National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility vid US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, är en verkligt internationell resurs. Geoforskare från Australien och Frankrike vandrade nyligen över hela världen för att rikta NSLS-II:s lilla, intensiva strålar av röntgenljus vid tunna prover av nickelrikt mineral samlat från en gruva i Sibirien långt borta. De skannade dessa skivor av geologiskt material för att se vilka andra kemiska grundämnen som var associerade med nickel. Gruppen undersökte också skivor av mineraler odlade i ett labb, och jämförde resultaten från de två provsviterna för att ta reda på hur massiva metallavlagringar bildas.

Deras experiment var det första som använde en nyinstallerad röntgendetektor, kallas Maia, monterad vid NSLS-II:s Submicron Resolution X-Ray Spectroscopy (SRX) strållinje. Forskare från hela världen kommer till SRX för att skapa högupplösta bilder av mineralfyndigheter, aerosoler, alger – nästan allt de behöver undersöka med en miljondelsmeters upplösning. Maia, utvecklad av ett samarbete mellan NSLS-II, Brookhavens Instrumentation Division och Australiens Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), kan skanna provområden i centimeterskala i mikronskala upplösning på bara några timmar – en process som brukade ta veckor.

"Maia-detektorn är en spelväxlare, sade Jürgen Thieme, ledande forskare vid SRX beamline. "Millisekunder per bildpixel istället för sekunder är en enorm skillnad."

SRX beamline-användare har nu tid att samla in detaljerad data om större områden, istället för att välja några få zoner att fokusera på. Detta ökar avsevärt chansen att fånga sällsynta "nål i en höstack" ledtrådar till malmbildningsprocesser, till exempel.

"Det här är viktigt när du försöker publicera en tidning, " sa Thieme. "Redaktörer vill försäkra sig om att ditt påstående är baserat på många exempel och inte på en slumpmässig händelse."

"Vi har redan samlat tillräckligt med data för en, om inte två papper, sa Margaux Le Vaillant, en av de besökande användarna från CSIRO och huvudutredare för detta experiment.

Samarbetspartner Giada Iacono Marziano från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning tillade, "Eftersom vi nu kan titta på en större bild i detalj, vi kan se saker - som vissa elementära associationer - som vi inte förutspådde." Den här typen av överraskningar ställer oväntade frågor till forskare, driva sin forskning i nya riktningar.

Siddons och hans medarbetare vid Brookhaven Lab och CSIRO har tillhandahållit Maia-detektorer till synkrotronljuskällor runt om i världen – CHESS vid Cornell University i New York, PETRA-III vid DESY-laboratoriet i Hamburg, Tyskland, och Australian Synchrotron i Melbourne. Detektorn på SRX erbjuder fördelen med att använda strålar från NSLS-II, den ljusaste ljuskällan i sitt slag i världen.

Kemisk fingeravtryck i hög hastighet

När forskare lyser med röntgenstrålar vid prover, de exciterar materialets atomer. När atomerna slappnar av tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd fluorescerar de, avger röntgenljus som detektorn fångar upp. Olika kemiska grundämnen kommer att avge olika karakteristiska våglängder av ljus, så denna röntgenfluorescenskartläggning är ett slags kemiskt fingeravtryck, så att detektorn kan skapa bilder av provets kemiska sammansättning.

Maia-detektorn har flera funktioner som hjälper den att kartlägga prover vid höga hastigheter och i fina detaljer.

"Maia "stoppar och mäter" inte som andra detektorer, sade fysikern Pete Siddons, som ledde Brookhavens halva projektet. De flesta detektorer fungerar i steg, analysera varje punkt på ett prov en i taget, han förklarade, men Maia-detektorn skannar kontinuerligt. Siddons team har programmerat Maia med en process som kallas dynamisk analys för att plocka isär röntgenspektraldata som samlats in och lösa var olika element är närvarande.

Maias analyssystem gör det också möjligt för forskare att se bilder av deras prover visas på datorskärmen i realtid när Maia skannar. Om proverna är mycket lika, Maia kommer att återvinna de dynamiska analysalgoritmerna som den använde för att skapa bilder med flera element från det första provets fluorescenssignaler för att bygga det efterföljande provets bilder i realtid, utan beräkningsfördröjning.

En del av Maias hastighet kan också tillskrivas de 384 små fotonavkännande detektorelementen som utgör den stora detektorn. Detta stora rutnät av sensorer kan ta upp mer återutsända röntgenstrålar än vanliga detektorer, som vanligtvis använder mindre än 10 element. Siddons instrumenteringsteam designade speciella avläsningschips för att hantera det stora antalet sensorer och möjliggöra effektiv detektering.

Detektorernas 20x20-rutnät har ett hål i mitten, men det är avsiktligt, Siddons förklarade. "Hålet låter oss placera detektorn mycket närmare provet, " sa Siddons. Istället för att placera provet framför röntgenstrålen och detektorn åt sidan, SRX strållinjeforskare har riktat in strålen, prov, och detektor så att röntgenstrålen lyser genom hålet för att nå provet. Med detta arrangemang, detektorn täcker en vid vinkel och fångar en stor del av fluorescerande röntgenstrålar. Den känsligheten gör det möjligt för forskare att skanna snabbare, som kan användas antingen för att spara tid eller för att minska intensiteten av röntgenstrålar som träffar provet, minskar eventuella skador som strålarna kan orsaka.

Siddons noterade att teamet för närvarande utvecklar nya avläsningschips för detektorn, och införliva en ny typ av sensor, kallas en kiseldriftdetektoruppsättning. Tillsammans kommer dessa att öka detektorns förmåga att skilja mellan fotoner med liknande energi, utvecklar detaljer i komplexa spektra och ger ännu mer exakta kemiska kartor.