EBSP Indexer - Using and open-source dictionary indexing software for phase differentiation

Abstract

Denne oppgaven presenterer utviklingen av en gratis programvare for analyse av tilbakespredte elektron diffraksjonsmønster (EBSD) kalt EBSP Indexer. Prosjektet er resultatet av et felles utviklingsarbeid av et team på tre studenter, E. Østvold, O. Leth-Olsen og H. Relling, som en del av deres masteroppgaver. Denne oppgaven dekker forfatterens hovedbidrag til versjon 0.1.0 som ble distribuert for nedlastning i mai 2023.

Programvaren er skrevet i Python og bruker PySide6-biblioteket for å bygge brukergrensesnittet og kikuchipy-biblioteket for EBSD-analysefunksjonaliteten. Prosjektet er åpen kildekode, og fullstendig kildekode og dokumentasjon er gjort tilgjengelig på GitHub, med mål om å legge til rette for fremtidig utvikling av programvaren av interesserte parter.

Denne oppgaven fokuserer hovedsakelig på implementeringen av indiseringsmetoden Dictionary Indexing (DI), en indiseringsmetode som baserer seg på bruken av et bibliotek med simulerte diffraksjonsmønser for å bestemme kornorientering og fase. I tillegg presenteres implementeringen av verktøy for å velge ut et mindre område av et EBSD skann samt et verktøy for interaktiv undersøkelse av EBSD-datasett både før og etter indisering. Som en del av utviklingsprosessen har det i tillegg blitt utarbeidet en omfattende brukermanual som kan lastes ned sammen med programvaren.

DI-implementeringen blir testet på en Al-10wt%Si-prøve og viser hvordan DI kan brukes til fasedifferensiering av to lignende krystallstrukturer, noe som konvensjonell Hough-indeksering (HI) har problemer med. Den samme DI-implementeringen blir også brukt for fasedifferensiering i en super-duplex rustfritt stål (SDSS)-prøve med sigma- og chi-presipitater, og viser hvordan modulen fungerer godt med flere faser.

Til slutt presenteres en metode for å finne projeksjonssenteret (PC) fra arbeidsavstanden (WD) for et spesifikt SEM/EBSD-detektoroppsett. Metoden baserer seg på det observerte lineære forholdet mellom PC-koordinatene og WD, og en kalibreringslinje kan deretter beregnes for alle tre PC-koordinater (pc_x, pc_y, pc_z) ved interpolasjon mellom to PC-koordinater bestemt ved to arbeidsavstander. Det vises at PC-koordinatene gitt ved mellomliggende arbeidsavstander er relativt nøyaktige og i mange tilfeller kan brukes direkte for indisering. Denne metoden er implementert som et eget kalibreringsverktøy i EBSP Indexer.

This work presents the development of a free software for analysing electron backscatter diffraction (EBSD) patterns called EBSP Indexer. The project is the result of a joint developing effort by a team of three students, E. Østvold, O. Leth-Olsen and H. Relling, as part of their master theses, and this thesis covers the author's main contributions to version 0.1.0 distributed for download in May 2023.

The software is written in Python, using the PySide6 library for building the user interface and the kikuchipy- library for the EBSD analysis functionality. The project is open-source, and the complete source code and documentation have been made available on GitHub, with the goal of facilitating for future development of the software by interested parties.

This thesis focuses mainly on the implementation of the EBSD indexing approach Dictionary Indexing (DI), an indexing method that uses a dictionary of simulated patterns to determine the phase and orientation. Additionally, the implementation of tools for both cropping recorded datasets, as well as interactive investigation of EBSD datasets and the indexed results, is covered. As part of the development process, a comprehensive user guide has also been made available for download together with the software.

The DI implementation is tested for indexing of an Al-10wt%Si sample, demonstrating how DI can be used for phase differentiation of two similar crystal structures, something conventional Hough indexing (HI) has been found to struggle with. The same DI implementation was also used for phase differentiation in a Super duplex stainless steel (SDSS) with Sigma- and Chi-precipitates, to demonstrate how the module scales well with several phases.

Finally, an approach for finding the pattern center (PC) from the working distance (WD) for a specific SEM/EBSD detector configuration is presented. The method relies on the observed linear relationship between the PC coordinates and the WD, a calibration line can then be calculated for all three PC coordinates (pc_x, pc_y, pc_z) by interpolation between two PCs determined at two reasonably spaced working distances. It is shown that the method provides reasonable values for the PC coordinate at intermediate WDs, and the value provided from the calibration line can in many situations be used directly for indexing. This method is implemented as a calibration tool in EBSP Indexer.