنظر داخل المواد دون الحاجة لقصها. وخلافًا للأشعة السينية، التي تمر بسهل عبر المعادن الثقيلة ولكنها تجد صعوبة في اختراق العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين، تتفاعل النيوترونات بقوة مع الذرات الخفيفة بينما تمر عبر العديد من العناصر الثقيلة. وهذا يجعلها لا تقدر بثمن لدراسة مكونات البطاريات، وخلايا الوقود، والأنسجة البيولوجية. ومع ذلك، كان الحصول على صورة حادة بالنيوترونات أمرًا صعبًا دائمًا؛ فالجسيمات يصعب تركيزها، والمستشعرات المستخدمة لالتقاطها غالبًا ما تكون ذات ملمس محبب، يشبه إلى حد كبير الأفلام القديمة. هذا الملمس يخلق نمطًا ثابتًا من الضوضاء التي تسبب تشويش التفاصيل الدقيقة، مما يحد من أصغر ميزة يمكن للعلماء رؤيتها. لسنوات، حاول الباحثون بناء عدسات أفضل أو مستشعرات أكثر نعومة للتغلب على ذلك، لكن الحدود الأساسية للمواد والطبيعة الضعيفة لحزم النيوترونات أبقت الدقة عالقة عند مستوى تظل فيه أصغر التفاصيل ضبابية.

وجد فريق من الباحثين في معهد بول شيرر في سويسرا والجامعة التقنية في ميونيخ طريقة مختلفة لتوضيح الصورة. فبدلاً من محاولة بناء مستشعر مثالي، استخدموا المستشعر الذي لديهم وحركوا الشيء المراد دراسته بطريقة محددة للغاية. ومن خلال التقاط العديد من الصور لنفس الجسم من مواقع مختلفة قليًا ثم دمجها باستخدام الكمبيوتر، تمكنوا من غسل الضوضاء المحببة التي تفسد الصورة عادةً. والنتيجة هي صورة أكثر حدة تكشف عن تفاصيل تصل دقتها إلى بضعة ميكرومترات، وكل ذلك دون الحاجة إلى المزيد من الإشعاع أو كاميرا أفضل.

يعتمد جوهر اكتشافهم على فكرة بسيطة ولكنها ذكية: إذا التقطت صورة لسطح ذي ملمس محبب، فإن هذا الملمس يصبح جزءًا من الصورة. ولكن إذا حركت الجسم قليلاً والتقطت صورة أخرى، فإن الملمس سيبقى في نفس المكان على مستشعر الكاميرا، بينما يتحرك الجسم. وإذا التقطت صورًا كافية من أماكن مختلفة وجمعتها معًا، فإن الجسم المتحرك سيشكل صورة واضحة، بينما يتلاشى الملمس الحبيبي الثابت للكاميرا ويختفي. في الماضي، تطلب التصوير بالنيوترونات أوقات تعرض طويلة للحصول على ضوء كافٍ، لذا كان الباحثون عادةً يلتقطون تعريضًا واحدًا طويلًا أو يقومون بتكديس بضع صور في نفس الموقع بالضبط. هذه الطريقة الجديدة، المسماة "المجهر المعزز بالتنوع"، تستفيد من حقيقة أن التصوير عالي الدقة بالنيوترونات يتطلب بالفعل العديد من الإطارات المنفصلة لبناء صورة واحدة. لقد قام الباحثون ببساطة بتحريك العينة إلى موضع جديد بين كل إطار، مما خلق سلسلة من الصور حيث تحركت العينة بينما لم يتحرك الحبيبات الداخلية للكاميرا.

ولاختبار ذلك، استخدم الفريق مجهرًا نيوترونيًا متخصصًا في منشأة بحثية في ألمانيا. وضعوا هدف معايرة صغيرًا، على شكل نجمة ذات أشعة متفاوتة السماكة، في الحزمة. كان هذا الهدف يحتوي على ميزات دقيقة تصل إلى 1.9 ميكرومتر، وهو أصغر من عرض شعرة الإنسان. قاموا بمسح الهدف عبر 74 موضعًا مختلفًا بنمط حلزوني، حيث التقطوا عشر صور في كل موضع. نتج عن ذلك 740 صورة في المجمل. ثم استخدموا كمبيوترًا لإزاحة جميع هذه الصور للعودة إلى محاذاة مشتركة ودمجها. كانت النتيجة مذهلة؛ فالصورة التقليدية، المكونة من تكديس الصور الملتقطة في موقع واحد فقط، كانت مغطاة بضباب حبيبي أخفى أدق تفاصيل النجمة. أما الصورة الجديدة المعززة بالتنوع، فكانت نظيفة؛ حيث اختفى الملمس الحبيبي للمستشعر، وأصبحت أشعة النجمة الأكثر نحافة مرئية بوضوح.

قاس الباحثون التحسن باستخدام اختبار إحصائي يقارن بين جزأين من البيانات ليرى مدى اتفاقهما. ووجدوا أن الطريقة الجديدة يمكنها تحديد تفاصيل تصل إلى حوالي 6.9 ميكرومتر، وهو تحسن كبير مقارنة بحوالي 10 ميكرومتر الممكنة بالطريقة القياسية. والأهم من ذلك، لم تكن الصورة أكثر حدة فحسب، بل كانت أكثر موثوقية أيضًا. فقد انخفضت الضوضاء التي تحد عادةً من مدى وضوح رؤية الأجزاء الأضعف في الصورة بنسبة تقارب 30%. حدث هذا لأن الطريقة أزالت بفعالية "النمط الثابت" المتأصل في شاشة المشتت (scintillator) الخاصة بالمستشعر، وهي طبقة من المادة تحول النيوترونات إلى ضوء مرئي. تتكون هذه الشاشة من حبيبات صغيرة، ويخلق عدم انتظام هذه الحبيبات بصمة دائمة على كل صورة. ومن خلال تحريك العينة، ضمن الباحثون أن كل جزء من العينة قد تمت رؤيته عبر العديد من حبيبات الشاشة المختلفة، مما سمح للكمبيوتر بحساب الشكل الحقيقي للعينة مع تجاهل النتوءات والانخفاضات العشوائية للشاشة نفسها.

كان أحد أكثر النتائج إثارة للدهشة هو أن هذه الطريقة يمكنها أيضًا حل مشكلة الحاجة إلى معايرة "المجال المسطح" (flat field) المنفصلة. في التصوير القياسي، يجب على العلماء التقاط صورة للحزمة الفارغة (بدون عينة) لرسم خريطة لعيوب المستشعر وتصحيحها. وهذا يستغرق وقتًا إضافيًا ويمكن أن يكون غير دقيق إذا تغيرت الحزمة أو المستشعر قليلًا بين المعايرة والتجربة الفعلية. أظهر الباحثون أن طريقة المسح الخاصة بهم يمكنها توليد خريطة المعايرة هذه مباشرة من بيانات مسح العينة نفسها. فمن خلال الفصل الرياضي بين العينة المتحركة ونمط المستشعر الثابت، تمكنوا من إعادة بناء كيف كان يبدو الشعاع المفتوح من خلال صور النجمة فقط. وعندما استخدموا هذه الخريطة المولدة ذاتيًا لتصحيح الصورة، كانت النتيجة مطابقة تقريبًا لاستخدام معايرة مقاسة بشكل منفصل، ولكن مع ضوضاء أقل. وهذا يعني أنه بالنسبة للعديد من الدراسات عالية الدلة، يمكن تخطي الخطوة المستهلكة للوقت المتمثلة في التقاط صورة معايرة منفصلة، مما يوفر وقت الحزمة ويقلل من خطر الأخطاء الناجمة عن الانحرافات في المعدات.

استكشف الفريق أيضًا ما إذا كان بإمكان هذه التقنية دفع الدقة إلى مستويات أبعد، ربما لتكشف عن تفاصيل أصغر مما يمكن لكاميرات البكسل رؤيته عادةً. ووجدوا أنها لا تستطيع فعل ذلك. جاء التحسن بالكامل من إزالة الضوضاء، وليس من خلق قوة بصرية جديدة. كانت الكاميرا جيدة بما يكفي لرؤية أدق التفاصيل، لكن الضوضاء الحبيبية كانت تخفيها. بمجرد إزالة الضوضاء، ظهرت الحدود الحقيقية للبصريات. وهذا تمييز مهم: الطريقة لا تخلق صورة فائقة الدقة من العدم؛ بل تكشف ببساً عن الوضوح الذي كان موجودًا بالفعل ولكن كانت الضوضاء تحجبه. أكد الباحثون أن مجرد تحريك العينة في خطوات أصغر أو استخدام حيل رياضية أكثر تعقيدًا لإعادة دمج البكسلات لم يجعل الصورة أكثر حدة. المفتاح كان العدد الهائل من المواضع المختلفة المستخدمة لتوسيط الضوضاء.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما وراء التصوير بالنيوترونات فح well. فالمبدأ نفسه ينطبق على أي نظام تصوير يحتوي على مستشعر ذي نمط حبيبي ثابت، مثل بعض كاميرات الأشعة السينية أو الماسحات الطبية. إذا كان بالإمكان تحريك الشيء المدروس قليلاً بين التعريضات، أو إذا كان يمكن تحريك المستشعر، فيمكن توسيط الضوضاء الحبيبية وإزالتها. هذا النهج يحول محدودية الأجهزة إلى ميزة للبرمجيات. فهو يسمح للعلماء بتحقيق أقصى استفادة من المعدات التي يمتلكونها بالفعل، وتحسين جودة الصورة دون الحاجة إلى مستشعرات جديدة باهظة الثمن أو أوقات تعرض أطول. لقد أثبت الباحثون أنه مع قدر متواضع من المسح، يمكنهم تحقيق مستوى من الوضوح كان يُعتقد سابقًا أنه يتطلب مستشراً مثاليًا ومتجانسًا.

في النهاية، تظهر الدراسة أن الطريقة المثلى للرؤية بوضوح ليست دائمًا في بناء عدسة أفضل، بل في تغيير طريقة النظر. فمن خلال تحريك العينة وترك الكمبيوتر يقوم بالجهد الأكبر في فرز الضوضاء، حول الباحثون صورة محببة وضبابية إلى رؤية حادة ومفصلة للعالم المجهري. توفر هذه التقنية مسارًا عمليًا لمستقبل التصوير بالنيوترونات، مما يجعل من الممكن رؤية تفاصيل أدق في علوم المواد والبيولوجيا مع استخدام وقت وموارد أقل. إنها تذكير بأنه في عالم التصوير، قد لا تكون الإجابة لصورة ضبابية هي كاميرا جديدة، بل طريقة جديدة لتحريك الموضوع.