同步辐射X射线微衍射与矿物及岩石样品的荧光成像

该方法有助于解答矿物学和岩石学领域中关于矿物颗粒与相分布以及矿物物理化学性质的关键问题。X射线微区荧光和X射线微区衍射的主要优势在于，能够在微米尺度上提供元素成分与晶体结构的关联分析，同时可容纳尺寸达10厘米的样品，且无需使用任何真空腔室。样品可以是薄片，可以是环氧树脂包埋的样品，甚至可以是完整未经处理的岩石，因此与EBSD等其他类似技术相比，该技术的样品制备过程更为简便。

此外，与电子背散射衍射（EBSD）不同，该技术使我们能够测量经历塑性变形的天然和合成样品，例如变质岩。首先，将晶体样品固定在运动学底座的上半部分，使感兴趣区域相对于底座垂直偏移至少15毫米。将底座的上半部分安装在实验舱内的样品台上，并关闭实验舱。

打开光束线控制软件并初始化程序。初始化平移台和光阑控制。光束线控制程序完全启动后，打开X射线衍射扫描软件。

然后，打开对准激光器，并打开载物台设置菜单。平移样品载物台，使样品的感兴趣区域位于粗对准相机的大致视野焦点范围内。接着，观察精细对焦相机，平移上方的 z 轴电机，直到激光光斑与屏幕上的标记对齐。

然后，打开狭缝设置菜单。选择合适的狭缝尺寸，如有需要，选择单色器能量。使用镜面微调控制缓慢调节环形镜，以最大化离子室的计数值。

然后，初始化荧光成像，并设置测量数据文件的保存路径。为最多八种目标元素提供能量范围。使用上方的 x 和 y 方向电机将样品台移动至待成像区域的一个角落。

将此位置标记为 x 轴和 y 轴的起始位置。然后，将载物台移动到对角的另一角，并将其标记为 x 轴和 y 轴的结束位置。填写扫描的步长以及速度或停留时间。

确认该图谱覆盖样品的感兴趣区域（ROI），然后开始扫描以进行X射线荧光成像。X射线荧光扫描完成后，在X射线衍射扫描窗口中提供数据文件的文件夹名称和命名方案。确保已选中上方的X轴和Y轴电机。

填写 x 和 y 的起始与结束位置、步长以及图案曝光时间。启动映射过程，并等待扫描完成。开始单晶微衍射分析时，将单晶衍射图导入分析软件，并扣除探测器背景。

然后，打开校准参数菜单，并加载相应的校准参数文件。加载一个标准晶体结构。如有必要，还需加载包含该材料三阶弹性张量矩阵的刚度文件。

然后，打开峰搜索工具。设置所需的峰阈值，并运行自动峰检测过程。根据需要手动添加或删除峰。

启动索引过程。如果需要量化应力，则还需加载与该结构相关的刚度文件，并选择适当的应力参数。初始化应变计算。

然后，打开自动分析程序窗口。将序列中的第一个文件设置为图像文件参数，并填写最后一个文件的编号。为要创建的文件提供一个名称。

然后，填写用户目录、图像的路径、处理后文件的保存位置，以及计算中要使用的节点数量。生成并保存指令文件。使用文件传输程序将指令文件上传至集群。

然后，打开终端窗口并运行参数计算。当系统提示时，提供指令文件的名称。参数计算过程完成后，将输出文件复制到本地计算机，并将该文件加载到分析程序中。

显示地图，并选择对应于二维图中 z 值的列。如有需要，可将数据导出至其他绘图程序。开始粉末微衍射分析时，将粉末衍射图谱载入分析软件，扣除探测器背景，然后载入校准参数文件。

将光标悬停在与感兴趣峰对应的图样像素上，并记录显示的二 Theta 和 Chi 值。然后，打开将图样作为二 Theta 函数进行积分的窗口，填写二 Theta 和 Chi 的范围。选择高斯拟合或洛伦兹拟合，确保拟合结果在视觉上匹配良好，并对峰进行拟合。

接下来，打开 chi-2θ 分析窗口，选择待映射文件的路径。填写序列的起始和结束编号。为结果文件命名，然后运行扫描，将先前拟合的峰映射到每个图谱上。

然后，在 χ 范围内对一个峰进行积分，并将其映射到二维图谱上。如有需要，可将数据导出至其他绘图程序。一块被认为含有单质硅的碳硅石样品首先通过 X 射线荧光进行分析。

排除了硅和碳的强度范围，使得碳化硅晶体与周围富含钙和铁的材料相比呈现为低强度区域，从而得以区分。随后采集了劳厄X射线衍射图样。对样品本体内的一个图样进行初步指标化后显示，4H碳化硅多型体的拟合效果优于6H碳化硅多型体。

大部分晶体可轻松标定为4H碳化硅。对剩余晶体区域的手动检查表明，该部分更适合作为6H碳化硅进行标定。该区域的6H碳化硅标定图在某一区域的成功率较低。

在该区域内，观察到多个重叠的衍射图样，经标定至少对应三个重叠的硅晶粒。必须手动验证自动拟合是否正确执行。在此处，手动验证使我们能够确定样品的不同区域实际上具有不同的晶体结构，并且存在多个硅晶粒。

在峰的基部出现了多个局部极大值，表明由于显著的塑性变形而形成了多个亚晶粒。橄榄螺壳的粉末微衍射结果显示，其文石衍射图谱与标准图谱吻合良好。钙和铁的X射线荧光（XRF）元素分布图显示，其成分变化与文石040衍射峰的峰宽、d间距、积分强度及取向分布图的变化趋势一致。

发现铁与d间距及取向之间的表观相关性实际上是一种测量伪影。有时必须通过其他分析工具来验证这些测量结果。例如，能谱分析（EDS）结果表明，我们原以为的成分变化实际上是由文石层织构衍射所致。

观看本视频后，您应能充分理解在ALS 12.3.2线站进行X射线荧光和微衍射实验时，数据采集与处理过程是多么简便。一旦掌握，数据采集速度可非常快，最高可达每分钟100个像素点。若在集群上进行数据分析，耗时可短至五分钟。

研究人员已成功应用该技术分析石英及其他二氧化硅多晶型的应变，以研究罗马混凝土和火山混凝土的矿物学特性，分析气象成分，以及对各种贝壳和珊瑚中的方解石和文石进行分析。可结合使用EDS或EBSD等互补方法，以回答其他问题，例如量化元素分布。请注意，与所有自动化过程一样，应人工检查数据，以确保数据被正确采集和处理。