Speedy-Röntgendetektor kommt bei NSLS-II an

Anonim

Die Nationale Synchrotronlichtquelle II (NSLS-II), eine DOE-Nutzerfazilität für wissenschaftliche Einrichtungen am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, ist eine wirklich internationale Ressource. Geowissenschaftler aus Australien und Frankreich wanderten kürzlich über den Globus, um die winzigen, intensiven Röntgenstrahlen des NSLS-II auf dünne Proben von nickelreichem Mineral zu richten, das aus einer Mine im fernen Sibirien stammt. Sie scannten diese Schichten von geologischem Material, um zu sehen, welche anderen chemischen Elemente mit dem Nickel in Verbindung standen. Die Gruppe untersuchte auch die in einem Labor gezüchteten Scheiben von Mineralien und verglich die Ergebnisse der beiden Probenreihen, um zu erfahren, wie sich massive Metallablagerungen bilden.

Ihr Experiment war das erste, das einen neu installierten Röntgendetektor namens Maia verwendete, der an der NSLS-II Substrahl-Spektroskopie (SRX) angebracht war. Wissenschaftler aus der ganzen Welt kommen zu SRX, um hochauflösende Bilder von Mineralablagerungen, Aerosolen und Algen zu erstellen - so gut wie alles, was sie mit einer Auflösung von einem Millionstel Meter untersuchen müssen. Maia, entwickelt in Zusammenarbeit zwischen NSLS-II, der Brookhaven Instrumentation Division und der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), kann innerhalb weniger Stunden zentimetergroße Probenbereiche im Mikrometermaßstab scannen - ein Prozess, der früher Wochen dauerte.

"Der Maia-Detektor ist ein Game-Changer", sagte Jürgen Thieme, leitender Wissenschaftler an der SRX-Beamline. "Millisekunden pro Bildpunkt statt Sekunden sind ein großer Unterschied."

SRX-Beamline-Benutzer haben jetzt Zeit, detaillierte Daten über größere Bereiche zu sammeln, anstatt einige Zonen auszuwählen, auf die sie sich konzentrieren können. Dies erhöht die Chance, seltene "Nadel im Heuhaufen" zu erfassen, beispielsweise Hinweise auf Erzbildungsprozesse.

"Dies ist wichtig, wenn Sie versuchen, eine Zeitung zu veröffentlichen", sagte Thieme. "Redakteure möchten sicherstellen, dass Ihr Anspruch auf vielen Beispielen basiert und nicht auf einem zufälligen Ereignis."

"Wir haben bereits genug Daten für ein, wenn nicht zwei Papiere gesammelt", sagte Margaux Le Vaillant, einer der Besucher von CSIRO und Hauptforscher für dieses Experiment.

Collaborateur Giada Iacono Marziano vom Französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung fügte hinzu: "Weil wir jetzt ein größeres Bild im Detail betrachten können, könnten wir Dinge sehen - wie bestimmte elementare Assoziationen - die wir nicht vorhergesagt haben." Diese Art von Überraschungen stellt Wissenschaftler vor unerwartete Fragen und treibt ihre Forschung in neue Richtungen.

Siddons und seine Mitarbeiter am Brookhaven Lab und CSIRO haben Maia-Detektoren für Synchrotronlichtquellen auf der ganzen Welt bereitgestellt - CHESS an der Cornell University in New York, PETRA-III im DESY-Labor in Hamburg und das australische Synchrotron in Melbourne. Der Detektor von SRX bietet den Vorteil, Strahlen von NSLS-II zu verwenden, der hellsten Lichtquelle seiner Art weltweit.

Hochgeschwindigkeits-Fingerabdruck mit Chemikalien

Wenn Wissenschaftler die Röntgenstrahlen auf Proben richten, regen sie die Atome des Materials an. Wenn sich die Atome in ihren ursprünglichen Zustand zurückziehen, fluoreszieren sie und emittieren Röntgenlicht, das der Detektor aufnimmt. Verschiedene chemische Elemente emittieren unterschiedliche charakteristische Wellenlängen des Lichts, so dass diese Röntgenfluoreszenzabbildung eine Art chemischer Fingerabdruck ist, der es dem Detektor ermöglicht, Bilder der chemischen Zusammensetzung der Probe zu erzeugen.

Der Maia-Detektor verfügt über mehrere Funktionen, mit denen Proben mit hoher Geschwindigkeit und Detailgenauigkeit abgebildet werden können.

"Maia hört und misst nicht wie andere Detektoren", sagte der Physiker Pete Siddons, der Brookhavens Hälfte des Projekts leitete. Die meisten Detektoren arbeiten in Schritten und analysieren jeden Punkt auf einer Probe einzeln, erklärte er, aber der Maia-Detektor scannt kontinuierlich. Das Siddons-Team hat Maia mit einem Prozess namens "Dynamische Analyse" programmiert, um die gesammelten Röntgenspektraldaten auseinander zu nehmen und herauszufinden, wo verschiedene Elemente vorhanden sind.

Die Analysesysteme von Maia ermöglichen es auch Wissenschaftlern, Bilder von ihren Proben auf dem Computerbildschirm in Echtzeit zu sehen, während Maia scannt. Wenn die Proben sehr ähnlich sind, wird Maia die dynamischen Analysealgorithmen, die zur Erzeugung von Multielementbildern aus den Fluoreszenzsignalen der ersten Probe verwendet wurden, recyceln, um die Bilder der nachfolgenden Probe in Echtzeit ohne Rechenverzögerung zu erstellen.

Ein Teil der Geschwindigkeit von Maia ist auch auf die 384 winzigen Photonen-Detektorelemente zurückzuführen, aus denen der große Detektor besteht. Dieses große Raster von Sensoren kann mehr zurückgestrahlte Röntgenstrahlen aufnehmen als Standarddetektoren, die typischerweise weniger als 10 Elemente verwenden. Das Instrumentierungsteam von Siddons entwickelte spezielle Auslese-Chips, um die große Anzahl von Sensoren zu bewältigen und eine effiziente Erkennung zu ermöglichen.

Das 20 mal 20 Raster von Detektoren hat ein Loch in der Mitte, aber das ist beabsichtigt, erklärte Siddons. "Durch das Loch können wir den Detektor der Probe viel näher bringen", sagte Siddons. Anstatt die Probe vor den Röntgenstrahl und den Detektor zur Seite zu legen, haben SRX Beamline-Wissenschaftler den Strahl, die Probe und den Detektor so ausgerichtet, dass der Röntgenstrahl durch das Loch scheint, um die Probe zu erreichen. Mit dieser Anordnung deckt der Detektor einen weiten Winkel ab und fängt einen großen Teil der fluoreszierenden Röntgenstrahlen ein. Dank dieser Empfindlichkeit können Forscher schneller scannen, um entweder Zeit zu sparen oder die Intensität der auf die Probe auftreffenden Röntgenstrahlen zu reduzieren und so die Strahlenschäden zu reduzieren.

Siddons stellte fest, dass das Team derzeit neue Auslese-Chips für den Detektor entwickelt und einen neuen Typ von Sensor einbezieht, der als Silizium-Drift-Detektor-Array bezeichnet wird. Zusammen werden sie die Fähigkeit des Detektors erhöhen, zwischen Photonen ähnlicher Energie zu unterscheiden, Details in komplexen Spektren zu entfärben und für noch genauere chemische Karten zu sorgen.

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