Polarized Resonant Soft X-ray scattering (P-RSoXS) has emerged as a powerful synchrotron-based tool that combines principles of X-ray scattering and X-ray spectroscopy. P-RSoXS provides unique sensitivity to molecular orientation and chemical heterogeneity in soft materials such as polymers and biomaterials. Quantitative extraction of orientation information from P-RSoXS pattern data is challenging because the scattering processes originate from sample properties that must be represented as energy-dependent three-dimensional tensors with heterogeneities at nanometer to sub-nanometer length scales. We overcome this challenge by developing an open-source virtual instrument that uses GPUs to simulate P-RSoXS patterns from real-space material representations with nanoscale resolution. Our computational framework CyRSoXS (https://github.com/usnistgov/cyrsoxs) is designed to maximize GPU performance. We demonstrate the accuracy and robustness of our approach by validating against an extensive set of test cases, which include both analytical solutions and numerical comparisons, demonstrating a speedup of over three orders relative to the current state-of-the-art simulation software. Such fast simulations open up a variety of applications that were previously computationally infeasible, including (a) pattern fitting, (b) co-simulation with the physical instrument for operando analytics, data exploration, and decision support, (c) data creation and integration into machine learning workflows, and (d) utilization in multi-modal data assimilation approaches. Finally, we abstract away the complexity of the computational framework from the end-user by exposing CyRSoXS to Python using Pybind. This eliminates I/O requirements for large-scale parameter exploration and inverse design, and democratizes usage by enabling seamless integration with a Python ecosystem (https://github.com/usnistgov/nrss).


翻译:从 P-RSoXS 模式数据中定量提取定向信息具有挑战性,因为分散过程来自样本属性,这些属性必须体现为以能源为依存的三维数据流,在纳米尺度下,以纳米尺度为单位,在纳米尺度,将XS 和X光分光分光法的原则结合起来。P-RSoXS 对软材料(如聚合物和生物材料)中的分子方向和化学异质性具有独特的敏感性。从 P-RSoXS 模式数据中提取定向信息具有挑战性,因为从样本属性中生成的分散过程必须体现为以能源为依存的三维数据流/多维数据流,在纳米尺度下,以纳米模型为单位,以超异质数据流SS-O,包括分析解决方案和数据流化数据流化数据流的利用。我们计算框架CyRSXS(https://github.com/usnistgetgov/cyroxs),目的是最大限度地实现 GPUPU(我们的方法的准确性和稳健和稳健性,我们通过校准,通过对大量测试案例进行验证,其中既包括分析解决方案解决方案解决方案,也进行最后数据化数据化的模拟,也显示数据化的创建数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流到快速的创建,通过一个快速化数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流数据流,通过一个快速化数据流到一个快速化数据流数据流到一个快速化的计算框架。

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