An Incremental Phase Mapping Approach for X-ray Diffraction Patterns using Binary Peak Representations

要約

知識発見とデータマイニング技術の大きな進歩にもかかわらず、X線回折（XRD）分析プロセスはほとんど手つかずのまま、いまだに手作業による調査、比較、検証を含んでいます。ハイスループットXRD実験による大量のXRDサンプルのため、ドメインサイエンティストが手作業で処理することは不可能になっています。最近では、標準的なクラスタリング技術を活用し、ラベリングと検証のために手作業が必要なXRDパターン表現を減らすことができるようになりました。しかし、これらの標準的なクラスタリング技術は、ピークシフト、隣接ピーク、バックグラウンドノイズ、混合相などの問題固有の側面を扱わないため、誤った組成-相図となり、その後の作業を複雑にしています。本論文では、データマイニング技術と専門知識を活用し、これらの問題を扱う。本論文では、新しい閾値に基づくファジー非類似度指標を用いた二値ピーク表現に基づくインクリメンタル位相マッピングアプローチを紹介する。提案手法は、まずXRD試料の離散的な二値ピーク表現に漸進的な位相計算アルゴリズムを適用し、その後、階層的クラスタリングまたは類似の純粋相の手動マージにより最終的な組成-位相図を得る。我々は、2つの3元合金系（Co-Ni-TaとCo-Ti-Ta）の組成空間において、本手法を評価した。その結果、本手法は、人手によって計算された真実の組成-相図に酷似していることが領域科学者によって検証された。提案するアプローチは、完全なエンドツーエンドの自動XRD解析の目標達成に近づくものである。

要約(オリジナル)

Despite the huge advancement in knowledge discovery and data mining techniques, the X-ray diffraction (XRD) analysis process has mostly remained untouched and still involves manual investigation, comparison, and verification. Due to the large volume of XRD samples from high-throughput XRD experiments, it has become impossible for domain scientists to process them manually. Recently, they have started leveraging standard clustering techniques, to reduce the XRD pattern representations requiring manual efforts for labeling and verification. Nevertheless, these standard clustering techniques do not handle problem-specific aspects such as peak shifting, adjacent peaks, background noise, and mixed phases; hence, resulting in incorrect composition-phase diagrams that complicate further steps. Here, we leverage data mining techniques along with domain expertise to handle these issues. In this paper, we introduce an incremental phase mapping approach based on binary peak representations using a new threshold based fuzzy dissimilarity measure. The proposed approach first applies an incremental phase computation algorithm on discrete binary peak representation of XRD samples, followed by hierarchical clustering or manual merging of similar pure phases to obtain the final composition-phase diagram. We evaluate our method on the composition space of two ternary alloy systems- Co-Ni-Ta and Co-Ti-Ta. Our results are verified by domain scientists and closely resembles the manually computed ground-truth composition-phase diagrams. The proposed approach takes us closer towards achieving the goal of complete end-to-end automated XRD analysis.

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