同步辐射X射线微衍射与矿物及岩石样品的荧光成像

摘要

我们描述了一种光束线装置，可用于对单晶或粉末样品进行快速的二维X射线荧光和X射线微区衍射成像，可采用劳厄法（多色辐射）或粉末法（单色辐射）进行衍射。所获得的图谱可提供有关应变、取向、相分布以及塑性变形的信息。

摘要

在本报告中，我们描述了一种获取和处理的详细步骤 X射线微荧光（μXRF）、劳厄衍射和粉末微衍射二维（2D）图谱在劳伦斯伯克利国家实验室先进光源（ALS）12.3.2光束线完成。任何尺寸小于10 cm × 10 cm × 5 cm且具有平坦暴露表面的样品均可进行测量。实验几何参数使用标准物质进行校准（XRF采用元素标准，晶体样品如Si、石英或Al₂O₃ 用于衍射）。样品被调整至X射线微束的焦点位置，并进行光栅扫描，其中每个图谱像素对应一次测量。 例如， 一个XRF光谱或一个衍射图谱。数据随后使用自主开发的软件XMAS进行处理，输出为文本文件，其中每一行对应一个像素位置。本文展示了来自碳化硅（moissanite）和橄榄螺壳的代表性数据，以演示数据质量、采集及分析策略。

引言

晶体样品在微米尺度上常表现出异质性。在地球科学中，识别二维体系中矿物的种类、晶体结构及其相态关系，对于理解特定体系的物理与化学性质至关重要，这需要一种具有空间分辨能力的定量技术。例如，可通过分析局部二维区域内物相的分布来研究矿物之间的相互关系，这对于揭示岩石体内部可能经历的历史及化学相互作用具有重要意义。此外，也可针对单一矿物的材料结构进行研究；这有助于确定该矿物过去或当前所经历的变形类型（例如在 原位 使用金刚石压砧装置进行的变形实验）。在地球科学中，这些分析通常结合扫描电子显微镜（SEM）与能量色散或波长色散X射线能谱（E/WDS）以及电子背散射衍射（EBSD）技术共同完成。然而，样品制备过程可能较为困难，需进行大量抛光和固定处理，以满足真空条件下的测量要求。此外，EBSD是一种表面分析技术，要求晶体内部应变较小，而地质材料常经历抬升、侵蚀或压缩作用，晶体往往存在显著应变，因此并不总是满足该条件。

利用ALS 12.3.2光束线提供的二维X射线微衍射和XRF成像技术进行空间分辨表征，是一种快速且直接的方法，可用于对单相或多相体系进行大范围成像，其适用的晶体尺寸范围从几纳米（多晶样品情况）到数百微米。与其它常用技术相比，该方法具有诸多优势。不同于EBSD等其他二维晶体成像技术，微衍射可在常温常压条件下测量样品，因此无需特殊制样，也不需要真空腔室。微衍射适用于原始晶体，也适用于经历严重应变或塑性变形的晶体。常见的样品包括薄片、环氧树脂包埋的材料，甚至未经处理....

方案

1. 设置光束线并收集数据

注意：校准标准品和样品的采集方法相同，主要区别在于处理方法。

1. 安装样品并关闭实验屏蔽舱。
   1. 将样品固定在运动学底座的上半部分（参见 材料表使得感兴趣区域（ROI）相对于基底在垂直方向上至少偏移15 mm。
      注意：光束线上设有标准屏蔽块，可供样品使用 < 20 毫米厚。运动学基座的下半部分永久安装在光束线的样品台系统上。
   2. 将样品和基底放置于实验舱内台架的上方。关闭实验舱。
2. 打开光束线控制和数据采集软件。
   1. 打开光束线控制程序。单击左上角的箭头以初始化程序。等待右侧所有信号灯变为绿色，表示软件已完成初始化。
   2. 单击任意光束线组件即可初始化该组件的控制面板。此操作主要适用于平移台和狭缝控制。
   3. 从桌面启动X射线衍射扫描软件。
      注意：此操作必须在光束线控制程序完全启动后才能进行，否则程序之间无法正确通信，导致映射程序无法正常工作。
3. 将样品移至X射线束的焦点位置。
   1. 单击标记为“对准激光”的按钮以打开对准激光 "激光".

结果

劳厄微衍射

最近对一块天然碳硅石（SiC）样品进行了一次测量与分析¹⁸。该样品由嵌在环氧树脂塞中的一块凝灰岩构成，随后被切割并抛光以暴露感兴趣区域（ROI）。通过光学显微镜和拉曼光谱鉴定了三个碳硅石颗粒（图1a）。其中一个颗粒，SiC 2（图1b），被认为含有原生硅（Si）¹⁸。X射线测量的目标是确定样品中碳化硅的物相以及硅的结晶性。

使用双面胶带将样品固定在玻璃载玻片上，然后将载玻片安装到常规样品台模块上。样品旁边放置一个硅标准样品，用于校准探测器几何结构，具体步骤如实验方案所述。该硅.......

讨论

我们介绍一种在先进光源（ALS）12.3.2光束线对结晶样品进行X射线衍射与X射线荧光（XRF）联合分析的方法。尽管劳厄衍射、粉末衍射和XRF本身并非新颖技术，但12.3.2光束线将这些技术与微米尺度的X射线束斑、与探测器曝光触发同步的扫描平台系统以及一套综合分析软件相结合，从而实现了在实验室仪器上无法开展的实验。该光束线的光子通量比实验室仪器所能达到的水平高出数个数量级。此外，典型的实验室用劳厄衍射设备仅设计用于单晶取向测定，无法实现任何尺度的映射分析；而实验室粉末衍射仪则仅适用于体相测量，且光束尺寸通常超过数百微米。该光束线另一项在本实验方案中未提及的重要优势是 原位 实验可以且通常被常规开展。该光束线具备加热和冷却能力，且仪器的工作距离较大，相对于典型样品尺寸而言，允许用户自带实验装置，例如金刚石压砧池，以此进行劳厄衍射或粉末衍射实验。⁶.

结合XRF/Laue的测量结果可与使用E/WDS和EBSD的SEM测量结果相媲美。这些技术常用于地球科学领域，可用于物相鉴定和确定角分辨率

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
ThorLabs KB3x3 运动学底座，上半部分	ThorLabs	KBT3X3	可提供多个此类底座供借用。底座必须为英制而非公制类型，否则无法在样品台上正确安装。
Scotch 双面胶带			可在任何办公用品商店或光束线处获得
聚酰亚胺/Kapton 胶带	Dupont		市面上有多种宽度可选。任何能够完全覆盖样品的宽度均可使用。
样品			由用户自行提供，若需进行大范围 mapping，目标区域应预先抛光。
软件：XMAS			可在此处下载 https://sites.google.com/a/lbl.gov/bl12-3-2/user-resources
软件：IDL 6.2	Harris Geospatial Solutions
X射线衍射探测器	DECTRIS Pilatus 1M		混合像素阵列探测器
Huber 样品台			用于探测器的样品台
Vortex 硅漂移探测器			硅漂移探测器
IgorPro v. 6.37			绘图软件