Synkrotron röntgen Microdiffraction och fluorescens avbildning av Mineral och stenprover
Summary
Vi beskriver en beamline setup tänkt att utföra snabba tvådimensionell x-ray fluorescens och röntgen microdiffraction kartläggning av enskilda kristaller eller pulver prover med hjälp av Laue (polykromatiska strålning) eller pulver (monokromatisk strålning) diffraktion. De resulterande kartorna ger information om stam, orientering, fas distribution och plastisk deformation.
Abstract
I den här rapporten beskriver vi ett detaljerat förfarande för att förvärva och bearbetning röntgen microfluorescence (μXRF), och Laue och pulver microdiffraction tvådimensionell (2D) kartor på beamline 12.3.2 av Advanced Light källa (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratorium. Mätningar kan utföras på alla prov som är mindre än 10 cm x 10 cm x 5 cm, med en plan exponerade yta. Den experimentella geometrin kalibreras med standard material (elementärt standarder för XRF och kristallina prover såsom Si, kvarts eller Al2O3 för diffraktion). Prover justeras i fokus för den röntgen microbeam, och raster genomsökningar utförs, där varje pixel av kartan motsvarar en mätning, t.ex. en XRF spektrum eller en diffraktionsmönster. Uppgifterna behandlas sedan med hjälp av internt utvecklade programvara XMAS, som utgångar textfiler, där varje rad motsvarar en pixel position. Representativa uppgifter från moissanite och en oliv snigel skal presenteras för att påvisa uppgifternas kvalitet, insamling och analys strategier.
Introduction
Kristallin prover visar ofta heterogenitet i micron skala. I geovetenskap, identifiering av mineraler, deras kristallen strukturerar och deras fas förbindelser i 2D-system är viktigt för att förstå både fysik och kemi av ett visst system och kräver en rumsligt-löst, kvantitativ teknik. Till exempel kan relationer mellan mineraler granskas utifrån fas fördelningen inom en lokaliserad 2D region. Detta kan få konsekvenser för historia och kemisk interaktion som kan ha inträffat inom en stenig kropp. Alternativt kan material strukturen på ett enda mineral undersökas. Detta kan bestämma vilka typer av deformation som mineral kan ha varit eller är för närvarande utsätts för (så som i fallet med ett i situ deformation experiment med en enhet som cellen diamond anvil). I geovetenskap utförs dessa analyser ofta med en kombination av svepelektronmikroskopi (SEM) med energi eller våglängd dispersive x-ray spektroskopi (E/WDS) och backscatter diffraktion (EBSD). Provberedning kan dock vara svårt, som inbegriper omfattande polering och montering för vakuum mätningar. EBSD är också en yta teknik som kräver relativt otränat kristaller, vilket inte alltid är fallet för geologiska material som kan ha upplevt landhöjning, erosion eller komprimering.
Rumsligt-löst karakterisering använder 2D röntgen microdiffraction och XRF kartläggning, som finns på beamline 12.3.2 av ALS, är ett snabbt och enkelt sätt att göra stort område kartor över enkel- eller flerfasiga systemen där crystal storlek är på skalan av en några nanometer (vid polykristallina prover) till hundratals mikrometer. Denna metod har många fördelar jämfört med andra vanliga tekniker. Till skillnad från andra 2D crystal kartläggning tekniker, såsom EBSD, microdiffraction prover kan mätas på omgivningsförhållanden, och således kräver inte speciell beredning som det finns ingen vakuumkammare. Microdiffraction är lämplig för kristaller som är orörda samt de som har upplevt svåra påfrestningar eller plastisk deformation. Prover som tunnslip undersöks vanligen, som är material som är inbäddade i epoxi, eller ens obearbetade stenar eller korn. Datainsamlingen är snabb, oftast mindre än 0,5 s/pixel för Laue diffraktion, mindre än 1 min/pixel för pulver diffraktion och mindre än 0,1 s/pixel för XRF. Data lagras lokalt, tillfälligt på en lokal lagring och mer permanent på stadens nationella energi forskning vetenskapliga Computing (NERSC), varifrån det är lätt att ladda ner. Databehandling för diffraktion kan utföras på ett lokalt kluster eller i en NERSC kluster i under 20 min. Detta möjliggör snabb genomströmning i datainsamling och analys, och för stort område mätningar över en kort period tid jämfört med laboratorieutrustning.
Denna metod har en mängd olika applikationer och har använts i stor utsträckning, särskilt i materialvetenskap och teknik, att analysera allt från 3D-tryckt metaller1,2, solpanel deformation3, till stam i topologiska material4, till minne legering fas övergångar5, till beteendet högtrycks av nanokristallin material6,7. Senaste geovetenskap projekt inkluderar analys av stam i olika kvarts prover8,9 vulkaniska cementbaserade processer10,11, och också av biominerals såsom kalcit, aragonit i snäckor och koraller12,13 eller apatit i tänder14, och ytterligare studier på meteorit fas distribution, mineral struktur identifiering av nya mineraler och plastisk respons i högtrycks kiseldioxid har också samlats. De tekniker som används vid beamline 12.3.2 är tillämpliga på ett stort antal prover, relevanta för någon i de mineralogiska eller petrologiska samhällena. Här beskriver vi data förvärv och analys protokollet för beamline 12.3.2, och flera ansökningar för att påvisa nyttan av den kombinera XRF och Laue/pulver microdiffraction tekniken inom geovetenskap.
Innan vi går in på experimentella detaljer, det är relevant att diskutera inställningen av slut-stationen (se figur 1 och figur 4 i Kunz o.a. 15). röntgen balken avslutar lagring ringen och riktas med en toroidal-spegel (M201), vars syfte är att fokusera om källan vid ingången till den experimentella hutch. Den passerar genom en uppsättning rulle slitsar som fungerar som en sekundär källa. Det är sedan monochromatized (eller inte) beroende på typ av experiment, innan passerar genom en andra uppsättning slitsar och fokuseras till micron storlekar av en uppsättning Kirkpatrick-Baez (KB) speglar. Strålen passerar sedan genom en ion kammare, vars signal används för att bestämma beam intensitet. Bifogat till ion kammaren är ett hål, som blockerar spridda signal från inkräkta på detektorn. Den fokuserade strålen möten sedan provet. Provet är placerad ovanpå ett skede, som består av 8 motorer: en uppsättning grov (lägre) x, y, z motorer, en uppsättning fina (övre) x, y, z motorer och två rotation motorer (Φ och χ). Det kan visualiseras med tre optiska kameror: en med låg zoom, placeras överst på ion kammaren, en med hög zoom, placeras i ett plan på en ca 45° vinkel med avseende på röntgen balken, och en andra hög-zoom kamera placerad i 90 ° vinkel med avseende på t Han Röntga beam. Det sista man fungerar bäst för prover som är orienterad vertikalt (till exempel när det gäller en överföring läge experiment) och imaging utförs med hjälp av en kilformad spegel bifogas pinhole. Röntgendiffraktion detektorn ligger på en stor roterande scen, och både vinkeln och den vertikala förskjutningen av detektorn kan styras. Det finns också en silicon drift detektor att samla XRF. Prover kan vara beredd på något sätt, så länge som regionen utsatt av intresse (ROI) är platt (på skalan micron) och avslöjat eller omfattas av mer än ~ 50-100 µm av röntgen transparent material såsom polyimid tejp.
Nedan beskrivs ett experiment som äger rum i reflekterande geometri, och förutsätter z riktning är normalt att det provet och x och y är de horisontell och vertikal skanning riktningarna, respektive. På grund av flexibiliteten i systemet för scenen och detektor, dock några experiment utförs i överföring geometri, där x- och z riktningar är de horisontell och vertikal skanning riktningarna, medan y är parallell med direkt helljus (se Jackson et al. 10 , ( 11).
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterar en metod för kombinerade röntgendiffraktion och XRF analys av kristallina prover på ALS beamline 12.3.2. Medan varken Laue diffraktion, pulver diffraktion eller XRF själva är nya metoder, beamline 12.3.2 kombinerar dem liksom en micron-skala x-ray balk storlek, en scanning stegssystem som är korrelerad till detektorn exponering utlösare och en omfattande analysprogram för experiment som inte skulle vara möjligt på laboratoriet instrument. Photon flux på beamline är flera tiopotenser högre än …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning används resurser av Advanced Light källan, som inte är en DOE Office av vetenskap användaren anläggning enligt avtal. DE-AC02-05CH11231. Vi vill också uppmärksamma Drs. L. Dobrzhinetskaya och E. O’Bannon bidra moissanite provet, C. Stewart för hennes oliv snigel skal data, H. Shen för att förbereda oliv snigel skal, och G. Zhou och Prof. K. Chen för EDS mätningar på oliv snigeln Shell.
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 |
References
- Li, Y., et al. A synchrotron study of defect and strain inhomogeneity in laser-assisted three-dimensionally-printed Ni-based superalloy. Applied Physics Letters. 107 (18), 181902 (2015).
- Zhou, G., et al. Real-time microstructure imaging by Laue microdiffraction: A sample application in laser 3D printed Ni-based superalloys. Scientific Reports. 6, 28144 (2016).
- Tippabhotla, S. K., et al. Synchrotron X-ray Micro-diffraction – Probing Stress State in Encapsulated Thin Silicon Solar Cells. Procedia Engineering. 139, 123-133 (2016).
- Xu, C. Z., et al. Elemental Topological Dirac Semimetal: α-Sn on InSb(111) . Phys Rev Lett. 118 (14), 146402 (2017).
- Chen, X., Tamura, N., MacDowell, A., James, R. D. In-situ characterization of highly reversible phase transformation by synchrotron X-ray Laue microdiffraction. Appl Phys Lett. 108 (21), 211902 (2016).
- Zhou, X., et al. Reversal in the Size Dependence of Grain Rotation. Phys Rev Lett. 118 (9), 096101 (2017).
- Stan, C. V., Beavers, C. M., Kunz, M., Tamura, N. X-Ray Diffraction under Extreme Conditions at the Advanced Light Source. Quantum Beam Science. 2 (1), 4 (2018).
- Chen, K., Kunz, M., Tamura, N., Wenk, H. R. Residual stress preserved in quartz from the San Andreas Fault Observatory at Depth. Geology. 43 (3), 219-222 (2015).
- Chen, K., Kunz, M., Tamura, N., Wenk, H. R. Evidence for high stress in quartz from the impact site of Vredefort, South Africa. Eur J Mineral. 23 (2), 169-178 (2011).
- Jackson, M. D., et al. Material and Elastic Properties of Al-Tobermorite in Ancient Roman Seawater Concrete. J Am Ceram Soc. 96 (8), 2598-2606 (2013).
- Jackson, M. D., et al. Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete. Am Mineral. 102 (7), 1435-1450 (2017).
- Gilbert, P. U. P. A., et al. Nacre tablet thickness records formation temperature in modern and fossil shells. Earth Planet Sc Lett. 460, 281-292 (2017).
- Mass, T., et al. Amorphous calcium carbonate particles form coral skeletons. P Natl Acad Sci. 114 (37), E7670-E7678 (2017).
- Marcus, M. A., et al. Parrotfish Teeth: Stiff Biominerals Whose Microstructure Makes Them Tough and Abrasion-Resistant To Bite Stony Corals. ACS Nano. 11 (12), 11856-11865 (2017).
- Kunz, M., et al. A dedicated superbend x-ray microdiffraction beamline for materials, geo-, and environmental sciences at the advanced light source. Rev Sci Instrum. 80 (3), 035108 (2009).
- Beckhoff, B., Kanngießer, B., Langhoff, N., Wedell, R., Wolff, H. . Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis. , (2007).
- Tamura, N. XMAS: A Versatile Tool for Analyzing Synchrotron X-ray Microdiffraction Data. Strain and Dislocation Gradients from Diffraction. , 125-155 (2014).
- Dobrzhinetskaya, L., et al. Moissanite (SiC) with metal-silicide and silicon inclusions from tuff of Israel: Raman spectroscopy and electron microscope studies. Lithos. , (2017).
- Thibault, N. W. Morphological and structural crystallography and optical properties of silicon carbide (SiC): Part II: Structural crystallography and optical properties. American Mineralogist. 29 (9-10), 327-362 (1944).
- . . Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. , (2009).
