Summary

矿物和岩石样品的同步辐射 x 射线 Microdiffraction 和荧光成像

Published: June 19, 2018
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Summary

我们描述了一个光束线的设置, 目的是进行快速的二维 x 射线荧光和 x 射线 microdiffraction 映射的单晶或粉末样品使用劳厄 (多色辐射) 或粉末 (单色辐射) 衍射。生成的地图提供了有关应变、方向、相分布和塑性变形的信息。

Abstract

在本报告中, 我们描述了获取和处理 x 射线 microfluorescence (μXRF) 和劳厄和粉末 microdiffraction 二维 (2D) 地图在光束线12.3.2 的先进光源 (ALS) 的详细程序, 劳伦斯伯克利国家实验室。测量可以在任何小于10厘米 x 10 厘米 x 5 厘米的样品上执行, 并具有平坦暴露的表面。实验几何是用标准材料 (XRF 的元素标准, 和晶体样品如 Si, 石英, 或 Al2O3的衍射) 来校准的。样品与 x 射线束的焦距对齐, 并执行光栅扫描, 其中每个像素对应一个测量,例如,一个 XRF 光谱或一个衍射图案。然后使用内部开发的软件 “圣诞” 处理这些数据, 它输出文本文件, 其中每一行对应于一个像素位置。碳硅石和橄榄蜗牛壳的代表性数据展示了数据质量、收集和分析策略。

Introduction

晶体样品经常显示微米尺度上的异质性。在地球科学中, 矿物的识别, 它们的晶体结构, 以及它们在2D 系统中的相位关系, 对于理解一个特定系统的物理和化学是很重要的, 需要一个空间分辨的定量技术。例如, 可以根据局部2D 区域内的相分布来检查矿物之间的关系。这可能会影响到在岩石体内可能发生的历史和化学相互作用。或者, 一个单一矿物的物质结构可以被审查;这可能决定矿物可能已经或目前正在遭受的变形类型 (例如, 在原位变形实验的情况下, 像钻石铁砧单元的设备)。在地学中, 这些分析通常是使用扫描电子显微镜 (SEM) 与能量或波长色散 x 射线光谱 (E/WDS) 和电子背向散射衍射 (EBSD) 相结合进行的。然而, 样品的制备可能是困难的, 涉及广泛的抛光和安装真空测量。此外, EBSD 是一种表面技术, 需要相对浊的晶体, 这并不总是情况下, 地质材料可能经历了隆起, 侵蚀, 或压缩。

使用 2D x 射线 microdiffraction 和 XRF 映射的空间分辨特性, 如 ALS 的光束线12.3.2 所提供的, 是一种快速而直接的方法, 用于制作单个或多相系统的大面积图, 其中晶体尺寸在少量纳米 (在多晶样品的情况下) 到上百个微米。与其他常用技术相比, 该方法具有许多优点。不同于其他2D 晶体制图技术, 如 EBSD, microdiffraction 样品可以测量在环境条件下, 因此不需要特殊的准备, 因为没有真空室。Microdiffraction 适用于原始的水晶, 以及那些经历过严重的应变或塑性变形的晶体。像薄切片这样的样品通常被检查, 如嵌在环氧树脂中的材料, 甚至是不变的岩石或谷物。数据收集速度快, 通常小于0.5 秒/像素的劳厄衍射, 不到1分钟/像素的粉末衍射, 和小于 0.1 s/像素的 XRF。数据存储在本地, 临时存放在本地存储上, 并且更永久性地保存在国家能源研究科学计算 (NERSC) 中心, 便于下载。衍射数据处理可以在局部群上或 NERSC 群中进行, 在20分钟以下。这使得数据收集和分析的快速吞吐量, 以及与实验室仪器相比, 在短时间内进行大面积测量。

该方法具有广泛的应用价值, 在材料科学和工程中得到了广泛应用, 分析了从3维印刷金属12到太阳能电池板变形3的各种情况, 以应变拓扑材料4, 到记忆合金相变5, 到高压行为的纳米晶材料6,7。最近的地球科学项目包括分析各种石英样品中的应变8,9的火山胶凝过程10,11, 以及生物矿物, 如方解石和文石在壳和珊瑚12,13或磷灰石在牙齿14, 和额外的研究陨石相分布, 矿物结构识别的新矿物, 和塑性变形响应的高压二氧化硅也被收集。在光束线12.3.2 使用的技术适用于范围广泛的样品, 与矿物学或岩石学群落中的任何人有关。在这里, 我们概述了光束线12.3.2 的数据采集和分析协议, 并提出了几个应用, 以证明联合 XRF 和劳厄/粉 microdiffraction 技术在地球科学领域的实用性。

在进入实验细节之前, 讨论终端站的设置 (参见图 1图 4中的 Kunz) 是密切相关的。15). x 射线光束退出储存环, 并使用环形镜 (M201) 定向, 其目的是将光源重新聚焦在实验笼的入口处。它通过一组辊缝, 作为一个次要的来源点。然后 monochromatized (或不) 取决于实验类型, 然后通过一组克里斯·柯克帕特里克-贝兹 (KB) 镜像, 在通过第二套狭缝并聚焦于微米尺寸。然后光束通过一个离子室, 其信号用于确定光束强度。附着在离子室是一个针孔, 它阻止散射信号撞击到探测器上。聚焦光束然后遇到样本。样品放在一个舞台的顶部, 由8马达组成: 一组粗 (下) x, y, z 马达, 一组精细 (上部) x, y, z 马达, 和两个旋转马达 (Φ和χ)。它可以可视化与三光学摄像头: 一个低变焦, 放置在离子室的顶部, 一个具有高变焦, 放置在一个近似45°角度的 x 射线光束的平面上, 和第二个高变焦相机放置在90°角度, 关于 tx 射线光束。最后一个最适合垂直方向的样品 (例如, 用于传输模式实验), 而成像是使用附着在针孔上的楔形镜面进行的。x 射线衍射探测器位于较大的旋转阶段, 可控制探测器的角度和垂直位移。还存在一种用于收集 XRF 的硅漂移探测器。样品可以以任何方式制备, 只要所暴露的感兴趣区域 (ROI) 是平坦的 (在微米级), 并发现或覆盖在不超过50-100 µm 的 x 射线透明材料, 如聚酰亚胺胶带。

下面概述的过程描述了在反射几何中发生的实验, 并假定 z 方向是正常的样本, x 和 y 分别是水平和垂直扫描方向。然而, 由于舞台和探测器系统的灵活性, 在传输几何中进行了一些实验, 其中 x 和 z 方向为水平和垂直扫描方向, y 与直接光束平行 (见杰克逊等等10,11)。

Protocol

1. 设置光束线和收集数据 注: 校准标准和样品以同样的方式收集, 主要区别在处理方法。 装上样品并关闭实验箱。 将一个样本附加到运动底座的上半部分 (见材料表), 这样, ROI 相对于底座垂直偏移至少15毫米。注: 标准块存在于光束线中, 用于样品 < 20 毫米厚。运动学基础的下半部分永久安装在光束线的舞台系统上。 将样品?…

Representative Results

劳厄 Microdiffraction 最近对天然碳硅石 (SiC) 样品18进行了测量和分析。该样品包括一个嵌在环氧树脂插头的凝灰岩, 然后切割和抛光, 以揭露 ROI。用光学显微镜和拉曼光谱 (图 1a) 鉴定了三碳硅石颗粒。其中一粒, SiC 2 (图 1b), 被认为含有本机硅 (Si)<sup class=…

Discussion

我们提出了一种联合 x 射线衍射和 XRF 分析的晶体样品在 ALS 光束线12.3.2 的方法。虽然劳厄衍射、粉末衍射和 XRF 本身都不是新颖的方法, 但光束线12.3.2 结合了微米尺度的 x 射线光束大小、扫描阶段系统与探测器曝光触发相关联, 并全面分析软件, 以允许在实验室仪器上不可能的实验。光束线中的光子通量比实验室仪器所能达到的数量级要高一些。此外, 典型的劳厄衍射实验室仪器仅设计用于单晶体…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

本研究使用了先进光源的资源, 这是一个能源部的科学用户设施根据合同没有。DE-AC02-05CH11231。我们还想确认 Drs. l. Dobrzhinetskaya 和罗伊为碳硅石样品提供了帮助, c. 斯图尔特为她的橄榄蜗牛壳数据, h. 沈为橄榄蜗牛壳的准备, 和周和陈教授对橄榄蜗牛的 EDS 测量壳。

Materials

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

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Cite This Article
Stan, C. V., Tamura, N. Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples. J. Vis. Exp. (136), e57874, doi:10.3791/57874 (2018).

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