Hurtig røntgendetektor ankommer til NSLS-II

National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, er en virkelig international ressource. Geovidenskabsmænd fra Australien og Frankrig vandrede for nylig over hele kloden for at sigte mod NSLS-II's lille, intense stråler af røntgenlys ved tynde prøver af nikkelrigt mineral indsamlet fra en mine i det fjerne Sibirien. De scannede disse skiver af geologisk materiale for at se, hvilke andre kemiske grundstoffer der var forbundet med nikkel. Gruppen undersøgte også skiver af mineraler dyrket i et laboratorium, og sammenlignede resultater fra de to prøvesuiter for at lære, hvordan massive metalaflejringer dannes.

Deres eksperiment var det første, der brugte en nyinstalleret røntgendetektor, kaldet Maia, monteret ved NSLS-II's Submicron Resolution X-Ray Spectroscopy (SRX) strålelinje. Forskere fra hele verden kommer til SRX for at skabe high-definition billeder af mineralforekomster, aerosoler, alger - næsten alt, hvad de skal undersøge med en milliontedel af en meter opløsning. Maia, udviklet i et samarbejde mellem NSLS-II, Brookhavens Instrumentation Division og Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), kan scanne prøveområder i centimeterskala ved opløsning i mikronskala på blot et par timer - en proces, der plejede at tage uger.

"Maia-detektoren er en game-changer, sagde Jürgen Thieme, ledende videnskabsmand ved SRX beamline. "Millisekunder pr. billedpixel i stedet for sekunder er en enorm forskel."

SRX beamline-brugere har nu tid til at indsamle detaljerede data om større områder, frem for at vælge nogle få zoner at fokusere på. Dette øger i høj grad chancen for at fange sjældne "nål i en høstak" spor til malmdannelsesprocesser, for eksempel.

"Dette er vigtigt, når du prøver at udgive et papir, " sagde Thieme. "Redaktører vil gerne sikre sig, at din påstand er baseret på mange eksempler og ikke en tilfældig begivenhed."

"Vi har allerede samlet nok data til en, hvis ikke to papirer, sagde Margaux Le Vaillant, en af ​​de besøgende brugere fra CSIRO og hovedefterforsker for dette eksperiment.

Samarbejdspartner Giada Iacono Marziano fra det franske nationale center for videnskabelig forskning tilføjede, "Fordi vi nu kan se på et større billede i detaljer, vi kan se ting - som visse elementære associationer - som vi ikke forudsagde." Disse slags overraskelser stiller uventede spørgsmål til videnskabsmænd, skubbe deres forskning i nye retninger.

Siddons og hans samarbejdspartnere ved Brookhaven Lab og CSIRO har leveret Maia-detektorer til synkrotronlyskilder rundt om i verden – CHESS ved Cornell University i New York, PETRA-III på DESY-laboratoriet i Hamborg, Tyskland, og den australske synkrotron i Melbourne. Detektoren på SRX tilbyder fordelen ved at bruge stråler fra NSLS-II, den klareste lyskilde af sin art i verden.

Højhastigheds kemisk fingeraftryk

Når videnskabsmænd lyser røntgenstrålerne ved prøver, de exciterer materialets atomer. Når atomerne slapper af tilbage til deres oprindelige tilstand, fluorescerer de, udsender røntgenlys, som detektoren opfanger. Forskellige kemiske grundstoffer vil udsende forskellige karakteristiske bølgelængder af lys, så denne røntgenfluorescenskortlægning er en slags kemisk fingeraftryk, gør det muligt for detektoren at skabe billeder af prøvens kemiske sammensætning.

Maia-detektoren har flere funktioner, der hjælper den med at kortlægge prøver ved høje hastigheder og i fine detaljer.

"Maia 'stopper og måler' ikke som andre detektorer, " sagde fysiker Pete Siddons, der ledede Brookhavens halvdel af projektet. De fleste detektorer arbejder i trin, analysere hvert sted på en prøve en ad gangen, forklarede han, men Maia-detektoren scanner løbende. Siddons' team har programmeret Maia med en proces kaldet dynamisk analyse til at adskille de indsamlede røntgenspektraldata og afgøre, hvor forskellige elementer er til stede.

Maias analysesystemer gør det også muligt for forskere at se billeder af deres prøver vises på computerskærmen i realtid, mens Maia scanner. Hvis prøverne er meget ens, Maia vil genbruge de dynamiske analysealgoritmer, den brugte til at skabe multi-element billeder fra den første prøves fluorescenssignaler for at bygge den efterfølgende prøves billeder i realtid, uden beregningsforsinkelse.

En del af Maias hastighed kan også tilskrives de 384 bittesmå foton-følende detektorelementer, der udgør den store detektor. Dette store gitter af sensorer kan opfange flere genudsendte røntgenstråler end standarddetektorer, som typisk bruger mindre end 10 elementer. Siddons' instrumenteringsteam designede specielle udlæsningschips til at håndtere det store antal sensorer og muliggøre effektiv detektion.

20 x 20 gitteret af detektorer har et hul i midten, men det er med vilje Siddons forklarede. "Hullet lader os sætte detektoren meget tættere på prøven, " sagde Siddons. I stedet for at placere prøven foran røntgenstrålen og detektoren ud til siden, SRX-strålelinjeforskere har justeret strålen, prøve, og detektor, så røntgenstrålen skinner gennem hullet for at nå prøven. Med denne ordning, detektoren dækker en vid vinkel og fanger en stor del af fluorescerede røntgenstråler. Denne følsomhed gør det muligt for forskere at scanne hurtigere, som kan bruges enten til at spare tid eller til at skære ned på intensiteten af ​​røntgenstråler, der rammer prøven, reducere eventuelle skader, som strålerne kan forårsage.

Siddons bemærkede, at holdet i øjeblikket er ved at udvikle nye udlæsningschips til detektoren, og inkorporerer en ny type sensor, kaldet en siliciumdriftdetektorarray. Tilsammen vil disse øge detektorens evne til at skelne mellem fotoner med lignende energi, udfolder detaljer i komplekse spektre og giver endnu mere nøjagtige kemiske kort.