Caja de cristal

CrysTBox está disponible gratuitamente bajo demanda para uso no comercial por parte de particulares. La única forma segura de descargar los instaladores de CrysTBox es mediante un formulario de solicitud en el sitio web oficial. ^{[ Nota 1 ]} No se permite el uso comercial debido a la licencia de MATLAB utilizada para la compilación de CrysTBox. ^{[ 2 ]}

Además de la educación, CrysTBox se utiliza principalmente en investigación con campos de aplicación que abarcan desde la investigación nuclear ^{[ 9 ]} hasta la arqueología y la paleontología . ^{[ 10 ]} Entre otros, el conjunto se empleó en el desarrollo de fabricación aditiva (incluidas aleaciones biodegradables impresas en 3D , ^{[ 7 ]} vidrio metálico ^{[ 11 ]} o aleaciones de alta entropía ^{[ 12 ]} ), recubrimientos resistentes, ^{[ 13 ]} granallado por impacto láser , ^{[ 14 ]} tecnologías de limpieza de agua ^{[ 15 ]} o caracterización de sílex de 50 millones de años . ^{[ 10 ]}

Las instituciones cuya investigación fue apoyada por CrysTBox incluyen instalaciones educativas como ETH Zurich , ^{[ 3 ]} la Universidad de California , ^{[ 16 ]} la Universidad de Uppsala , ^{[ 13 ]} la Universidad de Oxford , ^{[ 8 ]} la Universidad de Waterloo , ^{[ 15 ]} el Instituto Indio de Tecnología , ^{[ 17 ]} la Universidad Tecnológica de Nanyang ^{[ 12 ]} o la Universidad de Tokio ^{[ 18 ]} así como institutos de investigación como los Institutos Max Planck , ^{[ 12 ]} la Academia China de Ciencias , ^{[ 6 ]} los Institutos Fraunhofer ^{[ 7 ]} o laboratorios nacionales de EE. UU. (NL) como Oak Ridge NL , ^{[ 9 ]} Lawrence Berkeley NL , ^{[ 4 ]} Idaho NL ^{[ 9 ]} y Lawrence Livermoore NL . ^{[ 14 ]}

CrysTBox se compila en instaladores independientes mediante el compilador de MATLAB . Por lo tanto, se instalan entre 1 y 2 GB de bibliotecas de MATLAB junto con la caja de herramientas.

La simulación de difracción utilizada en cellViewer se basa en la teoría de la difracción cinemática . Esto permite una respuesta en tiempo real a la interacción del usuario, pero no abarca características de difracción avanzadas como la doble difracción, que sí abarca la teoría de la difracción dinámica , aunque algunos fenómenos causados ​​por interacciones múltiples electrón-materia se visualizan con CrysTBox, como por ejemplo las líneas de Kikuchi .

Las herramientas analíticas corrigen las imperfecciones de calibración de la escala , pero no ajustan las distorsiones de la imagen, como la distorsión elíptica. Si se requiere una medición de alta precisión o si la distorsión supera los niveles estándar, se deben aplicar las herramientas adecuadas ^{[ 19 ]} antes del análisis.

CellViewer permite visualizar el material de la muestra en cuatro modos ampliamente utilizados en la investigación de materiales:

• Modelo 3D de la estructura atómica (espacio directo),
• patrón de difracción simulado ( espacio recíproco ),
• proyección estereográfica ( proyección del espacio 3D de planos y direcciones cristalográficas a 2D ),
• Figura de polo inverso (parte definida de la proyección estereográfica).

La interfaz gráfica de usuario proporciona al usuario dos vistas interactivas una al lado de la otra. Estas vistas pueden mostrar combinaciones arbitrarias de los cuatro modos de visualización mencionados, lo que permite percibir sus relaciones mutuas. Por ejemplo, la rotación de la estructura atómica en el espacio directo conduce (si así se configura) a una actualización instantánea del patrón de difracción simulado. Si se selecciona un punto de difracción, se muestran los planos cristalográficos correspondientes en la celda unitaria , etc. Estas interconexiones se implementan para cada par de los cuatro modos de visualización disponibles. La visualización electrónica permite simplificar la comprensión de representaciones ampliamente utilizadas, pero menos intuitivas, como la figura de polos inversa. Por ejemplo, dibujando el triángulo coloreado de la figura de polos inversa en la proyección estereográfica o en la estructura atómica 3D más intuitiva. ^{[ 1 ]}

• Ejemplos de diversos usos de modos de visualización con magnesio como material de muestra.
• 
  Estructura atómica 3D con planos seleccionados
• 
  Patrón de difracción con reflexiones (planos) seleccionadas.
• 
  Estructura atómica 3D con figura de polos inversa
• 
  Proyección estereográfica con figura de polos inversa
• 
  Figura de polos inversa

El ifaceViewer permite visualizar dos materiales desorientados y su interfaz, como maclas cristalinas o límites de grano . La interfaz de usuario ofrece tres vistas: dos vistas más pequeñas, cada una de las cuales muestra una celda unitaria del material y la orientación seleccionados, y una vista más grande que muestra una interfaz adecuada de las dos estructuras. La interfaz se puede visualizar en cuatro modos:

• Modelo 3D de ambas celdas unitarias,
• modelo de estructura alámbrica de ambas celdas unitarias,
• sección transversal de la interfaz,
• Representación macroscópica (hasta varios cientos de átomos).

Las tres vistas de la interfaz de usuario están interconectadas funcionalmente. Si el usuario rota el contenido de una vista, las demás se actualizan automáticamente. Si se selecciona un plano o dirección cristalográfica en una vista, este se muestra en las demás y se indican los índices cristalográficos correspondientes . La herramienta también permite resaltar la red de sitios coincidentes o calcular la lista de planos y direcciones paralelos o casi paralelos en los dos materiales desorientados. ^{[ 1 ]}

• Interfaz de dos redes de aluminio con desorientación Σ5 mostrada en cuatro modos de visualización disponibles de CrysTBox IfaceViewer.
• 
  Modelo 3D de ambas celdas unitarias
• 
  Modelo alámbrico de ambas celdas unitarias
• 
  Sección transversal de la interfaz
• 
  Representación masiva

DiffractGUI permite el análisis automatizado de patrones de difracción e imágenes de alta resolución de monocristales o un número limitado de cristalitos . Es capaz de determinar la orientación del cristal , indexar puntos de difracción individuales y medir ángulos y distancias interplanares con precisión picométrica. ^{[ 20 ]} La imagen de entrada puede representar:

• patrón de difracción de área seleccionada ,
• imagen de alta resolución ,
• patrón de nanodifracción o
• difracción de electrones de haz convergente .

La imagen de entrada se procesa en los siguientes pasos:

1. Preprocesamiento de acuerdo con la configuración y la naturaleza de la imagen ( resolución y reducción de ruido , transformada de Fourier para imágenes en el espacio directo, etc.).
2. Detección de reflexiones de difracción en varias escalas ^{[ 21 ]} ( diferencia de gaussianas típicamente utilizada para la detección de puntos, transformada de Hough ^{[ 22 ] [ 23 ]} para la detección de discos CBED ^{[ 24 ]} ).
3. Se seleccionan las detecciones más fuertes en todo el espacio de escalas .
4. Se ajusta una red regular al conjunto de las detecciones más fuertes utilizando el algoritmo RANSAC ^{[ 25 ]} .
5. Se miden las longitudes y los ángulos de los vectores base de la red .
6. La orientación de la red cristalina se determina y las reflexiones de difracción se identifican utilizando parámetros teóricos del material de la muestra. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

En comparación con la evaluación humana, diffractGUI considera decenas o incluso cientos de puntos de difracción a la vez y, por lo tanto, puede localizar el patrón con precisión subpíxel. ^{[ 20 ]}

• Pasos individuales del procedimiento automatizado ilustrados en el patrón de difracción del titanio.
• 
  Imagen de entrada
• 
  Se detectaron 30 reflexiones intensas.
• 
  Retículo regular
• 
  Base de la red y parámetros medidos
• 
  Reflexiones identificadas para el eje de zona [0  -1  1]

RingGUI permite el procesamiento automatizado de imágenes de difracción de anillos de muestras policristalinas o en polvo. Se puede utilizar para identificar los anillos de difracción, cuantificar las distancias interplanares y, por lo tanto, caracterizar o identificar el material de la muestra. Con un material conocido, puede ayudar en la calibración del microscopio . La imagen de entrada se procesa de la siguiente manera:

1. detección de bloqueo de haz,
2. localización del centro del anillo,
3. cuantificación del perfil de difracción y estimación de su intensidad de fondo,
4. identificación de los anillos ^{[ 27 ]} en la imagen (picos en el perfil).

Los resultados pueden procesarse y visualizarse posteriormente en dos elementos gráficos interactivos e interconectados funcionalmente:

• Imagen de difracción interactiva: permite al usuario mejorar la legibilidad de la imagen de difracción eliminando el bloqueador del haz, sustrayendo el fondo, revelando anillos tenues o irregulares o mediante la identificación cristalográfica de los anillos representados.
• El perfil de difracción, que representa el promedio circular de las intensidades de la imagen, muestra los picos correspondientes a los anillos y su coincidencia con los valores teóricos conocidos para el material de la muestra.

Tanto la imagen de difracción como el perfil de difracción pueden utilizarse para seleccionar anillos de difracción con un clic del ratón. El anillo correspondiente se resalta en ambas representaciones gráficas y se muestran los detalles. ^{[ 1 ]}

• Ejemplos de resultados parciales y finales presentados a través de una imagen de difracción interactiva de MgO
• 
  Imagen de entrada
• 
  Se ha detectado un bloqueador de haz.
• 
  Centro del anillo localizado
• 
  Fondo eliminado
• 
  Se ha retirado el bloqueador del haz.
• 
  Se eliminaron el fondo y el bloqueador del haz, revelándose unos tenues anillos.
• 
  Anillos identificados
• 
  Comparación de anillos experimentales y teóricos

El espesor de la muestra se puede estimar utilizando twoBeamGUI a partir de un patrón de difracción de electrones de haz convergente (CBED) en la aproximación de dos haces. ^{[ 26 ] [ 28 ]} El procedimiento se basa en una extracción automatizada del perfil de intensidad a través del disco difractado en los siguientes pasos:

1. El radio del disco de difracción se determina utilizando la transformada de Hough multiescala , ^{[ 24 ].}
2. Los discos transmitidos y difractados están localizados y la reflexión está indexada , ^{[ 26 ] [ 27 ]}
3. Los discos se alinean horizontalmente, se recortan y se miden los perfiles a través de los discos.
4. El perfil a través del disco difractado coincide con una serie de perfiles simulados automáticamente ^{[ 26 ]} para un material, reflexión y rango de espesor especificados.

Una vez finalizado el procedimiento, se muestran el perfil medido y el perfil simulado más similar, con el disco difractado sobre el fondo. Esto permite al usuario verificar la exactitud de la estimación automatizada y comprobar fácilmente la similitud de otros perfiles de intensidad dentro del rango de espesor especificado. ^{[ 1 ]}

• Pasos individuales de la estimación automatizada del espesor de una muestra de titanio.
• 
  Imagen de entrada
• 
  Discos detectados
• 
  Discos alineados con los perfiles medidos
• 
  Comparación del perfil medido (azul) y simulado (verde) para un espesor de 139 nm.

La herramienta denominada gpaGUI proporciona una interfaz interactiva para el análisis de fases geométricas . Permite generar mapas 2D de diversas cantidades cristalográficas utilizando imágenes de alta resolución. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Dado que el análisis de fase geométrica se realiza en el dominio de la frecuencia , la imagen de alta resolución debe transformarse en una representación frecuencial mediante la transformada de Fourier . Matemáticamente, la imagen frecuencial es una matriz compleja del mismo tamaño que la imagen original. Cristalográficamente, puede considerarse como un patrón de difracción artificial de la imagen original que muestra picos de intensidad correspondientes a los planos cristalográficos presentes en la imagen original. Tras realizar los cálculos necesarios, la representación frecuencial puede transformarse de nuevo al dominio espacial original mediante la transformada inversa de Fourier.

Se pueden realizar diversos análisis cristalográficos utilizando la imagen frecuencial. Si se filtra de manera que solo se utilice la información de una región cercana a un punto de difracción particular (el resto se establece en cero), una imagen directa filtrada obtenida mediante la transformada inversa de Fourier representa únicamente los planos correspondientes al punto de difracción seleccionado. Además, debido a su naturaleza compleja, la imagen frecuencial se puede utilizar para calcular la amplitud y la fase . Junto con un vector de un plano cristalográfico representado en la imagen, se pueden utilizar para generar un mapa 2D de la distancia interplanar de un plano dado. ^{[ 29 ]} Si se conocen dos vectores de planos no paralelos, el método se puede utilizar para generar mapas de deformación y desplazamiento . ^{[ 30 ]}

La interfaz gráfica de usuario de gpaGUI está dividida verticalmente en dos mitades, cada una de las cuales contiene:

• Vista previa del difractograma que permite seleccionar un punto de difracción correspondiente a un plano cristalográfico.
• Visualización de una cantidad seleccionada (imagen de entrada, imagen filtrada o uno de los mapas mencionados anteriormente) que permite seleccionar un punto de interés o una región de interés para un análisis posterior.
• Resultados del análisis detallado de un punto o región de interés. El análisis de puntos permite al usuario seleccionar cualquier píxel del mapa visualizado para ver los valores exactos de dicho píxel y su entorno más cercano . Si se requiere un análisis de un área más amplia, se puede delimitar una región poligonal en el mapa para obtener sus datos estadísticos: media , desviación estándar , mediana , mínimo, máximo y área total del polígono.

Dado que cada mitad de la interfaz permite especificar un plano cristalográfico, gpaGUI permite calcular todas las cantidades cristalográficas mencionadas, incluidas aquellas que requieren dos vectores. La precisión y repetibilidad del análisis completo dependen de la exactitud de la localización del pico de difracción. Para superar la imprecisión de la localización manual de picos (con un clic del ratón), gpaGUI ofrece la posibilidad de procesar la imagen de entrada con diffractGUI para localizar e indexar los picos con precisión. ^{[ 1 ]}

• Ejemplos de mapas 2D generados con gpaGUI a partir de imágenes de magnesio de alta resolución.
• 
  Imagen de entrada
• 
  Imagen filtrada del plano (0  1  0)
• 
  Mapa de espaciado d (0  1 0) 
• 
  Mapa del componente XX del tensor de deformación
• 
  Mapa de la componente X del vector de desplazamiento