矿物和岩石样品的同步辐射 x 射线 Microdiffraction 和荧光成像
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1、2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和图 4中的 Kunz等) 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
Representative Results
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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