• No results found

High Pressure X ray Imaging Techniques

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "High Pressure X ray Imaging Techniques"

Copied!
28
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

High

 

Pressure

 

X

ray

 

Imaging

 

Techniques

Wenge Yang

HPSynC,

 

Geophysical

 

Laboratory,

 

Carnegie

 

Institution

 

of

 

Washington

Ad

d Ph t

S

A

N ti

l L b

t

Advanced

 

Photon

 

Source,

 

Argonne

 

National

 

Laboratory

 

Financial Support from 

Depart of Energy‐Basic Energy Sciences

Short course on High Pressure Synchrotron Techniques, September 17, 2010

(2)

Bone X‐ray (radiography)

An x‐ray radiograph is a noninvasive medical test that helps physicians 

diagnose and treat medical conditions Imaging with x‐rays involves diagnose and treat medical conditions. Imaging with x‐rays involves 

exposing a part of the body to a small dose of ionizing radiationto 

produce pictures of the inside of the body. X‐rays are the oldest and 

most frequently used form of medical imaging.

(3)

Computed tomography (CT)

A l f i l li CT

Description Uses

An example of a single‐slice CT 

image of the brain.

Computed tomography (CT) scanning, also called 

computerized axial tomography (CAT) scanning, is 

a medical imaging procedure that uses x‐rays to 

show cross‐sectional images of the body

CT can help diagnose or rule out a 

disease or condition. CT has become 

recognized as a valuable medical tool, 

for: show cross sectional images of the body.

A CT imaging system produces cross‐sectional 

images or "slices" of areas of the body, like the 

slices in a loaf of bread. These cross‐sectional 

for:

Diagnosis of disease, trauma, or 

abnormality;

Planning, guiding, and monitoring 

images are used for a variety of diagnostic and 

therapeutic purposes.

(4)

What can we benefit from synchrotron radiation? What can we benefit from synchrotron radiation? High brilliance fast data acquisition

Coherence coherent diffraction

Polarization differential polarize enhance imaging Broad energy spectrum 

soft x‐ray imaging nanoscopes, interior of biologic, soft matter hard x‐rayy imagingg g nondestructive,, internal or hidden componentsp Time resolved  dynamic study, evolution 

High energy resolution spectroscopy

High energy resolution spectroscopy

(5)

Hard X‐ray Imaging

Nondestructive, phase contrast, scanning probe, diffraction contrast, tomography, topography Basically there are two experimental approaches:

Full field imaging and scanning probe

Full field imaging needs homogeneous illumination, while the scanning probe Full field imaging needs homogeneous illumination, while the scanning probe 

uses focusing devices to illuminate small area point by point

In both cases, there must be a physical property to give contrast. 

Th ld b i d i l i d i h i i d i

They could be magnetic domain, electric domain, phase, orientation, density, 

(6)

Orientation percolation map between substrate and film (2d scan) 2d raster‐scan on film and substrate, both crystals diffract 

simultaneously.  Indexing of the individual grain orientation 

gives the orientation maps and percolative region by small 

Ni (001) CeO2

angle grain boundries. Ni (001)

Ni CeO2 CCD 2 X‐rays Ni CeOFilm  Ni

Orientation maps produced by X‐ray microdiffraction. Black lines indicate boundaries between pixels where the total 

misorientation (including both in‐plane and out‐of plane components) is greater than 5°.Each coloured area shows a 

percolative region connected by boundaries of less than 5°.  J.D. Budai et al., “X‐ray microdiffraction study of growth 

(7)

X‐ray Imaging of Shock Waves Generated by High‐Pressure Fuel Sprays

Example 2

Time‐resolved full field imaging gives the x‐ray absorption contrast 

from the compressed SF6 gas

Time‐resolved radiographic images of fuel sprays and the shock waves generated by the sprays for time instances of 

(8)

Soft X‐ray Imaging

M tl d f bi l i t i l ft tt ti

Mostly used for biologic materials, soft matter, nanomagnetism

Cryo X‐ray tomography of whole 

yeast, S. cerevisiae, viewed using 

l i l ith

several processing algorithms 

after reconstruction.

C.A. Larabell and M.A LeGros, 

X‐ray Tomography Generates 3‐D  Reconstructions of the Yeast, 

S h i i 60

Saccharomyces cerevisiae, at 60

nm Resolution

Molecular Bio. Cell 15, 957 (04)

Vortex core – driven magnetization dynamics

Time‐resolved x‐ray imaging shows that the magnetization dynamics of a micron‐

sized pattern containing a ferromagnetic vortex is determined by its chirality Time‐resolved x‐ray  Photoemission electron microscope (PEEM)

Was used to resolve the motion of magnetic vortices of micro‐pattern in 

response to an excitation filed pulse. 

(9)

What do we learn from these imaging techniques and how to apply to high pressure ?

Diamond anvil cells Large volume press

13BM‐D 16BM‐B

Only hard x‐ray can be used to penetrate gasket, surrounding materials and sample 

(10)

In‐situ melting observation under pressure in Paris‐Edinburg Cell (hard x‐ray radiography)

Sample SeTe alloy

P lib t A bl k

1 mm

RT and 1895 PSI

Pressure calibrator Au block 1 mm S l i Sample environment X ray 503 C  and  2660 Psi 1192C  and  3836 Psi X‐ray 2660 Psi

(11)

Synchrotron x-ray DAC 3d microtomography

(12)

0 deg 45 deg

135 deg 180 deg

Sample: a ZrPd/Ag Sample: a‐ZrPd/Ag

Goal: achieving the mass density / volume measurement of amorphous materials 

(13)

First success EoS measurement of a‐Se under pressure

Pressure‐volume relations for Se. (A) The 

atomic volume change of atomic volume change of

amorphous Se under pressure determined 

from microtomography. (B) The time 

dependence of the volume change during 

Snapshot from the 3D imaging 

movie of a Se sample in a DAC at 

crystallization.

Haozhe Liu et al. “Anomalous high‐pressure 

behavior of amorphous selenium from 

10.7 GPa at various viewing angles. synchrotron x‐ray diffraction and 

(14)

Transmission x‐ray microscopy (TXM) setup at 32ID‐C and 16ID‐E CCD Sample stage condenser Nano‐focusing zone plate zone plate Beamline capabilities: Beamline capabilities:

Full field imaging with 180 degrees data collection;

(15)

Schematic of the TXM setup at 32ID‐C, 16ID‐E

(16)

Separation of Fe from (Mg,Fe)SiO3 under high P‐T 

(17)

Sample studied: single crystal Sn under pressure 2d projection view

4.7 GPa 5.7 GPa 10.6 GPa 13.7 GPa

(18)

5g72.mpg

10g61.mpg 13g72.mpg

(19)

22g2.mpg 37g.mpg 48g.mpg

(20)

Coherent X‐ray diffraction imaging of strain at the nanoscale (Bragg geometry)

Visualization of strain inside a Pb nanocrystal

(21)

Coherent diffraction imaging (CDI) on single crystal under high pressure Experimental setup at 34ID‐C APS

Experimental setup at 34ID C, APS

CCD CCD Online Ruby Panoramic DAC on a kinematical mount K‐B Mirrors

(22)

Sample:p  ~ 300 nm diameter ggold singleg  crystaly  on 15 um thick Si wafer

Gold nanoparticles on Si wafer

10 um

Average 300 nm size Au single crystals 

(23)

Online Ruby system

CCD

DAC

y y

0.05 degree/step rotation of sample

Data collected on July 14, 2010 at APS 34ID‐C

(24)

Coherent X‐ray diffraction Microscopy for nanoscience and biology(small angle geometry)

Schematic layout of coherent diffraction microscopy. The oversampled diffraction intensities are measured 

from a finite specimens, and then directly phased to obtain a high resolution image. Limitation: missing data at the center of diffraction pattern

Advantage: single‐shot imaging for 3d (could be used in x‐ray free electron lasers), non‐crystalline specimens

(25)

f d f h d Lensless imaging using coherent soft x‐ray laser beams at 47 

nm. (a) SEM image of a waving stick figure sample (scale bar = 

1 micron). (b) Coherent soft x‐ray diffraction pattern after curvature correction. (c) Reconstructed image with curvature 

correction (d) Line out of the image along the legs (shown in

Iso‐surface renderings of the reconstructed image 

from a GaN quantum dot nanoparticle, showing (a) 

the front view, (b) the back and (c) the side view. 

(d) 3D internal structures of the nanoparticle. correction. (d) Line‐out of the image along the legs (shown in 

the inset), verifying a resolution of 71 nm.

J. Miao, et al., “Three‐Dimensional GaN‐Ga2O3 Core Shell 

Structure Revealed by X‐ray Diffraction Microscopy”, Phys. 

Rev. Lett. 97, 215503 (2006). R. L. Sandberg, et al., “High Numerical Aperture Tabletop Soft X‐ray 

Diffraction Microscopy with 70 nm Resolution”, Proc. Natl. Acad. Sci. 

(26)

Full field near edge absorption contrast imaging Magnetic  probe (XMCD, XMLD, RIXS)

Emission spectroscopy mapping Emission spectroscopy mapping 

Dynamic XPCS ……

(27)

F i it hi h h t diti ll Summary

For in‐situ high pressure research, traditionally 

the x‐ray diffraction and spectroscopy are the 

two major tools.  The promising developed x‐

rayy imagingg g techniquesq  will providep  manyy waysy  

to view the evolution of sample in terms of the 

local microstructure, phase separation, 

chemical bonding, strain, magnetic domain 

etc which is complementary to other in situ etc., which is complementary to other in‐situ 

(28)

NSLS II CIW APS: Wenjun Liu Ross Harder NSLS‐II: Qun Shen Young Chu CIW: David Mao Guoyin Shen Ross Harder Junyue Wang Steve Wang Xianghui Xiao g Diamond: Ian Robinson y Lin Wang Yang Ding Malcolm Guthrie Changyong Park Francesco De Carlo Deming Shu Ian McNulty Changyong Park

Curtis Kenney‐Benson Stanford:

Wendy Mao

Financial Supported by: 

EFree‐ Energygy Frontier Research Center DOE‐BES (Basic Energy Sciences)

References

Related documents

El objeto del proyecto es la realización de una pasarela peatonal sobre el río Condomiñas a su paso por la villa de Cedeira para facilitar la conexión peatonal entre

Or, reversing the original question, did childhood health conditions for this cohort of military recruits (proxied by the child mortality index of 10-25 years prior) predict

We studied the risk of emergency caesarean delivery (CD) using blinded ultrasonographic estimated fetal weight (EFW) at 36 weeks of gestational age (wkGA): (1) to compare the

As the parents or primary caretaker of a child in the pediatric intensive care unit agrees to participate in this study, I would like a nurse involved in the care of

The AMMI ANOVA showed significant mean squares due to genotype, location and GLI for days to 50 per cent flowering, plant height, finger length and grain yield plant -1..

Figure 1: Australia’s electricity generation 2011-12 by energy source (Bureau of Resources and Energy Economics 2013); Other includes oil, bioenergy, solar PV, and multi-fuel

City of London | Community Energy Action Plan (2014 – 2018) 6 The current low costs for natural gas, used for space heating and water heating, slows down the payback rate for some

PYC 8132 Expressive Arts Therapy **No Zoom** Phoenix THURS THURS THURS THURS.