Uso de Maia para "huellas digitales" de depósitos minerales:esta imagen de color falso representa rubidio (rojo), hierro (verde), y cromo (azul) en una muestra mineral del depósito Noril'sk en Siberia, el recurso minero más grande del mundo para el níquel. El tamaño de la imagen es de 10,5 milímetros por 5,1 milímetros, 3751 x 1822 píxeles, con un tiempo de escaneo de solo 0,8 milisegundos por píxel. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
La fuente de luz nacional de sincrotrón II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. es un recurso verdaderamente internacional. Geocientíficos de Australia y Francia viajaron recientemente por todo el mundo para apuntar a los diminutos, intensos rayos de luz de rayos X en delgadas muestras de mineral rico en níquel recogidas de una mina en la lejana Siberia. Escanearon estas rodajas de material geológico para ver qué otros elementos químicos estaban asociados con el níquel. El grupo también examinó porciones de minerales cultivados en un laboratorio, y comparó los resultados de las dos series de muestras para aprender cómo se forman los depósitos de metal masivos.
Su experimento fue el primero en utilizar un detector de rayos X recién instalado, llamado Maia, montado en la línea de luz de espectroscopia de rayos X de resolución submicrónica (SRX) de NSLS-II. Científicos de todo el mundo vienen a SRX para crear imágenes de alta definición de depósitos minerales, aerosoles, algas:casi cualquier cosa que necesiten examinar con una resolución de una millonésima de metro. Maia, desarrollado por una colaboración entre NSLS-II, La División de Instrumentación de Brookhaven y la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth de Australia (CSIRO), Puede escanear áreas de muestras a escala centimétrica con una resolución de escala de micras en solo unas pocas horas, un proceso que solía llevar semanas.
"El detector Maia cambia las reglas del juego, "dijo Juergen Thieme, científico principal de la línea de luz SRX. "Milisegundos por píxel de imagen en lugar de segundos es una gran diferencia".
Los usuarios de la línea de luz SRX ahora tienen tiempo para recopilar datos detallados sobre áreas más grandes, en lugar de elegir algunas zonas en las que centrarse. Esto aumenta en gran medida la posibilidad de capturar pistas raras de "aguja en un pajar" sobre los procesos de formación de minerales, por ejemplo.
"Esto es importante cuando intentas publicar un artículo, ", dijo Thieme." Los editores quieren asegurarse de que su afirmación se base en muchos ejemplos y no en un evento aleatorio ".
"Ya hemos recopilado suficientes datos para uno, si no dos papeles, "dijo Margaux Le Vaillant, uno de los usuarios visitantes de CSIRO e investigador principal de este experimento.
Imagen del corazón del detector Maia, un chip de dos pulgadas de ancho con 384 elementos detectores de silicio en una disposición de 20 x 20, cada uno conectado a su propio amplificador de lectura. El orificio central permite que los rayos X incidentes pasen para enfocarse en la muestra, lo que permite que el detector esté muy cerca de la muestra. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
La colaboradora Giada Iacono Marziano del Centro Nacional Francés de Investigación Científica agregó, "Como ahora podemos ver una imagen más grande en detalle, podríamos ver cosas, como ciertas asociaciones elementales, que no predecimos ". Este tipo de sorpresas plantean preguntas inesperadas a los científicos, empujando su investigación en nuevas direcciones.
Siddons y sus colaboradores en Brookhaven Lab y CSIRO han proporcionado detectores Maia a fuentes de luz de sincrotrón en todo el mundo:CHESS en la Universidad de Cornell en Nueva York, PETRA-III en el laboratorio DESY en Hamburgo, Alemania, y el Sincrotrón de Australia en Melbourne. El detector de SRX ofrece la ventaja de utilizar haces de NSLS-II, la fuente de luz más brillante de su tipo en el mundo.
Toma de huellas químicas de alta velocidad
Cuando los científicos iluminan las muestras con rayos X, excitan los átomos del material. A medida que los átomos vuelven a su estado original, emiten fluorescencia, emitiendo luz de rayos X que capta el detector. Los diferentes elementos químicos emitirán diferentes longitudes de onda de luz características, por lo que este mapeo de fluorescencia de rayos X es una especie de huella química, permitiendo que el detector cree imágenes de la composición química de la muestra.
El detector Maia tiene varias características que lo ayudan a mapear muestras a altas velocidades y con gran detalle.
"Maia no 'se detiene y mide' como otros detectores, "dijo el físico Pete Siddons, quien dirigió la mitad del proyecto de Brookhaven. La mayoría de los detectores funcionan por pasos, analizar cada punto de una muestra de uno en uno, él explicó, pero el detector de Maia escanea continuamente. El equipo de Siddons ha programado a Maia con un proceso llamado análisis dinámico para separar los datos espectrales de rayos X recopilados y resolver dónde están presentes los diferentes elementos.
Los sistemas de análisis de Maia también hacen posible que los científicos vean imágenes de sus muestras aparecer en la pantalla de la computadora en tiempo real mientras Maia escanea. Si las muestras son muy similares, Maia reciclará los algoritmos de análisis dinámico que utilizó para crear imágenes de elementos múltiples a partir de las señales de fluorescencia de la primera muestra para construir las imágenes de la muestra subsiguiente en tiempo real. sin retraso computacional.
Parte de la velocidad de Maia también se puede atribuir a los 384 pequeños elementos detectores de detección de fotones que componen el gran detector. Esta gran red de sensores puede captar más rayos X reemitidos que los detectores estándar, que normalmente utilizan menos de 10 elementos. El equipo de instrumentación de Siddons diseñó chips de lectura especiales para hacer frente a la gran cantidad de sensores y permitir una detección eficiente.
La cuadrícula de detectores de 20 por 20 tiene un agujero en el medio, pero eso es intencional, Siddons explicó. "El agujero nos permite poner el detector mucho más cerca de la muestra, "Dijo Siddons. En lugar de colocar la muestra frente al haz de rayos X y el detector a un lado, Los científicos de la línea de luz SRX han alineado el haz, muestra, y detector de modo que el haz de rayos X brille a través del orificio para alcanzar la muestra. Con este arreglo, el detector cubre un gran ángulo y captura una gran fracción de rayos X fluorescentes. Esa sensibilidad permite a los investigadores escanear más rápido, que se puede utilizar para ahorrar tiempo o para reducir la intensidad de los rayos X que inciden en la muestra, reduciendo cualquier daño que los rayos pudieran causar.
Siddons señaló que el equipo está desarrollando actualmente nuevos chips de lectura para el detector, e incorporando un nuevo tipo de sensor, llamada matriz de detectores de deriva de silicio. Juntos, estos aumentarán la capacidad del detector para distinguir entre fotones de energía similar, desplegando detalles en espectros complejos y creando mapas químicos aún más precisos.
