[論文レビュー] SIMEX: Simulation of Experiments at Advanced Light Sources

Carsten Fortmann-Grote, А. А. Андреев+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、先進的光源における実験を対象としたオープンソースでエンドツーエンドのシミュレーションプラットフォームであるSIMEXを提示する。このプラットフォームは、光子生成、ビームライン伝搬、試料相互作用、散乱、検出器応答を統合しており、標準化された計算機とデータフォーマットを用いたモジュラーで現実的なシミュレーションを可能にし、単一粒子像取り込みからレーザープラズマおよびウェルムデンス物質の研究に至る多様な実験を、ビームおよび検出器の不具合を高精度でモデル化することで実現する。

ABSTRACT

Realistic simulations of experiments at large scale photon facilities, such as optical laser laboratories, synchrotrons, and free electron lasers, are of vital importance for the successful preparation, execution, and analysis of these experiments investigating ever more complex physical systems, e.g. biomolecules, complex materials, and ultra-short lived states of highly excited matter. Traditional photon science modelling takes into account only isolated aspects of an experiment, such as the beam propagation, the photon-matter interaction, or the scattering process, making idealized assumptions about the remaining parts, e.g.\ the source spectrum, temporal structure and coherence properties of the photon beam, or the detector response. In SIMEX, we have implemented a platform for complete start-to-end simulations, following the radiation from the source, through the beam transport optics to the sample or target under investigation, its interaction with and scattering from the sample, and its registration in a photon detector, including a realistic model of the detector response to the radiation. Data analysis tools can be hooked up to the modelling pipeline easily. This allows researchers and facility operators to simulate their experiments and instruments in real life scenarios, identify promising and unattainable regions of the parameter space and ultimately make better use of valuable beamtime. This work is licensed under the Creative Commons Attribution 3.0 Unported License: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/.

研究の動機と目的

• 大規模施設における光子実験の全段階を統合する包括的なシミュレーションツールの不足に対処すること。
• ビームの不具合、試料の損傷、検出器の制限を含む現実的な条件のもとで、複雑な実験をシミュレートできるようにすること。
• 多様な光源、ビームライン、試料、診断法をサポートするモジュラーで拡張可能なソフトウェアプラットフォームを提供すること。
• 可能な領域と不可能な領域のパrameter空間を特定することで、より良い実験設計とビームタイムの利用効率化を促進すること。
• オープンPMD準拠のフォーマットとPythonベースの計算機を用いて、シミュレーションコンポONENT間のデータ交換を標準化すること。

提案手法

• プラットフォームは、各実験段階（光源、ビームライン、試料、散乱、検出器）を専用のCalculatorでモデル化するモジュラー計算機抽象化レイヤーを採用している。
• 各Calculatorは標準化されたデータコンテナを処理し、原子シミュレーション環境（ASE）を模したPythonライブラリを介してインターフェースする。
• シミュレーションワークフローは、データが標準化され、openPMD準拠のデータフォーマットを介して流れ込むように、Calculatorを順次連結することで定義される。
• 既存のシミュレーションコード（例：レーザープラズマ相互作用のためのPIConGPU、XAFSのためのFEFF、レントゲン画像診断のためのOasys）が、標準化されたインターフェースを通じてバックエンドとして統合されている。
• HPCクラスタでの並列実行をサポートし、Docker、CMake、バイナリパッケージを用いたクロスプラットフォームでのデプロイメントを可能としている。
• 検出器応答は、ノイズ、ピクセル応答、ダイナミックレンジを含む現実的なモデルで記述されており、実験的観測量の正確なシミュレーションが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、多様な光源および実験設定にわたる光子実験のエンドツーエンドのシミュレーションを統合的に行えるか？
• RQ2 ビームラインの不具合、試料の損傷、検出器の制限は、XFELにおける単一粒子像取り込みの実現可能性および結果にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 モジュラーでオープンソースのシミュレーションプラットフォームは、レーザープラズマ相互作用やウェルムデンス物質診断のような複雑な実験に、異種のシミュレーションコードを効果的に統合できるか？
• RQ4 光源スペクトル、時間的構造、コherエンスの現実的なモデルは、コherェント回折像取り込みおよび散乱実験のシミュレーションにどのように影響を与えるか？
• RQ5 標準化されたデータインターフェースは、マルチステージのシミュレーションパイプラインにおける相互運用性と拡張性をどのように実現するか？

主な発見

• SIMEXは、ビームライン光学、試料相互作用、散乱、検出器応答を含む、光源から検出器までの完全で現実的な実験シミュレーションを可能にしている。
• プラットフォームは、レーザープラズマ相互作用のためのPIConGPUや、レントゲン画像診断のためのOasysといった、既存のシミュレーションコードを効果的に統合しており、複雑なワークフローの実現を可能にしている。
• ノイズやピクセル応答を含む検出器応答の現実的なモデリングにより、実験的観測量の正確な予測が可能となり、信号劣化の原因の特定も可能である。
• openPMDに基づく標準化されたデータフォーマットの使用により、異なるシミュレーションコンポーネント間および将来の拡張に対しても相互運用性と拡張性が保証されている。
• プラットフォームは、XFELにおける単一粒子像取り込み、超短パルスレーザープラズマからのコherェントX線散乱、ウェルムデンス物質におけるX線吸収スペクトロスコピーを含む、多様な実験シナリオをサポートしている。
• モジュラーな計算機アーキテクチャにより、研究者がカスタムシミュレーションコードをパイプラインに埋め込むことができ、理想化された仮定ではなく現実的な条件でのシミュレーションが可能である。