地球科亚博老虎机网登录学阴极发光技术

阴极发光(CL)显微镜是一种高度有效的和受人尊敬的地球科学的微量分析工具。亚博老虎机网登录这个工具通过分析作品中的矿物或宝石,发出的光由一个电子兴奋的来源。

这种技术是一个受欢迎的选择,有一个需要确定矿物来源作为地质年代学和变质改造研究的一部分。最近,这种技术也已经开始为岩相在thermobaromtery看到经常使用的应用程序。

骗子后,于1879年首次报道了阴极发光现象检查发出蓝绿色的光合成硫化钙晶体与阴极射线轰击。

在他们最初的出版物,骗子报道说,“许多天然矿物质和宝石闪耀着伟大的光辉,当高能电子束,“强调”[d] iamonds从其他地方身上闪耀着不同的颜色,比如明亮的蓝色,淡蓝色,杏色,红色,微黄发绿,橙色,和明亮的绿色。”

这份报告提供了一些最初的深入了解为什么CL是一个至关重要的微量分析工具。阴极发光的发光机制在矿物质和宝石可能代表一个复杂的过程。这些绝缘子材料通常以电子结构与广亚博网站下载泛禁止能源缺口。

尽管如此,观察到发光通常直接与微量元素杂质或晶体缺陷,与最近的事态发展在CL检测器灵敏度使微量分析ppm水平。

光子在CL过程通常被极化,波长和角分布(图1)。然而,实际地球科学应用程序倾向于把光子发射率和波长(颜色)作为光子的分布最重要的属性。亚博老虎机网登录

图1所示。光子在CL过程。图片来源:Gatan Inc .)

CL的使用变得越来越普遍在1960年代和1970年代,它看到了CL图像获得通过光学显微镜和电子洪水枪附件。

这些图片被重建的矿物形成过程,以及用于文档变更和通过其他技术生长纹理不可见。

图2显示交叉极化的例子,背散射电子和阴极发光图像获得相同的锆石(部分分解)。增长的纹理仅可见CL图像也显示出来。

图2。图片相同的锆石颗粒获得使用不同的分析技术;锆石是一种部分分解锆石Mistatin湖熔化玻璃的影响。正交偏振光学显微镜图像(a)揭示了一个核心和边缘结构与一些中部地区的不均匀性,背散射电子图像(b)使用扫描电镜揭示了分解rim和捕捉到一个核心,阴极发光图像(c)揭示了内部纹理不可见的其他成像技术。图片由迈克尔·扎内蒂,圣路易斯华盛顿大学和麦克唐奈中心空间科学、地球与行星科学部门。图片来源:Gatan Inc .)亚博老虎机网登录

有重大进展电子显微镜和CL探测器在过去50年。现在可以获得CL地图从整个1“x 2”薄片样品和空间分辨率接近纳米尺度上,由于在SEM CL。

多样化的CL探测器扫描电镜是商用,提供范围广泛的分析功能。

本文着眼于当代CL探测器的不同的操作模式,可以应用到常规地质应用中,为了简化并协助选择CL检测器的过程。

CL检测模式的SEM和地质中的应用亚博老虎机网登录

CL检测涉及到一个集中的电子束撞击样本进行调查。这个过程产生光发射的电磁波谱的近红外可见光和紫外线的波长范围。

光学检测系统用于收集和分析这个发射光。扫描电镜的电子束可以放置纳米精度。如果需要,可以在样品表面扫描逐步的方式促进CL排放分析每个步骤。

空间信息:未经过滤的成像

未经过滤的图像有时被称为多色,全色或集成成像强度。

光子发射率的空间分布是没有记录的可能性波长色散或过滤数据。数据显示为黑白图像。这些图像的灰度强度对应于测量光子速率(图3)。

图3。(a)的示意图表示过滤阴极发光情况下集成光子通量绘制像素在两个空间维度。(b)的过滤CL图像的集合的锆石颗粒暴露相关的内部结构(重新)结晶。晚一些锆石展览钢圈(箭头)的谷物外壳比核心日期以后的地质时期。图像捕获使用MiniCL™探测器。图片来源:Gatan Inc .)

可以作为基本的CL探测器photon-sensitive设备靠近样品的例如,光电倍增管(PMT)或硅二极管。根据检测设备的敏感性,未经过滤的图像可以在几秒或几十秒app亚博体育。这个简单的形式的CL映射为有限数量的应用程序提供了所有必要的信息。

CL地图是用于地质年代调查帮助可视化边缘形成后期在锆石U / Pb同位素年龄测定。

这些相对常规研究看到锆石作为地质“时钟”由于晶体结构的U掺入少量的放射性同位素在结晶及其衰变产物。

结晶锆石在经历了多个事件——例如,锆石(旧)继承锆石核发现在年轻的火成岩锆石- U / Pb同位素比率在每个结晶将随时间内运行。在这种背景下,U是固定的锆石晶体。

可能并不总是意识到这种多相结构使用光学显微镜等传统成像方法,但这仍然是必要的在确保准确的测定结果。

CL在扫描电镜的应用将使锆石选择约会的目的。

锆石不同年龄的阶段可以通过检查钢圈,显示为明亮的地区在粮食周长的未经过滤的CL图像。这些图像也允许的结论得出关于继承的起源和发展阶段与碎屑锆石相比。

光谱信息:Cl光谱(单点)

发射光的波长分布记录的地区或点暴露在扫描电镜的样品的电子束。结果数据显示通过绘制强度对波长或能量。

在这个过程中,波长和能量可以被认为是负相关的。

进入目标光谱CL探测器一般特性,结合光学分光计工作;例如,一个摄谱仪或扫描光谱仪(PMT)。

当使用光谱仪,可以捕获wavelength-resolved频谱使用像素探测器在一个收购,比如电荷耦合器件(CCD)。

CL谱也可以被扫描的波长和记录每个扫描波长的光强度。这就是所谓的wavelength-filtered频谱。

收集时间,可以捕获wavelength-resolved光谱在几秒钟几毫秒,而wavelength-filtered光谱通常需要几十秒获得。

应用程序

CL光谱可以用于微量分析。在这种背景下,CL能够揭示的存在(或缺乏)的微量元素或缺陷中心CL图像的特性。

例如,在方解石(CaCO发光₃)与锰的存在₂⁺、铅₂⁺、Ce₃⁺、铁^{3 +},Sm₃⁺和Dy^{3 +}微量元素,每个微量元素导致样品表现出不同的波长发光。

Cr^{3 +}、铁^{3 +}和锰₂⁺发光中心也一直在以水苍玉(比尔₂如果₆O₁₈)(图4)。

图4。阴极发光光谱从单点或区域的样本。(a)和b) CL频谱示意图表示捕获从一个水苍玉水晶与发光峰与Cr^{3 +}(峰值681.24和683.6分别与应用0.88和1.53 nm)和铁^{3 +}与应用110海里(720海里)。频谱使用捕获Monarc™探测器。图片来源:Gatan Inc .)

扫描电镜的电子束的地方样本进入一个充满活力的状态通过一代航空公司——电子和空穴都是免费的。CL是一个明显的机制,将样本回到地面(能量)状态通过释放光子。

CL的强度和波长许多不同因素的影响,包括:

1. 矿物的带隙能量
2. 结构性缺陷的存在,如职位空缺或混乱
3. 微量元素的浓度

这些后者中心可能会引入(mid-gap)能量状态或允许intra-ion能量转换;例如,那些在展出f轨道的稀土元素(REE)或d过渡金属的轨道。

这些mid-gap之间的电子转移发生或intra-ion状态可以直接释放光子的波长与能量的变化相对应。波长歧视(CL光谱学的形式)因此促进微量元素的检测或分化。

元素的浓度需要产生可衡量的山峰在CL光谱可能是数量级低于可衡量的在能量色散x射线微量分析——这是否执行(EDX)或wavelength-dispersive (WDX)模式。

空间和光谱信息

一些CL探测器能够收集空间和光谱信息在一个数据集。

空间信息通常需要图片或地图的形式,提供有用的见解通过对比不同阶段,可视化缺陷和分区固体的内部结构。

光谱信息,另一方面,促进了检测微量元素及微量元素的化合价和结构的位置。使用的术语来描述这种光谱数据通常取决于特定的光谱信息中包含的数据集:

Wavelength-Filtered成像

wavelength-filtered图像空间信息只有通过捕获定义的波长或波长范围极其有限。Wavelength-filtering通常是由检测光通过光的波长选择(退出)缝透射滤光片或扫描光谱仪。

光学分光计提供最灵活的选择波长和波长范围(带通),但图像生成的以这种方式往往贫穷信噪比特性和等效使用滤光器捕捉到一个图像。

这种差异主要是由于损失在每个通过光谱仪光学表面。

扫描光谱仪广泛应用,尽管这种限制,因为它是不切实际的维持数百(甚至数千)的光学过滤器与所需的传输参数。

Wavelength-filtered图像允许映射一个发射中心的空间分布。还可以捕捉图像的多个发射中心通过电子束的重复扫描。

过滤后的波长改变为每一个在这些情况下扫描。发射中心布置得井然有序排放可以映射使用这种方法。

图5显示了Dy的空间分布^{3 +}和Er^{3 +}稀土离子在熔化玻璃锆石。这些都是映射使用wavelength-filtered成像在575和400海里,分别。

图5。CL图像相同的锆石,如图2所示。图像)过滤CL图像揭示内部纹理,b)和c) wavelength-filtered CL图像分别为404和575 nm对应^{3 +}和Dy^{3 +}微量稀土离子;wavelength-filtered图像已经被切除ZrSiO处理₄背景信号在650海里。Er^{3 +}和Dy^{3 +}浓度范围10 - 300 ppm,由电子探针显微分析仪的微量分析。示意图显示立即使用的收购模式下各自的CL图像。图像捕获使用MonoCL4™精英探测器并提供由迈克尔·扎内蒂,圣路易斯华盛顿大学和麦克唐奈中心空间科学、地球与行星科学部门。图片来源:Gatan Inc .)亚博老虎机网登录

它通常可以捕获wavelength-filtered图像在几十或几百秒。

彩色成像

彩色成像看到空间信息捕获三波长对应的可见光谱的红色,绿色和蓝色的组件。这些组件然后重组形成彩色图像以类似的方式在屏幕上的彩色电视。

专业探测器——例如,ChromaCL2™探测器-能够同时捕捉彩色组件,使彩色图像捕获在一个通过电子束。

顺序扫描电子束更普遍,然而,随着颜色组件之间的信号变化导致扫描。

通常可以获取彩色图像在几十或几百秒。

应用程序

幽灵似地解决CL成像已经相当大的变质岩石学中使用的应用程序,例如,确定矿物分布和揭示中小学增长特性,比如再结晶,流体流动、变形、蚀变和矿物赘生物。

访问这些额外的光谱信息支持CL数据的准确解释。图6提供了一个示例未经过滤的CL图像深成石英,揭示CL强度较低的地区在晶粒内部和愈合骨折。

这两个区域最初似乎相当于由于他们相同的灰度强度,但颜色的应用成像揭示了非常不同的CL排放。地区毗邻愈合骨折在这个例子展示红颜色,表明再结晶在低温下(图6 b)。

图6。过滤和b)彩色阴极发光图像的同一地区的火成岩石英(深成花岗);嵌入图表代表数据采集的模式形成的彩色图像使用三个谱组件对应于红色,绿色和蓝色波长)。箭头表示两个地区的矿产,在一个未经过滤的CL图像,出现等价的。然而,额外的光谱信息的彩色图像显示,这两个地区是截然不同的,减少风险的不正确的解释。图像被ChromaCL2检测器和Juergen Schieber博士提供礼貌,伊利诺伊大学。图片来源:Gatan Inc .)

CL成像技术也被广泛应用于石英的分析,特别是在这种情况下,碎屑和自生石英都能看到。颜色CL成像促进了变质程度的评估指出继承了CL签名的情况随变质程度增加而减弱。

例如,碎屑蓝色CL颜色往往随温度增加而减弱。这些被红色色调,直到新的变质蓝色CL叠覆出现在十字石品位保证金的谷物,促使碎屑签名丢失(图7)。

图7。颜色从巴肯变质的变质石英阴极发光图像样本序列,苏格兰。彩色CL图像揭示结构差异与成绩相关的变质碎屑的褪色蓝颜色和遗传结构与温度和压力增加,直到新的变质CL特性出现在十字石品位保证金的谷物。图像被ChromaCL2检测器和Juergen Schieber博士提供礼貌,伊利诺伊大学。图片来源:Gatan Inc .)

最近这个特性允许颜色CL推断的出处页岩和泥岩使用甚至silt-sized粮食数量。

在这个特定的应用程序中,可见的颜色和纹理促进评估人口的石英颗粒是否火山,变质或深成派生。甚至可以洞察变质作用的强度。

来源的评估页岩曾经利用大部分岩石地球化学参数,但这些容易受成岩作用的偏见或风化。出处决心用SEM颜色CL雇佣高度耐药的谷物和更快速,代表整个优越的方法。

光谱成像

光谱成像技术也被称为高光谱成像或谱映射。“谱”或“高光谱图像数据集,包括空间——和spectrally-resolved信息。

这个频谱可以被理解为一个二维数组的光谱或堆wavelength-filtered图像对齐。图8提供了数据立方体的概念表示。

图8。示意图表示的高光谱图像数据立方体)显示了堆wavelength-filtered水平切片和组件光谱图像垂直列;b) wavelength-resolved收购模式,阵列探测器是用来捕获完整的CL光谱逐点详述的基础上;c) wavelength-filtered收购模式,一个光电倍增管探测器是用来捕获一个堆wavelength-filtered图像对齐。图片来源:Gatan Inc .)

“高光谱图像”这个词最初是用来描述数据立方体,大量的波长乐队(通常> 20)。这不同于颜色成像或多个wavelength-filtered成像,看到光谱信息局限于一个或几个波长。

大量的电子显微镜可以用于光谱成像和光谱信号,如x射线和电子能量损失谱。

CL光谱成像最初是在1990年代引入的,用于光电半导体材料的分析。亚博网站下载

自那时以来,它已经增加使用用于这一领域由于其能力地图发射峰波长的变化导致的空间变化等特性的合金成分、弹性应变、电场或温度。

这个特定的功能是减少分析的有益矿物质,但它确实提供了一些优势,导致其增加在地球科学中使用。亚博老虎机网登录

高光谱成像技术的优点

最明显的优势在高光谱测量CL模式是全方位的空间和光谱信息捕获在一个单一的测量,不需要先验知识的样本。

只不过在光谱图像可以被视为许多离散的wavelength-filtered地图样本,在某些情况下,可能会有小包裹体矿物中只在一个特定的波长发冷光。

这些功能可能会错过wavelength-filtered成像和光谱(点),而光谱成像方法获取这些信息。这将允许这些特性显示在以后的数据分析。

光谱成像模式的另一个显著的优势是其能力deconvolve光谱特性,允许重叠峰的强度被映射或峰值与背景分离。

这种类型的反褶积能达到的峰值拟合或多元统计分析方法的应用。

而光谱成像方法的优点是显而易见的,它已经广泛应用于材料科学和纳米光子研究,到目前为止一直只有温和的这种技术在地球科学研究。亚博老虎机网登录

这部分是由于历史上高成本的商业CL探测器光谱成像的能力。更值得注意的是,它也被必要的减少造成的映射速度,导致地图与适度的空间采样高度不切实际的收购。

例如,地图由256 x 256像素,总共包含65536像素采样1谱每秒的速度收集需要18个小时。值得庆幸的是,释放Monarc™探测器预计将在地球科学改变和改善这些实践。亚博老虎机网登录

许多商业CL系统特性的光学设计严格要求的co-alignment样本,CL系统和SEM的光轴。如果所有组件没有正确对齐,这可能会导致光> 98%的损失。

多部分的人工自然对齐过程历来高度挑战性,但Monarc探测器专门设计来解决这个严重限制所有先前spectroscopic-CL系统扫描电镜。

Monarc探测器拥有先进可靠性方法已被开发出来,以确保理想的一致性这三个组件,无论样品类型和用户的专业知识水平。

软件算法能够识别和追踪电子束扫描模式的中心,使用这个对齐CL收集镜像和带来的标本CL理想系统的焦点。

这种对齐的方法保证最优集合条件,大大降低每个光谱的采集时间,同时避免光学损失通常与失调有关。

虽然它看起来似乎是一个相对简单的升级,这种进步使得频谱成像一种实用、可行的并购方法几乎任何样本和所有用户。使用Monarc系统,即使是低发光样品石英可以定期分析等十分钟而不是数十小时。

光谱图像数据采集传统收集使用数组探测器,在像素基础上,一个(wavelength-resolved)光谱。阵列探测器能够捕获1024 - 2048波长(颜色)并行而提供高光谱分辨率(0.1 - 1海里),但这些都是限于收购率~ 5每像素女士由于阵列探测器的读出速度的限制。

各种岩石和矿物的光谱特征与自然线宽10 - 150海里一半全宽度最大,然而,远远超出大多数仪器的光谱分辨率。

Monarc检测器能够收集通过阵列探测器光谱图像,但是这个工具还提供了另一种方法来收集谱具有更高的图像采集率和光谱分辨率较低。

这种快速的方法仍然可以容纳很多矿物质的需求,而是填充的空间谱与wavelength-resolved光谱数据立方体逐点基础上,一系列的(一致)收集并被称为wavelength-filtered地图。

这次收购的方法被称为“wavelength-filtered光谱成像”。

这次收购模式认为PMT检测器采用的集合nwavelength-filtered CL图像。在每幅图像的像素时间片因此可以收集成千上万倍是可能的阵列探测器。

这种方法还允许光谱图像167波长通道30倍wavelength-resolved收集的方法。

采样波长通道的数量是用户定义的。在图9中给出的例子是一个抛光锆石颗粒需要42波长通道解决几乎所有的光谱特性,但在> 70 x高空间抽样由于所使用的方法。

图9。a) - d)两个高光谱CL数据立方体的真彩色表示相同的抛光锆石颗粒。图像)和b)被捕使用wavelength-resolved光谱成像模式,示意图如图8 b和c和d)被捕使用wavelength-filtered spectrum-imaging模式示意图如图8 c表示。图像b)和d)接近的区域包含在蓝色虚线广场图像)和b),分别。e)和f)是两个光谱图像提取的光谱图像区域所示的红色矩形c和d)。同样的光谱特性是确定在两个数据集,可以被描述为四个山峰(两个高斯和两个洛伦兹)相对应的峰值在2.15和2.51 eV^{3 +}稀土离子。两个高光谱数据立方体被抓获在150年代使用Monarc探测器。图片来源:Gatan Inc .)

它也表明,石英可以通过量化的量化thermobarometry钛微量元素浓度时利用高光谱成像技术,允许一个成功的反褶积2.72 eV峰值通常与钛相关联。

这些信息已经采购,审核并改编自Gatan Inc .提供的材料亚博网站下载

在这个来源的更多信息,请访问Gatan Inc .)