小角X射线散射若干方法研究

摘要

小角X射线散射（SAXS）是测量物质内部散射单元结构信息的常用方法。本论文就SAXS方法开展了以下五个方面的研究:
　　一.SAXS仪器参数和样品散射角度标定方法研究。大面积二维探测器已经成为许多SAXS仪器的标准配置。当SAXS仪器上的探测器和直通光垂直时，散射图像具有圆对称性，此时若有一个具有纳米尺度的周期性结构的样品被测试，探测器将会收集到圆的衍射环，圆中心点与直通光中心点重合;当探测器倾斜时，散射图像的圆对称性就不复存在，圆的衍射环就会变成椭圆，椭圆中心点与直通光中心点不重合。样品散射图像对应的散射角度或散射矢量标定依赖于仪器参数的标定，即需要知道样品至探测器距离、探测器倾斜角度和直通光中心点坐标这三个仪器参数。传统的仪器参数标定方法大都基于探测器垂直（或近似垂直）于直通光的设置，极少数涉及倾斜的情况，还没有探测器倾斜角度的标定方法报道。本研究发展了用标准样品衍射环标定探测器处于任意姿态下（垂直和倾斜）的仪器参数（探测器倾角或称偏转角、样品至探测器距离、探测器上直通光斑中心）和样品散射角度的方法，模拟建立了相应的几何关系，具体推导了相应的计算公式，编译了相应的计算语句。以北京同步辐射1 W2A小角站的实验为例，用标准样品SBA-15标定了SAXS仪器参数，用标准样品硬脂酸银验证了该方法的可靠性。
　　二.SAXS数据初级处理程序开发。SAXS实验测试后，需对散射图像进行初级数据处理，然后再进行进一步的样品结构参数计算。初级处理过程通常包括仪器参数标定、散射角度标定、二维图像转为一维数据、背底扣除、消模糊（准直误差校正）等几个步骤。已有不少研究者开发了不同的数据初级处理软件，但目前没有一个软件集成了上述五个功能，分散操作，麻烦费时;而且对于探测器倾斜的情况，还没有相应的软件能计算探测器倾角进而计算其它仪器参数。为此，本研究开发了一款SAXS数据初级处理程序，用Matlab语言编写，将上述五个功能集于一体，适合于探测器垂直或倾斜的任意姿态，提高了数据初级处理的准确性和自动化程度，且可实现批处理。
　　三.周期性结构样品的周期长度d值测量。随着科学的发展，越来越多的纳米d值的材料被制备，当d值为若干纳米尺度时，对应的衍射角则落在了小角散射的范围。精确测定d值，对于认识这类材料的结构，实现其结构可控具有重要意义，因此成为了SAXS的应用方向之一。测量d值需要知道样品至探测器的距离，但是探测内部感光面的具体位置通常是不知道的，手工米尺测量距离的方法太过粗糙。本研究采用移动样品或探测器的方法进行实验，通过采集衍射环来计算d值，避免直接测量样品至探测器距离来进行d值的计算，以期提高d值测量精度。详细分析了移动样品和移动探测器这两种方法的区别，推导了相应的计算公式，讨论了探测器倾斜的影响，模拟分析了误差变化规律，并用标准样品进行了验证。
　　四.应用SAXS测量溶液中粒子尺寸的一种新方法。SAXS是测量溶液中粒子尺寸的常用手段。实际测量中出于对散射强度的要求，溶液浓度不能太低，因此干涉效应不可避免。传统的处理干涉效应的方法是制备并测量不同浓度的溶液，然后对散射曲线进行外推。传统的方法不仅制备操作麻烦，而且外推散射曲线人为性较大。为此，本研究提出一种溶液中粒子尺寸测量的新方法。直接对任意浓度球形（或近似球形）粒子溶液的实测SAXS曲线进行变换，通过寻找峰位的方法来计算相应于干涉效应可忽略的无限稀释溶液中粒子的尺寸。与传统方法不同，该方法仅需要测量任意一种浓度的溶液，不需要知道溶液浓度，且不需要对实验曲线进行外推延长。并对该方法进行了模拟和实验验证。
　　五.一款SAXS原位测量专用简易样品加热炉研制。原位加热实验是同步辐射SAXS领域的近年来研究热点。本研究设计开发了一款SAXS原位测量专用简易样品加热炉，它主要由温控器、样品池、固定架组成，采用挤压密封的办法，具备构造简略、操作容易的特点。采用该装置分别进行了石墨烯溶液加热和褐煤粉末加热干燥的SAXS原位测试，实验结果验证了该加热炉的实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 小角X射线散射(SAXS)基本概念

1．2 本论文研究背景、内容和意义

第二章 SAXS散射角度标定

2．1 引言

2．2 理论分析

2．2．1 SAXS仪器参数标定方法

2．2．2 任意SAXS图像散射角标定方法

2．3 实验验证

2．3．1 SAXS仪器参数标定

2．3．2 任意SAXS图像散射角标定

2．3．3 讨论

2．4 小结

第三章 一款SAXS数据初级处理程序

3．1 引言

3．2 程序基本结构和功能

(1)二维图像输入

(2)仪器参数标定

(3)散射图像角度标定

(4)一维散射曲线转换

(5)背底扣除

(6)准直误差校正(消模糊)

(7)一维散射图像输出

3．3 程序主要特点

3．4 小结

第四章 SAXS中周期结构样品d值测量

4．1 引言

4．2 理论分析

4．2．1 d值及其误差

4．2．2 探测器和直通光倾斜影响

4．3 实验

4．4 小结

第五章 SAXS测量溶液中粒子尺寸的新方法

5．1 引言

5．2 原理

5．3 模拟和实验

5．4 小结

第六章 SAXS专用原位微型加热炉开发

6．1 引言

6．2 原位简易样品微型加热炉结构和功能

6．3 温差校正实验

6．4 简易样品微型加热炉特点

6．5 实验样品测试

6．6 小结

本论文成果、创新与展望

参考文献

致谢

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