1. Поиск, отбор и подготовка минеральных зерен
ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы были получены из каталогизированной коллекции в обсерватории вулкана Монтсеррат (MVO) и получены из падающих отложений, происходящих из энергичного эпизода вентиляции пепла на вулкане Суфриер-Хиллз, который произошел 5 октября 2009 года; это был один из 13 подобных событий в течение трех дней14. Этому выбросу пепла предшествовал новый этап роста лавовых куполов (фаза 5), начавшаяся 9 октября. Предыдущий анализ этого образца показал, что это сочетание плотных фрагментов купола, стеклянных частиц и случайных литик14.
- Налейте 1 г образца вулканического пепла в стеклянную чашку Петри диаметром 10 см.
- Оберните небольшой (3 см х 3 см) лист весовой бумаги вокруг 10 G магнита.
- Используйте бумажный магнит, чтобы вытащить богатые магнезитом зерна от 100 мкм до 500 мкм в диаметре от образца золы и поместить в 32 мкм (5), 8 см диаметром нержавеющей стали сито.
- Промыть в деионизированной воде в течение 20-30 с с помощью бутылки выжать, чтобы удалить меньше, придерживаясь частиц пепла (который будет проходить через сито), и воздух сухой в течение 24 ч.
- Прикрепить чистые и сухие частицы золы для образца креплений, пригодных для вторичного электронного микроскопа (SEM). Изображение во вторичном режиме электрона при ускоренном напряжении 15-20 кВ и на рабочем расстоянии 10 мм для выбора 5-10 лучших кандидатов для дальнейшего анализа. Выбранные зерна должны быть преимущественно (No gt;50%) магнетит(рисунок 1a,b).
- Affix выбрали зерна золы, чтобы очистить ленту, окружают с одного дюйма диаметром полой плесени (металл, пластик или резина), которая была внутренне покрыта вакуумной жиром, и влить эпоксидной смолы, чтобы заполнить плесень (2 см3). Разрешить эпоксидной для лечения в соответствии с конкретными инструкциями эпоксидной.
- Как только эпоксидка вылечила, снимите с плесени и снизьте ленту снизу. Золы зерна должны быть частично подвержены.
- Польский эпоксидно-литых золы зерна с использованием SiC шлифовальной бумаги пяти различных размеров песка (400, 800, 1200, 1500 и 2000 песка).
- Польский выборки с каждым размером песка, от самого высокого (400) до самого низкого (2000) в цифре восемь движения, по крайней мере 10 минут. Между размерами песка, sonicate образец в ванне деионизированной воды в течение 10 минут.
- Проверьте образец под микроскопом, чтобы убедиться, что полировка песка не присутствует, и поверхность образца свободна от царапин. Если царапины присутствуют, повторите процедуру полировки с предыдущим размером песка, прежде чем sonicating и переход к следующему размеру песка.
- Польский эпоксидно-кошачьи золы зерна с глинозема полировки суспензии 1,0 мкм, а затем 0,3 мкм на полировки ткани.
- Польский образец с каждой подвеской на рисунке восемь движения, по крайней мере 10 минут. В промежутке между размерами подвески, sonicate образец в ванне деионизированной воды в течение 10 минут.
- Проверьте образец под микроскопом, чтобы убедиться, что подвеска не присутствует и поверхность образца не имеет царапин. Если царапины присутствуют, повторите процедуру полировки с предыдущей подвеской, прежде чем сотонить и перейти к следующему размеру подвески. В конце процедуры полировки эпоксидная поверхность должна быть гладкой, а зерна золы должны быть плоскими и хорошо открытыми.
- Пальто образца поверхности с проводящей шерсть 10 нм толщиной углерода с помощью доступного устройства покрытия распыления.
- Получить backscattered электрон изображения золы зерна с электронным микроскопом на 15-20 кВ ускорение напряжения и рабочее расстояние 10 мм, чтобы определить расположение выведения ламеллы в магнетите (Рисунок 1c), как это проводилось в предыдущем исследования5.

Рисунок 1: Пример богатых магнетитом золы из вентиляционных эпизодов на вулкане Суфриер-Хиллз. (a, b): Backscattered электронные изображения (BSE) как реагируют и не реагирует текстуры в магнетитовых зерен. (c)BSE изображение полированного магнетитового зерна, показывающего наличие ламелы exsolution (светло-серые лапасти; красные стрелки) потенциального состава ильменита. (d)Вторичное электронное изображение полированного магнетита зерна, подготовленного для анализа томографии атомного зонда (APT), показывающего расположение некоторых ламелл ы (разбитых красных линий), которые распределены по всей поверхности зерна, и расположение извлечение клина (синяя стрелка). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
2. Подготовка проб атомного зонда (APT)
- Образцы APT будут подготовлены из клина материала, который показывает наличие ламелы exsolution(рисунок 1d)с использованием FIB на основе протокола подъема16 (Рисунок 2). Перед работой FIB, распыление пальто поверхности образца с 15 нм слой Cu, чтобы избежать зарядки электронов и образца дрейфующих.
- Используя сфокусированный ионный луч в двойном луче сканирующем электронном микроскопе (FIB-SEM), отдепозитивайте прямоугольник платины (Pt) (3 мкм толщиной) на полированном разделе интереса, содержащего ламеллы в течение 1,5 мкм х 20 мкм области с помощью галлия (Ga)ионный луч на 30 кВ и 7.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот платиновый слой откладывается для защиты области интересов (ROI) от повреждения ионного луча.
- Мельница три клинья материала ниже трех сторон прямоугольника Pt с помощью ионного луча (30 кВ, 1 н.А.). Смотрите Рисунок 1d и Рисунок 2.
- Вставьте систему впрыска газа (ГИС) и сварить клин к нано-манипулятору situ с помощью ГИС-депозитированный Pt перед резки окончательный край бесплатно (Рисунок 2a).
- Используяионный луч Ga q (5 кВ и 240 pA), вырежьте десять сегментов шириной 1-2 мкм от клина и последовательно прикрепите их с Pt к вершинам Si должностей купона микротипа массива(Рисунок 2b-d).
- Форма и заточить каждый образец отзыв с помощью кольцеобразных фрезерных узоров все меньше внутреннего и внешнего диаметров(рисунок 3). Первоначально, выполнить фрезерования на 30 кВ для получения геометрии образца, необходимых для APT(рисунок 3,леваяпанель ) .
- Выполните окончательное фрезерование при ускоренном напряжении 5 кВ, чтобы уменьшить имплантацию Гаи получить последовательную форму наконечника к кончику(рисунок 3, правая панель).
- Применяя измерительные инструменты SEM к рисунку, убедитесь, что диаметр в верхней части кончиков колеблется 50-65 нм, в то время как угол хвостовика наконечников колеблется от 25 "до 38".
ПРИМЕЧАНИЕ: Более подробная информация была ранее опубликована, описывая обычный протокол подъема16.

Рисунок 2: Пример протокола подготовки образцов FIB-SEM для анализа APT. (a)Клин (W) подъемная извлечения с наноманипулятором (Nm). (b)Боковой вид массива микро-купона кремниевых столбов, установленных на медном зажиме. (c)Вид сверху массива микро-купона кремниевых столбов, показывающий наноманипулятор для монтажа клина разделов. (d)Фрагмент клина (S), показывающий часть защитной платиновой крышки (Ptc), установленной на кремниевом столбе после сварки с платиной (Ptw). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Пример советов, подготовленных для анализа APT. (Слева) Изображение наконечника после первого этапа заточки. (Справа) Изображение того же наконечника после низкой очистки кВ, указывая радиус кончика (67,17 нм) и угол хвостовика (26 "). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
3. Приобретение данных APT
- Выполняйте анализ с помощью локального атомного зонда электрода (LEAP), оснащенного пико-секундным 355-нм ультрафиолетовым лазером. Посмотреть конкретные параметры работы LEAP в таблице 1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Анализы были выполнены с LEAP оснащен пико-второй 355 нм УФ-лазер, размещенный в Центральном аналитическом центре (CAF) в Университете штата Алабама.
- Смонтировать микро-купон с заточенными кончиками, приваренным к столбам Si, в шайбу образца и загрузите в карусель для размещения внутри LEAP.
- Вставьте карусель в буферную камеру LEAP.
- Включите лазерную головку и выполните лазерную калибровку.
- После достижения вакуума в камере анализа на уровне или ниже 6 х 10-11 Торр, вставьте образец шайбы в основную камеру анализа. Для этого используют переносной стержень; это управляется с серией автоматических шагов и ручной вставки.
- Перед анализом выберите наконечник, переместив образец шайбы, чтобы выровнять микро-купон с местным электродом и обновите базу данных, чтобы указать номер наконечника.
ПРИМЕЧАНИЕ: Четыре из шести советов были успешно проанализированы (два сломанных в ходе анализа) и привели к переменной сумме полученных данных в диапазоне от 26 до 92 миллионов всего обнаруженных ионов, что соответствовало удалению 160-280 нм толщиной слоя магнетита (см. конкретные параметры работы LEAP в таблице 1).
| Образец | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Описание образца | SHV Магнетит | SHV Магнетит | SHV Магнетит | SHV Магнетит |
| Модель инструмента | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
| Настройки приборов | | | | |
| Длина лазерной волны | 355 нм | 355 нм | 355 нм | 355 нм |
| Скорость лазерного импульса | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| Лазерная импульсная энергия | 500 кГц | 500 кГц | 500 кГц | 500 кГц |
| Контроль испарения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения |
| Коэффициент обнаружения целевых целей (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Номинальный путь полета (мм) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Температура (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Давление (Торр) | 5.7x10-11
| 6.0x10-11
| 6.1x10-11
| 6.1x10-11
|
| ToF смещение, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| Анализ данных | | | | |
| Программного обеспечения | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| Всего ионов: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| Одного | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| Несколько | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| Частичное | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| Реконструированные ионы: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| Колебалась | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| Без диапазона | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| Фон (ppm/nsec)
| 12 | 12 | 12 | 12 |
| Реконструкции | | | | |
| Окончательное состояние наконечника | Перелом | Перелом | Перелом | Перелом |
| Пред-/Пост-анализ изображения | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| Модель эволюции радиуса | "напряжение" | "напряжение" | "напряжение" | "напряжение" |
| Vначальный; Vфинал
| 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Таблица 1. Настройки получения данных зонда Atom и резюме.
4. Обработка данных APT
- Откройте набор данных в программном обеспечении для обработки данных (см. таблицу материалов)и выполните следующие шаги для анализа данных.
- Просмотрите настройку информации.
- Выберите диапазон последовательности ионов на основе сюжета истории напряжения. Выберите область детектора, представляющий интерес (ROI).
- Выполните коррекцию времени полета (TOF). Используйте пики, соответствующие кислороду и железу, для коррекции ТоС.
- Выполните массовую калибровку с определением основных пиков.
- Выполните диапазон ионов для их назначений в определенные массы.
- Выполните реконструкцию профиля наконечника.
- Отобрага данных в двух основных форматах: 1) соотношение состояния масски к зарядке (Da) химических спектров(рисунок 4); и 2) 3D-реконструкция образцов наконечников(рисунок 5).
- Определите пиковые диапазоны в качестве всего видимого пика, или отрегулируйте вручную, когда присутствуют большие тепловые хвосты, для каждого спектра соотношения состояния массы к заряду(рисунок 4). Эти пики представляют собой отдельные элементы или молекулярные виды, и разложение пиков обеспечивает общий химический состав для каждого кончика или объекта (т.е. кластеров и высылала ламеллы) внутри каждого кончика (таблица 2).
- Выполните трехмерные (3D) рекомовки, используя метод профиля наконечника "напряжения"17 для определения реконструированного радиуса в зависимости от проанализированной глубины(рисунок 5 и фильм 1).
- Реконструкция изоповерхностей изыолета ламеллы для проведения измерений межламеллярного интервала(рисунок 5)и установить ухозяинам минерально-ламелла химических отношений с использованием проксиграмм17,18 (Рисунок 6 ).
- Измерьте межламеллярные интервалы с помощью программного обеспечения для анализа изображений.

Рисунок 4: Пример репрезентативного спектра масс-заряда APT. Спектр для проанализированного магнетита с отдельными диапазонными пиками показывает примеры идентификации пиков, соответствующих отдельным элементам (например, кислороду (O) или железу (Fe)) или молекулам (например, FeO). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Образец | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Элемент | Количество атомов | Атомный % |
Ошибка 1s
| Количество атомов | Атомный % |
Ошибка 1s
| Количество атомов | Атомный % |
Ошибка 1s
| Количество атомов | Атомный % |
Ошибка 1s
|
| O | 9459276 | 40.263 | 0.0155 | 36679256 | 40.724 | 0.0080 | 15396155 | 41.010 | 0.0124 | 16212281 | 41.224 | 0.0122 |
| Фе | 9424298 | 40.114 | 0.0155 | 35948593 | 39.913 | 0.0079 | 14829905 | 39.502 | 0.0121 | 15006853 | 38.159 | 0.0116 |
| Mn | 15954 | 0.068 | 0.0005 | 72884 | 0.081 | 0.0003 | 28166 | 0.075 | 0.0004 | 31450 | 0.080 | 0.0005 |
| Мг | 123755 | 0.527 | 0.0015 | 486732 | 0.540 | 0.0008 | 203596 | 0.542 | 0.0012 | 234231 | 0.596 | 0.0012 |
| Аль | 85598 | 0.364 | 0.0013 | 329602 | 0.366 | 0.0006 | 134637 | 0.359 | 0.0010 | 154779 | 0.394 | 0.0010 |
| Si | 13855 | 0.059 | 0.0005 | 39307 | 0.044 | 0.0002 | 16278 | 0.043 | 0.0003 | 25750 | 0.065 | 0.0004 |
| Na | 166 | 0.001 | 0.0001 | 1254 | 0.001 | 0.0000 | 447 | 0.001 | 0.0001 | 1468 | 0.004 | 0.0001 |
| Ti | 4360052 | 18.558 | 0.0097 | 16478946 | 18.296 | 0.0049 | 6920481 | 18.434 | 0.0076 | 7645849 | 19.442 | 0.0077 |
| H | 10657 | 0.045 | 0.0004 | 30522 | 0.034 | 0.0002 | 12899 | 0.034 | 0.0003 | 14478 | 0.037 | 0.0003 |
| Общая | 23493611 | 100.00 | 0.04 | 90067097 | 100.00 | 0.02 | 37542563 | 100.00 | 0.04 | 39327140 | 100.00 | 0.03 |
| Фе-ТиЗО | | 98.94 | | | 98.93 | | | 98.95 | | | 98.82 | |
| Fe/Ti | | 2.16 | | | 2.18 | | | 2.14 | | | 1.96 | |
Таблица 2. Атом зонд томографии объемных композиционных данных для всех проанализированных образцов.