Utilisation de Maia pour « empreinter chimiquement » les gisements minéraux :cette image en fausses couleurs représente le rubidium (rouge), fer (vert), et du chrome (bleu) dans un échantillon minéral du gisement de Noril'sk en Sibérie, la plus grande ressource minière au monde pour le nickel. La taille de l'image est de 10,5 millimètres sur 5,1 millimètres, 3751 x 1822 pixels, avec un temps de balayage de seulement 0,8 milliseconde par pixel. Crédit :Département américain de l'énergie
La source nationale de lumière synchrotron II (NSLS-II), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, est une ressource véritablement internationale. Des géoscientifiques d'Australie et de France ont récemment parcouru le monde pour viser le minuscule, faisceaux intenses de rayons X sur de minces échantillons de minéraux riches en nickel recueillis dans une mine de la lointaine Sibérie. Ils ont scanné ces tranches de matériau géologique pour voir quels autres éléments chimiques étaient associés au nickel. Le groupe a également examiné des tranches de minéraux cultivés en laboratoire, et comparé les résultats des deux séries d'échantillons pour apprendre comment se forment des gisements de métaux massifs.
Leur expérience a été la première à utiliser un détecteur de rayons X nouvellement installé, appelé Maia, monté sur la ligne de faisceau de spectroscopie à rayons X à résolution submicronique (SRX) du NSLS-II. Des scientifiques du monde entier viennent à SRX pour créer des images haute définition de gisements minéraux, aérosols, les algues - à peu près tout ce qu'ils doivent examiner avec une résolution au millionième de mètre. Maïa, développé par une collaboration entre NSLS-II, La division Instrumentation de Brookhaven et l'Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO), peut numériser des zones d'échantillons à l'échelle centimétrique à une résolution à l'échelle du micron en quelques heures seulement, un processus qui prenait auparavant des semaines.
"Le détecteur Maia change la donne, " a déclaré Juergen Thieme, scientifique principal de la ligne de lumière SRX. « Millisecondes par pixel d'image au lieu de secondes est une énorme différence. »
Les utilisateurs de la ligne de lumière SRX ont désormais le temps de collecter des données détaillées sur de plus grandes zones, plutôt que de choisir quelques zones sur lesquelles se concentrer. Cela augmente considérablement les chances de capturer des indices rares « une aiguille dans une botte de foin » sur les processus de formation du minerai, par exemple.
« Ceci est important lorsque vous essayez de publier un article, " a déclaré Thieme. " Les rédacteurs veulent s'assurer que votre affirmation est basée sur de nombreux exemples et non sur un événement aléatoire. "
"Nous avons déjà rassemblé assez de données pour un, sinon deux papiers, " dit Margaux Le Vaillant, l'un des utilisateurs invités du CSIRO et chercheur principal de cette expérience.
Image du cœur du détecteur Maia, une puce de deux pouces de large avec 384 éléments détecteurs en silicium dans un agencement de 20 x 20, chacun connecté à son propre amplificateur de lecture. Le trou central laisse passer les rayons X incidents pour se focaliser sur l'échantillon, ce qui permet au détecteur d'être très proche de l'échantillon. Crédit :Département américain de l'énergie
Le collaborateur Giada Iacono Marziano du Centre national français de la recherche scientifique a ajouté, "Parce que nous pouvons maintenant regarder une image plus grande en détail, nous pourrions voir des choses - comme certaines associations élémentaires - que nous n'avions pas prédites. » Ce genre de surprises pose des questions inattendues aux scientifiques, pousser leurs recherches dans de nouvelles directions.
Siddons et ses collaborateurs du Brookhaven Lab et du CSIRO ont fourni des détecteurs Maia aux sources de lumière synchrotron du monde entier — CHESS à l'Université Cornell à New York, PETRA-III au laboratoire DESY à Hambourg, Allemagne, et le synchrotron australien à Melbourne. Le détecteur de SRX offre l'avantage d'utiliser des faisceaux de NSLS-II, la source de lumière la plus brillante du genre au monde.
Empreinte chimique à grande vitesse
Lorsque les scientifiques braquent les faisceaux de rayons X sur des échantillons, ils excitent les atomes du matériau. Lorsque les atomes se détendent pour revenir à leur état d'origine, ils deviennent fluorescents, émettant des rayons X que le détecteur capte. Différents éléments chimiques émettront différentes longueurs d'onde caractéristiques de la lumière, donc cette cartographie de fluorescence X est une sorte d'empreinte chimique, permettant au détecteur de créer des images de la composition chimique de l'échantillon.
Le détecteur Maia possède plusieurs fonctionnalités qui l'aident à cartographier les échantillons à grande vitesse et avec des détails fins.
"Maia ne 's'arrête pas et ne mesure' pas comme les autres détecteurs, " a déclaré le physicien Pete Siddons, qui a dirigé la moitié du projet de Brookhaven. La plupart des détecteurs fonctionnent par étapes, analyser chaque point sur un échantillon un à la fois, il expliqua, mais le détecteur Maia scanne en continu. L'équipe de Siddons a programmé Maia avec un processus appelé analyse dynamique pour séparer les données spectrales de rayons X collectées et déterminer où différents éléments sont présents.
Les systèmes d'analyse de Maia permettent également aux scientifiques de regarder les images de leurs échantillons apparaître sur l'écran de l'ordinateur en temps réel lors des scans de Maia. Si les échantillons sont très similaires, Maia recyclera les algorithmes d'analyse dynamique qu'elle a utilisés pour créer des images multi-éléments à partir des signaux de fluorescence du premier échantillon pour construire les images de l'échantillon suivant en temps réel, sans décalage de calcul.
Une partie de la vitesse de Maia est également attribuable aux 384 minuscules éléments de détection de photons qui composent le grand détecteur. Cette grande grille de capteurs peut capter plus de rayons X réémis que les détecteurs standards, qui utilisent généralement moins de 10 éléments. L'équipe d'instrumentation de Siddons a conçu des puces de lecture spéciales pour gérer le grand nombre de capteurs et permettre une détection efficace.
La grille de 20 par 20 détecteurs a un trou au milieu, mais c'est intentionnel, Siddons a expliqué. "Le trou permet de rapprocher le détecteur beaucoup plus de l'échantillon, " dit Siddons. Plutôt que de placer l'échantillon devant le faisceau de rayons X et le détecteur sur le côté, Les scientifiques de la ligne de lumière SRX ont aligné le faisceau, échantillon, et détecteur de sorte que le faisceau de rayons X traverse le trou pour atteindre l'échantillon. Avec cette disposition, le détecteur couvre un grand angle et capture une grande partie des rayons X fluorescents. Cette sensibilité permet aux chercheurs de scanner plus rapidement, qui permet soit de gagner du temps, soit de diminuer l'intensité des rayons X frappant l'échantillon, réduire les dommages que les rayons pourraient causer.
Siddons a noté que l'équipe développe actuellement de nouvelles puces de lecture pour le détecteur, et intégrant un nouveau type de capteur, appelé réseau de détecteurs de dérive au silicium. Ensemble, ils augmenteront la capacité du détecteur à distinguer les photons d'énergie similaire, dépliant les détails dans des spectres complexes et créant des cartes chimiques encore plus précises.
