Синхротрона рентгеновских Microdiffraction и флуоресценции изображений минеральных и образцов скальных пород

Резюме

Мы описываем излучение установки предназначены для выполнения быстрого двумерного рентгеновской флуоресценции и рентгеновского microdiffraction отображение образцов одного кристалла или порошок с помощью Лауэ (полихромные излучение) или порошка (Монохроматическое излучение) дифракции. Результате карты дают информацию о деформации, ориентации, фаза распределения и пластической деформации.

Аннотация

В настоящем докладе мы описываем подробные процедуры для получения и обработки рентгеновских microfluorescence (μXRF) и Лауэ и на излучение 12.3.2 из Advanced света источника (ALS), Лоуренса Беркли национальной карты порошок microdiffraction двухмерного (2D) Лаборатория. Измерения могут быть выполнены на любой образец, который меньше, чем 10 см x 10 см х 5 см, с плоской поверхностью подвергается. Экспериментальная геометрия калибруется с помощью стандартных материалов (элементарного стандарты для РФА и кристаллических образцов, таких как Си, кварц или Al₂O₃ для дифракции). Образцы выровняны к координационным центром Микролучевой рентгеновского и растровые сканирование выполняются, где каждый пиксель карты соответствует одно измерение, например, один РФА спектра или одной дифракционной картины. Затем данные обрабатываются с использованием собственного программного обеспечения XMAS, который выводит текстовые файлы, где каждая строка соответствует положение пикселя. Репрезентативных данных от муассанит и оливковых улитки корпуса представлены для демонстрации качества данных, сбора данных и анализа стратегии.

Введение

Кристаллический образцы часто отображения гетерогенности на шкале микрон. В прикладным выявление минералов, их кристаллической структуры и их этап отношений в 2D систем имеет важное значение для понимания как физика и химия определенной системы и требует пространственно решен, количественные техники. Например отношения между минералы могут рассматриваться на основании фазы распределения в рамках локализованных 2D региона. Это может иметь последствия для истории и химического взаимодействия, которые могли иметь место в пределах Скалистых тела. Кроме того можно изучить структура материала одного минерала; Это может определить виды деформации, что минерал были или в настоящее время подвергается (например в случае эксперимента деформации в situ с устройством как алмаз наковальня клеток). В прикладным эти анализы выполняются часто, используя комбинацию растровая электронная микроскопия (SEM) с энергией или волны дисперсионные рентгеновской спектроскопии (E/WDS) и обратное рассеяние дифракция электронов (EBSD). Однако подготовка образца может быть трудно, с участием обширные полировки и крепления для вакуумных измерений. Кроме того EBSD является поверхности технику, которая требует относительно нефильтрованное кристаллов, что бывает не всегда для геологических материалов, которые, возможно, испытали подъем, эрозии или сжатия.

Характеристика пространственно решена с использованием 2D рентгеновских microdiffraction и сопоставления РФА, как доступен на излучение 12.3.2 ALS, является быстрый и простой способ сделать большой площади карты одного или многофазных систем, где размер кристалла на шкале несколько нанометров (в случае поликристаллических образцов) для сотен микрон. Этот метод имеет много преимуществ по сравнению с другими широко используемых методов. В отличие от других методов отображения 2D кристалл, например EBSD microdiffraction образцы могут быть измерены в условиях окружающей среды и таким образом не требуют специальной подготовки, как нет никаких вакуумной камеры. Microdiffraction подходит для кристаллов, которые нетронутой, а также те, которые пережили тяжелые деформации или пластической деформации. Образцы, такие, как тонкие разделы часто рассматриваются, как встроенный в эпоксидных материалов, или даже скалы или зерна в неизмененном виде. Сбор данных осуществляется быстро, обычно меньше, чем 0,5 s/пиксель для Лауэ дифракции, менее чем в 1 мин/пиксель для порошковой дифракции и менее 0,1 s/пиксель для РФА. Данные хранятся локально, временно на локальное хранилище и более постоянно в центре национальных энергетических исследований научных вычислений (NERSC), из которого легко скачать. Обработка данных для дифракции может выполняться на локальном кластере или на кластере NERSC в возрасте до 20 мин. Это позволяет для быстрого пропускную способность в сборе и анализе данных и большой площади измерений за короткий период времени, когда по сравнению с лабораторных приборов.

Этот метод имеет широкий спектр приложений и был использован широко, особенно в области материаловедения и инженерных, чтобы проанализировать все от 3D-печати металлов^1,2, к панели солнечных батарей деформации³, напряжение в Топологическая материалы⁴, памяти сплава фазу переходы,⁵высокого давления поведение нанокристаллических материалов^6,7. Последние прикладным проекты включают в себя анализ деформации в различных кварц образцы^8,9 вулканических процессов цементная^10,11, а также biominerals как кальцита и арагонита в раковины и кораллов^12,13 или апатита в зубы¹⁴и дополнительные исследования на распределение фазы метеоритов, структуры минерала идентификации новых минералов и ответ пластической деформации в высокого давления также были собраны кремнезема. Методы, используемые на излучение 12.3.2 применимы для широкого круга образцов, относится к любому в минералогическом или petrological общины. Здесь мы приводим протокол сбора и анализа данных для излучение 12.3.2 и настоящий несколько приложений, чтобы продемонстрировать полезность комбинированного РФА и Laue/порошок microdiffraction техники в области наук о земле.

Прежде чем вдаваясь в экспериментальной деталь, это уместным обсудить установки конечной станции (см. рис. 1 и рис. 4 Кунца и др. ¹⁵). рентгеновский луч выходит из хранения кольцо и направлено с использованием тороидальных зеркало (M201), целью которого является переориентировать источник на входе экспериментальной загон. Она проходит через набор рулон щели какая функция как вторичный источник точку. Он затем является monochromatized (или не) в зависимости от типа эксперимент, прежде чем проходящей через второй набор прорезями и ориентируясь на микронных размеров набором зеркал Киркпатрик-Баэз (КБ). Затем луч проходит через камеру Ион, чьи сигнал используется для определения интенсивности пучка. Ион камере прилагается отверстие, которое блокирует рассеянного сигнала от попадающего на детектор. Фокусированный луч затем встречает образца. Образец помещается поверх в стадию, которая состоит из 8 двигателей: один набор необработанных (Нижняя) x, y, z двигателей, один набор штрафа (верхний) x, y, z двигателей и два вращения электродвигателей (Φ и χ). Это могут быть визуализированы с трех оптических камер: один с низкой зум, помещены в верхней части камеры Ион, один с высоким зумом, расположенных в плоскости на примерно под углом 45°, рентгеновского луча и второй высокой зум камеры размещены под углом в 90 ° относительно t Он рентгеновского пучка. Этот последний работает лучше всего для образцов, которые ориентированы вертикально (таких, как эксперимент режим передачи), и изображений осуществляется с помощью клиновидные зеркала придают обскуры. Детектор рентгеновского дифракционного расположен на большой вращающейся сцене, и может управляться как угол, так и вертикальное перемещение детектора. Кремниевый детектор дрейф собирать РФА также присутствует. Образцы могут быть подготовлены любым способом, как открытые области интереса (ROI) плоский (на шкале микрон) и обнаружили или в не более чем ~ 50-100 мкм рентгеновского прозрачного материала, такие как ленты полиимидная.

Процедура ниже описывает эксперимент, который проходит в Светоотражающий геометрии и предполагает направление z является нормальным для образца и x и y являются горизонтального и вертикального направления сканирования, соответственно. Благодаря гибкости системы сцену и детектор, однако, некоторые эксперименты проводятся в передачи геометрии, где x и z направлениями являются горизонтальное и вертикальное сканирование направлениях, в то время как y параллельной прямой луч (см. Джексон et al. ^{10 , 11}).

протокол

1. Установите излучение и сбор данных

Примечание: Стандарты калибровки и образцы собраны в том же порядке, с главным отличием лежащих в методе обработки.

1. Маунт образца и закройте экспериментального загон.
   1. Прикрепить образец в верхней половине кинематической базы (см. Таблицу материалы) такие, что рентабельность инвестиций является вертикально смещен относительно базы по крайней мере 15 мм.
      Примечание: Существует стандартный блок на излучение для использования с образцами < 20 мм толщиной. Нижняя половина кинематической базы постоянно установлен на системе этап излучение.
   2. Место образца и база на вершине стадии внутри экспериментальной загон. Закройте экспериментальный загон.
2. Включите программы для сбора данных и управления излучение.
   1. Откройте программу управления излучение. Щелкните стрелку в левом верхнем углу для инициализации программы. Ждать для всех сигнальных огней на правой стороне зеленеть, указав, что программное обеспечение инициализирован.
   2. Нажмите на любой компонент излучение для инициализации панели управления для данного компонента. Это относится прежде всего к стадии перевода и к элементам управления, щели.
   3. Инициализируйте программного обеспечения сканирования дифракции рентгеновских лучей с рабочего стола.
      Примечание: Это должно быть сделано только после того, как программа управления излучение полностью включена, в противном случае программы не могут правильно общаться, и сопоставление процедура не будет работать.
3. Принесите образца в координационным центром рентгеновского пучка.
   1. Включите лазер выравнивание, нажав на кнопку с надписью «лазер».
   2. Перевести верхней x, y и z этапов с помощью меню Выравнивание стадии и нажав на кнопку вверх и вниз стрелки принести ROI образца в пределах приблизительное визуального внимания предварительное выравнивание камеры. Отрегулируйте расстояние, на которое каждый мотор может быть толкнул, введя нужное значение.
      Примечание: Этапы моторизованные и контролируется с помощью программного обеспечения излучение.
   3. Глядя на штраф фокус камеры, перевод двигателя верхний z до тех пор, пока пятно лазера выравнивается с отметкой на экране.
      Примечание: Если этот маневр осуществляется последовательно для каждого образца, все параметры образца детектор останется то же самое.
4. Выберите либо белый (полихромные) света или монохромный режим.
   1. Крен щели на входе экспериментальной загон для определения окончательного фокус demagnification и таким образом луч размер образца. Примечание: Они функционируют как исходную точку для рентгеновских лучей, до путем набора КБ зеркала находится ниже по течению от монохроматора. Рулон щели размер может быть увеличен для увеличения потока (например, в монохромный режим) за счет размера увеличение пучка на образце.
   2. Убедитесь, что правильной рулон щели, используется параметр: 8 µm x 16 мкм для приложений белый луч или 100 мкм x 100 мкм для монохроматического приложений.
   3. Для эксперименты, проведенные в монохромный режим переместите монохроматора требуемой энергии, введя в энергии между 6000 и 22000 eV до увеличения щели размер рулона.
5. Настройка интенсивности пучка, используя предварительно фокусируя зеркало M201.
   1. Откройте меню элемента управления, перейдя в Motors | Дисплей. Выберите поле M201 из списка электродвигателей. Jog 5 игр с шагом до тех пор, пока значение счетчика камеры (IC) Ион развернуто.
   2. Двигатель имеет долгую люфт, поэтому эта процедура медленно.
6. Карта образца с помощью РФА.
   1. Сканирует инициализации флуоресценции сопоставления от | РФА сканирование меню. Измените имя файла и папка место для измерения РФА на правильно обозначения.
   2. Добавьте до 8 элементы, представляющие интерес, введя в диапазоне энергий между 2-20 кэВ, который охватывает один из главных эмиссионные линии конкретного элемента.
      Примечание: Если система работает в режиме монохромные, Элементаль энергетический диапазон должен быть по крайней мере ~ 1 кэВ ниже монохромные энергии используется для создания линии флуоресценции для того, чтобы побудить флуоресценции процесс (см. Beckhoff и др. ¹⁶).
   3. Используя верхний x и y двигатели, определите где сопоставление будет проходить с помощью программного обеспечения стадии диск два противоположных углов прямоугольной области. Установите их как начальную и конечную позиции, нажав на установить текущий Pos в меню настроек.
      Примечание: Карта может быть любого размера в течение установленного путешествия этапов.
   4. Введите продолжительность сканирования или скорости. Убедитесь, что карта охватывает ROI для выборки, нажав кнопки Для начала и До конца , чтобы увидеть координаты противоположных углов, которые были отобраны для определения карты.
   5. Запуск сканирования, нажав кнопку « Пуск ». На данный момент измерения будет продолжаться до тех пор, пока все точки были отсканированы.
      Примечание: Программа будет сохранить текстовый файл значений, где каждая строка соответствует положение электродвигателя и каждый столбец соответствует индикация мотор, всего входящего интенсивности пучка, измеренных элемента интенсивности, и т.д. , которые они затем могут быть replotted в любом графические программы. Программа измерения также отображает элемент карты в режиме реального времени.
7. Карта образца с помощью рентгеновской дифракции.
   1. Введите имя пользователя в окне сканирования дифракции рентгеновских лучей для процесса сбора данных для создания основной папке, в которой будут записаны все данные.
   2. Введите имя образца.
      Примечание: Все дифракционные текстуры для образца будет находиться в папке этого имени, и они будут помечены sample_name_xxxxx.tif, где xxxxx является строкой чисел, обычно начиная от 00001.
   3. Убедитесь, что «Верхняя X» и «Верхний Y» выбираются в качестве x и y, сканирование двигатели. Система предназначена для сканирования через многие из доступных излучение двигатели, в зависимости от типа выполняемого эксперимента. Для большинства сценариев, проверка будет выполняться в любом xy, xz, или монохромные энергии (для сопоставления одного кристалла наивысшие позиции; это сканирование 1D).
   4. Тип в x и y начальной и конечной позиций для карты.
   5. Тип в x и y шаг размеров и картина время экспозиции.
      Примечание: Сканирование одного кристалла, используя полный белый луч действовать быстрее потому, что луч flux является порядков больше, чем монохромные сканирования. Следовательно монокристаллов шаблон воздействия клонат быть < 1 s, тогда как монохромные сканирования воздействий (таких как порошковой дифракции) клонат быть > 10 s. После ввода время шаг размер и экспозиции, программа оценки общей проверки времени, необходимого для всей карте должны быть собраны.
   6. Нажмите кнопку воспроизведения для запуска сопоставления.
      Примечание: Программа будет теперь автоматически перейти к точке заданным мотор позиция/карты и записать дифракционный рисунок, а затем прогресс через каждый пиксель до тех пор, пока карта полностью записывается как последовательность .tif файлов.

2. обработка данных с использованием развитых излучение рентгеновских Microdiffraction анализ программного обеспечения (Рождество)¹⁷

1. Шаблоны нагрузки
   1. ¹⁷открытых XMAS. Загрузить шаблон дифракции, перейдя в файл | Загрузить изображение и выбрав шаблон. Вычитание фона детектор, перейдя в изображения | Соответствовать и удалить фон.
   2. Загрузить файл калибровки, перейдя в Параметры | Параметры калибровки. Нажмите на Calib нагрузки и выберите файл параметров соответствующей калибровки.
      Примечание: Калибровка параметр файл будет содержать информацию, такую как пиксель соотношение размеров (которая всегда фиксируется), детектор расстояние между (координатора на образце) и центр детектора, детектор угловое положение, xcent (центр детектора в x), ycent (центр детектора в y), шаг, рыскания и крена детектор, ориентация образца, а также волны, если с использованием монохроматического света.
2. Процесс монокристаллов данных.
   1. Индекс шаблоны
      1. Загрузить файл структуры стандартных кристалл (.cri), перейдя в Параметры | Кристаллическая структура и выбрав соответствующий файл. Если значения напряжения должны быть рассчитаны, загрузите файл жесткость (.stf), содержащий третьего порядка тензора упругих матрицы для материала.
         Примечание: Файл .cri будет содержать номер группы пространства, все шесть решетки параметры, количество Wyckoff атомной позиций атома, дробные координат и типов промежутком.
      2. Чтобы вычислить кристалл ориентации зерна, перейдите на Параметры | Кристалл ориентировочные параметры Лауэ. Введите «hkl плоскости нормального «для в плоскости и вне плоскости ориентации.
      3. Найти пример пиков, перейдя в анализ | Поиск пик.
         1. Выберите значение от 5 до 50, в зависимости от интенсивности дифракционной картины пик порога (например, соотношение сигнал/шум).
         2. Нажмите кнопку Go! кнопку, чтобы начать поиск пика. Добавить любой вершины не выбрали программу и удалять любые мертвых пиков.
      4. Инициализировать индексации путем идти к анализ | Лауэ индексации.
   2. Определите напряжение и стресс.
      1. Если стресс не нужно быть количественно, пропустите этот шаг. В противном случае, перейдите на Параметры | Кристаллическая структура и загрузить файл жесткость (.stf), связанный с кристаллической структуре.
         Примечание: Файл состоит из матрицы тензор третьего порядка жесткости для конкретного материала. С программным обеспечением XMAS приводятся примеры.
      2. Выберите параметры стресса.
         1. Перейти к параметрам | Напряжение/калибровка Лауэ уточнение параметров. Откроется новое окно, с параметры калибровки для экспериментальной системы на правой стороне и уточнение деформации на левой стороне.
         2. Выберите соответствующие штамм уточнение параметров для данного образца.
         3. Убедитесь, что уточнения ориентации также флажок, если уточнение кристалл ориентации.
      3. Инициализировать штамм вычисления, перейдя в анализ | Штамм уточнение/калибровки.
   3. Вычисление и отображение 2D карты.
      1. Откройте процедуру анализа от автоматизированный анализ | Установка автоматического анализа Лауэ шаблонов. Откроется новое окно.
         1. В разделе Параметры файлов изображений, нажмите кнопку... кнопку и выберите первый файл в последовательности карту. Под конец ind. Введите номер для последнего файла в последовательности; шаг обычно устанавливается в 1. Если это правда, # точек теперь должно быть общее количество пикселей карта. В поле сохранить файл параметроввведите имя файла.
            Примечание: Путь можно игнорировать, поскольку она не читается в случае кластер вычислений.
         2. Настройка параметров NERSC.
            1. В NERSC каталогвведите в каталоге пользователя. Это будет назначен, когда пользователь запрашивает доступ кластера из NERSC.
            2. Директорию образа дискавведите расположение файла в кластере, где данные в настоящее время находятся.
            3. В сохранить каталогвведите расположение файла в кластере сохранения обработанных файлов.
            4. В разделе Nb. узловвведите сколько узлов будет использоваться для вычисления.
               Примечание: Общее количество Карта точек должно делится на количество узлов.
            5. Нажмите на создать файл NERSC для создания инструкции файла и сохраните его. Этот файл будет в формате .dat.
      2. Загрузите файл .dat NERSC кластер.
         Примечание: Как правило, это делается с помощью программы передачи данных, например WinSCP.
      3. Из окна терминала (войти в учетную запись NERSC), запустите исполняемый файл XMASparamsplit_new.exe. При появлении запроса введите имя файла .dat NERSC.
         Примечание: Программа теперь будет выполняться, и узлы будут назначаться для обработки каждого файла изображения в последовательности. После того, как узел завершает свои расчеты, данные будут добавлены в файл последовательность, под названием «имя образца» .seq. копия .seq файла на локальный компьютер.
      4. Откройте файл .seq.
         1. В Рождество, нажмите на анализ | Последовательный список чтения анализа. Откроется новое окно.
         2. Загрузите список .seq, щелкнув загрузить как струк и выбрав .seq файл из локального компьютера.
         3. Отображение карты, нажав на экран; Откроется новое окно. Чтобы выбрать, какой столбец будет соответствовать значения z 2D z участка, выберите его из раскрывающегося меню.
         4. Чтобы экспортировать данные, нажмите на Сохранить как список и сохраните как файл txt или .dat.
            Примечание: Содержимое этого файла может затем быть загружены в другую программу построения при желании.
3. Процесс порошковой дифракции данных.
   Примечание: Существует несколько различных типов анализа возможных. Они широко делятся на три категории: интеграция полный шаблон над 2θ, картирования распределения фазы с использованием одного представителя пик для конкретного этапа, или сопоставления предпочтительным ориентации один пик.
   1. Как функция 2θ Интегрируйте весь шаблон.
      1. Перейти к анализ | Интеграция вдоль 2theta. Выберите диапазон 2θ, который охватывает углы в шаблон, который можно найти, парящей над любой пиксель шаблон и прочитав значение отображаемого 2θ.
      2. Выберите диапазон χ (Азимут).
         Примечание: Здесь, либо весь азимутальной диапазон может быть выбран, или только некоторые регионы, в зависимости от предпочтений пользователя.
      3. Нажмите Перейти к интеграции. Нажмите кнопку сохранить , чтобы сохранить шаблон.
   2. Карта места фаза интеграции один пик 2θ и отображение его на карте 2D.
      1. Выберите 2θ и χ диапазоны, как и в предыдущем шаге (но на этот раз, ограничивается только подмножество весь шаблон).
         Примечание: Обычно только один пик, представитель конкретного этапа интерес, выбран. Идеальный пик будет ожидается не имеют каких-либо накладок с другими фазами.
      2. Выберите функцию fit (Gaussian или псевдоримановом) и соответствовать пик, нажав кнопку Go. Убедитесь, что fit хорошо прежде чем продолжить.
      3. Для фазы расположение на карте, перейдите к автоматизированный анализ | Установите Чи twotheta анализ; Откроется новое окно. Выберите путь, начало и конец чисел и имя файла результата, а затем щелкните стрелку, чтобы начать сканирование.
         Примечание: Программа теперь карта ранее подходят пик на каждый шаблон и журнала интенсивности, ширина, позиции и d-расстояние между сопоставленных пик на файл результатов. Полученный файл (обычно текстовый файл) можно затем загружены в любую программу, печати и печать пользователем.
   3. Карта предпочтительным ориентацию путем интеграции одного пика χ и сопоставления его через 2D карты.
      1. Перейти к анализ | Интеграция вдоль Чи. Откроется новое окно. Как и раньше выберите 2θ и χ диапазоны, которые охватывают пик отображение предпочтительным ориентации.
      2. Выберите функцию fit (Gaussian или псевдоримановом) и соответствовать путем ударять кнопку Go .
         Примечание: Программа теперь будет разделить несколько бункеров χ и рассчитает общая интенсивность через каждый бин над указанный диапазон 2θ. Результат будет сюжет интенсивности как функции χ. Когда подходит, это будет указано Угловая ориентация высокой интенсивности.
      3. Для сопоставления для всех файлов, перейдите к автоматизированный анализ | Установите анализ этап Чи. Выберите путь, начало и конец чисел и имя файла результата, а затем щелкните стрелку, чтобы начать сканирование.
         Примечание: Программа будет карта же пик через все шаблоны и создать текстовый файл, содержащий результаты как функция позицию мотора. Они затем могут быть отображены в любой программе построения.

Результаты

Лауэ Microdiffraction

Последние измерения и анализа была проведена на образец природного муассанит (SiC)¹⁸. Образец состоит из кусок из туфа, встроенных в эпоксидной разъем, который был затем вырезать и полируется подвергат...

Обсуждение

Мы представляем метод для комбинированных дифракции рентгеновских лучей и Рентгенофлуоресцентного анализа кристаллический образцов в ALS излучение 12.3.2. Хотя ни Лауэ дифракции, порошковой дифракции, ни РФА сами являются новые методы, излучение 12.3.2 объединяет их, а также микрон шкала ре?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
ThorLabs KB3x3 kinematic base, top half	ThorLabs	KBT3X3	Several of these bases are available for borrowing. The base must be the imperial and not the metric type, otherwise it will not properly fit on the stage.
Scotch double sided tape			Available at any office supply store, and also at the beamline
Polyimide/Kapton tape	Dupont		Several widths are commercially available. Any width that is enough to cover the sample is fine.
Samples			Provided by user, site of interest should be polished if larger mapping is desired.
Software: XMAS			Downloadable here https://sites.google.com/a/lbl.gov/bl12-3-2/user-resources
Software: IDL 6.2	Harris Geospatial Solutions
X-ray Diffraction Detector	DECTRIS Pilatus 1M		hybrid pixel array detector
Huber stage			stage for detector
Vortex silicon drift detector			silicon drift detector
IgorPro v. 6.37			Plotting software