一種小角和廣角x射線散射聯用裝置及其實驗測試方法

2023-12-03 22:59:51 1

專利名稱：一種小角和廣角x射線散射聯用裝置及其實驗測試方法
技術領域：
本發明涉及用小角與廣角X射線散射聯用原位研究材料結構演化的技術，具體涉及一種小角和廣角X射線散射聯用裝置及其實驗測試方法。
背景技術：
X射線的強大功能體現在小角和廣角X射線散射的聯用。結合小角和廣角X射線散射，可以同時檢測從0.1納米到100納米尺度範圍的物質結構，即從分子排列到納米自組裝結構。藉助近年X射線發生器、光學和探測器的發展和一些樣品環境控制裝置，利用小角和廣角X射線散射聯用裝置，使原位實時研究化學反應、材料加工和生物體中結構和性能變化過程成為可能。據調研，還沒有實驗室用小角與廣角X射線散射聯用裝置的報導。顯然，研製小角與廣角X射線散射聯用裝置是首要任務。除同步輻射中心和少數研究組自己建設的外，目前全世界商業化的同步小角和廣角X射線散射儀還不成熟，幾乎都是一些非專業的小公司產品。目前國際上兩大X射線儀器生產商Bruker (NanoStar)和Rigaku (S_Max3000)等有商品化的小角X射線散射儀，但還沒有非常成熟的小角和廣角X射線散射聯用裝置。同時商業化儀器注重普適性，多用於分析，而很難用於特色化的研究。譬如其樣品環境雖然提供多種配置，但空間相對有限和真空要求，大大限制了用於原位結構變化的研究。綜上所述，小角和廣角X射線散射的聯用裝置需要具有以下方面的特點:1、小角和廣角X射線散射聯用，可以同時檢測從0.1納米到100納米尺度範圍的物質結構；2、裝置應該容易安裝和調試，便於不同結構尺度的檢測；3、對樣品檢測環境無特殊要求，從而可讓用戶設計特定的樣品環境，直接模擬化學反應、材料加工和生命代謝過程中物質結構在納米尺度的變化過程。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種小角和廣角X射線散射聯用裝置及其實驗測試方法。該裝置具有測試尺度範圍寬，可以同時檢測從0.1納米到100納米尺度範圍的物質結構；對樣品檢測環境無特殊要求，從而可讓用戶設計特定的樣品環境；容易安裝和調試，便於不同結構尺度的檢測；所以電機的調節由Labview軟體集成控制,可精確調節；可以原位研究化學反應、材料加工和生命代謝過程中物質結構在納米尺度的變化過程。所有物質結構在0.1到100納米範圍內的材料或生物體系都可受益於小角和廣角X射線散射聯用裝置。其區別於其他檢測儀器如電子顯微鏡的優勢是對樣品檢測環境無特殊要求，從而可讓用戶設計特定的樣品環境如溫度、溼度、壓力、剪切以及其他外場等，直接模擬化學反應、材料加工和生命代謝過程中物質結構在納米尺度的變化過程。本發明採用的技術方案為:一種小角和廣角X射線散射聯用裝置，包括微焦點X射線光源，三個四刀口狹縫準直光路，一維線性探測器，二維多絲氣體探測器，真空管道，二維位移平臺，水平導軌，真空管道及支撐旋轉結構，Labview軟體控制系統，其中:
微焦點X射線光源產生平行的、高亮度的X射線光。而後經三個四刀口狹縫準直光路定義所需要的光斑大小。光斑從準直光路出來後採用透射模式穿過樣品。一維線性探測器採集樣品在大角度的散射信號，即晶體結構對應的散射信號。二維多絲氣體探測器採集樣品在小角度的散射信號，即納米尺度的有序結構對應的散射信號。二維多絲氣體探測器前固定一直通光阻擋器，用來吸收高亮度的直通光，防止直通光損傷探測器。真空管道由寬角管道和小角管道兩部分組成。寬角管道部分連接可旋轉的弧形環，用於固定一維線性探測器。小角管道部分直接與二維多絲氣體探測器連接。真空管道的前後支撐部分均有旋轉結構，便於上下、左右及傾角的調節。實驗測試過程中狹縫準直光路和真空管道都採用真空油泵抽真空，儘可能減小空氣的吸收和散射。樣品臺和真空管道的支撐結構均有二維位移平臺組成。狹縫準直光路電機、樣品臺電機和真空管道支撐結構電機均有Labview軟體系統及數據採集系統集成控制。一維線性探測器採集樣品在大角度的散射信號以及二維多絲氣體探測器採集樣品在小角度的散射信號送至Labview軟體系統及數據採集系統進行處理。所述的微焦點X射線光源(I)為高亮度、高平行度微焦點X射線光源。其中，三個四刀口狹縫準直光路每個狹縫的大小連續可調，滿足不同光通量和測量尺度的要求，狹縫的調節精度為I μ m。其中，寬角真空管道開設Kapton窗口，儘量使小角散射檢測的最大角度與廣角散射檢測的最小角度靠近，減小兩個檢測中間漏掉的空隙。廣角X射線散射探測器到樣品的距離可調，滿足不同角度範圍和解析度的需要，探測器固定在一個以直通光中心為圓心的圓弧上，可以調節整個探測器到直通光的距離，用於檢測更大範圍的角度。為了能檢測赤道和經線方向的信號，探測器可以繞直通光中心旋轉。其中，二維多絲氣體探測器直接與真空管道連接，不再設置額外窗口，減小窗口帶來的吸收和散射。其中，真空管道大小可調，滿足不同角度如小角或中小角的測試要求。其中，直通光阻擋器大小可調，直通光阻擋器可放置於探測器邊緣，只檢測1/4散射區，如此可檢測接近兩倍的角度範圍。其中，真空管道和樣品臺置於水平導軌上，便於安裝調試。其中，樣品臺置於空氣中，便於和各種原位裝置安裝聯用。本發明另外提供一種小角和廣角X射線散射聯用實驗測試方法，利用上述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，測試其性能參數及原位研究納米層狀樣品在溶脹過程的結構演化。該裝置測試一維線性探測器探測寬角角度範圍主要實驗步驟為:步驟(I)、三個四刀口狹縫準直光路抽真空至正常狀態(約為SXlO-1Iiibar),將微焦點X射線光源升至滿功率(45KV，650 μ A)；步驟(2)、將一維線性探測器置於距樣品約90mm處合適位置。打開氬氣/甲烷(90/10)混合氣，調壓力至約7.5bar，氣體流量約0.17 0.451 Ar/h，衝洗探測器30min ；步驟(3)、調節一維線性探測器偏壓至3.3KV，然後緩慢增加偏壓約至3.7KV，使能量譜峰位置處於通道數650 700 ；步驟(4)、打開光源shutter,採集等規聚丙烯的X射線一維散射圖。
該裝置測試二維多絲氣體探測器探測小角測量的最大尺度主要實驗步驟為:步驟(I)、採用1600mm的真空管道，4X4.2mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路；步驟(2)、三個四刀口狹縫準直光路和真空管道抽真空至正常狀態(約為3 X IO-1Hibar),將微焦點X射線光源升至滿功率(45KV，650 PA)；步驟(3)、調節狹縫準直光路，定義一定的光斑大小，並卡掉雜散光；步驟(4 )、採用牛肌腱膠原蛋白作為標樣進行檢測。該裝置原位研究納米層狀樣品在溶脹過程的結構演化主要實驗步驟為:步驟(I)、採用800mm的真空管道，6X6mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路；步驟(2)、三個四刀口狹縫準直光路和真空管道抽真空至正常狀態(約為3 X IO-1Hibar),將微焦點X射線光源升至滿功率(45KV，650 PA)；步驟(3)、調節一維線性探測器偏壓至3.3KV，然後緩慢增加偏壓約至3.7KV，使能量譜峰位置處於通道數650 700。打開二維多絲氣體探測器；步驟(4)、將納米層狀樣品置於樣品池中，同時打開一維線性探測器和二維多絲氣體探測器採集寬角和小角信號；步驟(5)、用微量進樣器逐漸向樣品中加水，原位研究水的含量在增加的過程中S6樣品結構的演化過程。本發明與常用的X射線散射裝置相比創新點主要有:1、本發明將X射線散射小角和廣角同步檢測，檢測結構尺度範圍寬，橫跨0.1納米到100納米三個量級。2、本發明對樣品檢測環境無特殊要求，從而可讓用戶設計特定的樣品環境。3、本發明容易安裝和調試，便於不同結構尺度的檢測。4、本發明光斑大小連續可調，且控制精確。5、本發明通過合理組合光學器件，光源通量和亮度高，適合於原位檢測。6、本發明可以針對不同的材料不同檢測尺度的要求，進行裝置調節，對揭示材料納米尺度結構演化機理的科學問題具有普適性。7、本發明的應用前景:1原位檢測獲得材料成核生長及自組裝過程的信息，為材料合成的分子機制提供直接的實驗數據；2)原位研究材料加工過程，揭示材料結構和性能的關係，為材料的最終應用鋪平道路。


圖1是本發明所述小角和廣角X射線散射聯用裝置的結構示意圖。圖中I為微焦點X射線光源，2為三個四刀口狹縫準直光路，3為一維線性探測器，4 二維多絲氣體探測器，5為真空管道，6為樣品臺，7為水平導軌，8為Labview軟體控制系統及數據採集系統。圖2是本發明所述小角和廣角X射線散射聯用裝置的機械裝配圖；圖3是用Labview集成的三個四刀口狹縫準直光路的控制界面；圖4是用Labview集成的樣品臺和探測器位移平臺的控制界面；圖5是一維線性探測器探測的等規聚丙烯的一維散射曲線；圖6是二維多絲氣體探測器探測的牛肌腱膠原蛋白的二維小角散射圖和將二維小角散射圖積分得到的一維散射曲線；圖1是將直通光阻擋器放置於探測器邊緣條件下測試二十二酸銀鹽的二維散射圖；圖8是納米層狀樣品S6在溶脹過程中二維小角散射信號及其一維積分強度曲線.
圖9是納米層狀樣品S6在溶脹過程中的一維寬角散射曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例進一步說明書本發明。一種小角和廣角X射線散射聯用裝置，參見附圖1，微焦點X射線光源I產生平行的、高亮度的X射線光。而後經三個四刀口狹縫準直光路2定義所需要的光斑大小。光斑從準直光路出來後採用透射模式穿過樣品。一維線性探測器3採集樣品在大角度的散射信號，即晶體結構對應的散射信號。二維多絲氣體探測器4採集樣品在小角度的散射信號，即納米尺度的有序結構對應的散射信號。二維多絲氣體探測器4前固定一直通光阻擋器，用來吸收高亮度的直通光，防止直通光損傷探測器。真空管道5由寬角管道和小角管道兩部分組成。寬角管道部分連接可旋轉的弧形環，用於固定一維線性探測器。小角管道部分直接與二維多絲氣體探測器連接。真空管道5的前後支撐部分均有旋轉結構，便於上下、左右及傾角的調節。實驗測試過程中狹縫準直光路2和真空管道5都用真空油泵抽真空，儘可能減小空氣的吸收和散射。該裝置樣品臺6和真空管道5的支撐結構均有二維位移平臺組成，且安裝在水平導軌7上，便於安裝調節。該裝置狹縫準直光路電機、樣品臺電機和真空管道支撐結構電機均有Labview軟體系統8集成精確控制。實驗實例1:一維線性探測器探測寬角角度範圍測試。實驗過程:首先將微焦點X射線光源升至滿功率(45Κν，650μΑ)，三個四刀口狹縫準直光路抽真空至正常狀態(約為3Χ I(T1Hibar)tj將一維線性探測器置於距樣品約90mm處合適位置。打開氬氣/甲烷(90/10)混合氣，調壓力至約7.5bar，氣體流量約0.17 0.451 Ar/h，衝洗探測器30min。調節一維線性探測器偏壓至3.3KV,然後緩慢增加偏壓約至3.7KV,使能量譜峰位置處於通道數650 700。打開光源shutter和一維線性探測器採集軟體，採集等規聚丙烯的X射線一維散射圖。實驗結果:圖5為該測試條件下等規聚丙烯的一維散射曲線，實驗結果表明，該實驗條件下寬角測試的角度差為30度，滿足大部分材料的測試要求。一維探測器固定在一個以直通光中心為圓心的圓弧上，可以調節旋轉，便於檢測不同的角度。實驗實例2:二維多絲氣體探測器探測小角測量的最大尺度測試。實驗過程:
採用1600mm的真空管道，4X4.2mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路。三個四刀口狹縫準直光路和真空管道抽真空至正常狀態(約為3 X I(T1Hibar),將微焦點X射線光源升至滿功率(45KV，650iiA)。調節狹縫準直光路，定義一定的光斑大小，並卡掉雜散光。將牛肌腱膠原蛋白置於樣品臺上作為標樣進行檢測。實驗結果:圖6為該測試條件下牛肌腱膠原蛋白的二維小角散射圖和將二維小角散射圖積分得到的一維散射曲線。實驗結果表明，小角測試的最大尺度大於100納米。實驗實例3:原位研究納米層狀樣品S6在溶脹過程的結構演化。實驗過程:採用800mm的真空管道，6 X 6mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路。三個四刀口狹縫準直光路和真空管道抽真空至正常狀態(約為3 X I(T1Hibar),將微焦點X射線光源升至滿功率(45KV，650 u A)。調節一維線性探測器偏壓至3.3KV，然後緩慢增加偏壓約至3.7KV,使能量譜峰位置處於通道數650 700。打開二維多絲氣體探測器電源和偏壓。將S6樣品置於樣品池中，同時打開一維線性探測器和二維多絲氣體探測器採集寬角和小角信號。實驗過程中用微量進樣器逐漸向樣品中加水，實時檢測水的含量在增加的過程中S6樣品結構的演化過程。實驗結論:圖8為S6樣品小角散射信號及其一維積分強度曲線，可以看出S6樣品的片層周期隨水含量的增加逐漸增大。圖9為S6樣品的一維寬角散射曲線，表明S6樣品在溶脹過程中雖然片層的周期結構發生了變化，但其晶格結構並沒有遭到破壞。本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。儘管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便於本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式
的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種小角和廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於:包括微焦點X射線光源(I )，三個四刀口狹縫準直光路(2)，一維線性探測器(3)，二維多絲氣體探測器(4)，真空管道(5)，樣品臺(6)，水平導軌(7)和Labview軟體控制系統及數據採集系統(8)，其中: 微焦點X射線光源(I)產生平行的、高亮度的X射線光，而後經三個四刀口狹縫準直光路(2)定義所需要的光斑大小和濾掉雜散光，光斑從準直光路出來後採用透射模式穿過樣品，一維線性探測器(3)採集樣品在大角度的散射信號，即晶體結構對應的散射信號；二維多絲氣體探測器(4)採集樣品在小角度的散射信號，即納米尺度的有序結構對應的散射信號，二維多絲氣體探測器(4)前固定一直通光阻擋器，用來吸收高亮度的直通光，防止直通光損傷探測器；真空管道(5)由寬角管道和小角管道兩部分組成，寬角管道部分連接可旋轉的弧形環，用於固定一維線性探測器；小角管道部分直接與二維多絲氣體探測器連接；真空管道(5)的前後支撐部分均有旋轉結構，便於上下、左右及傾角的調節；實驗測試過程中所述的狹縫準直光路(2)和真空管道(5)都採用真空油泵抽真空，儘可能減小空氣的吸收和散射；樣品臺(6)和真空管道(5)的支撐結構均有二維位移平臺組成，該裝置整體安裝在水平導軌(7)上，便於安裝調節；狹縫準直光路電機、樣品臺電機和真空管道支撐結構電機均由Labview軟體系統及數據採集系統(8)集成控制；一維線性探測器(3)採集樣品在大角度的散射信號以及二維多絲氣體探測器(4)採集樣品在小角度的散射信號送至Labview軟體系統及數據採集系統(8)進行處理。
2.如權利要求1所述的小角和廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，所述的微焦點X射線光源(I)為高亮度、高平行度微焦點X射線光源。
3.如權利要求1所述的小角和廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，三個四刀口狹縫準直光路(2)每個狹縫的大小連續可調，滿足不同光通量和測量尺度的要求，狹縫的調節精度為I u m。
4.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，寬角真空管道開設Kapton窗口，儘量使小角散射檢測 的最大角度與廣角散射檢測的最小角度靠近,減小兩個檢測中間漏掉的空隙；廣角X射線散射探測器到樣品的距離可調，滿足不同角度範圍和解析度的需要，探測器固定在一個以直通光中心為圓心的圓弧上，可以調節整個探測器到直通光的距離，用於檢測更大範圍的角度；為了能檢測赤道和經線方向的信號，探測器可以繞直通光中心旋轉。
5.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，二維多絲氣體探測器(4)直接與真空管道(5)連接，不再設置額外窗口，減小窗口帶來的吸收和散射。
6.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於真空管道(5)大小可調，滿足不同角度如小角或中小角的測試要求。
7.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，直通光阻擋器大小可調，直通光阻擋器可放置於探測器邊緣，只檢測1/4散射區，如此可檢測接近兩倍的角度範圍。
8.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，真空管道(5)和樣品臺(6)置於水平導軌(7)上，便於安裝調試。
9.如權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，其特徵在於，樣品臺(6)置於空氣中，便於和各種原位裝置安裝聯用。
10.一種小角和廣角X射線散射聯用實驗測試方法，利用權利要求1所述的小角與廣角X射線散射聯用裝置，測試其性能參數及原位研究納米層狀樣品在溶脹過程的結構演化；該裝置測試一維線性探測器探測寬角角度範圍主要實驗步驟為: 步驟(I )、三個四刀口狹縫準直光路(2)抽真空至正常狀態，約為3 X KT1HIbar,將微焦點X射線光源(I)升至滿功率:45KV, 650 μ A ; 步驟(2)、將一維線性探測器(3)置於距樣品約90mm處合適位置，打開混合比為90/10的氬氣/甲烷混合氣，調壓力至約7.5bar，氣體流量約0.17 0.451 Ar/h,衝洗探測器.30min ； 步驟(3)、調節一維線性探測器(3)偏壓至3.3KV，然後緩慢增加偏壓約至3.7KV，使能量譜峰位置處於通道數650 700 ； 步驟(4)、打開光源shutter,採集等規聚丙烯的X射線一維散射圖； 該裝置測試二維多絲氣體探測器探測小角測試的最大尺度主要實驗步驟為: 步驟(I)、採用1600_的真空管道(5)，4X4.2mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路；步驟(2)、三個四刀口狹縫準直光路(2)和真空管道(5)抽真空至正常狀態，約為.3 X IO-1Hibar,將微焦點X射線光源(I)升至滿功率:45KV，650 μ A ； 步驟(3)、調節狹縫準直光路(2)，定義一定的光斑大小，並卡掉雜散光； 步驟(4)、採用牛肌腱膠原蛋白作為標樣進行檢測； 該裝置原位研究納米層狀樣品在溶脹過程的結構演化主要實驗步驟為: 步驟(I)、採用800_的真空管道(5)，6X6mm2的直通光阻擋器組合安裝調節光路； 步驟(2)、三個四刀口狹縫準直光路(2)和真空管道(5)抽真空至正常狀態，約為.3X IO-1Hibar,將微焦點X射線光源(I)升至滿功率:45KV，650 μ A ； 步驟(3)、調節一維線性探測器(3)偏壓至3.3KV，然後緩慢增加偏壓約至3.7KV，使能量譜峰位置處於通道數650 700，打開二維多絲氣體探測器(4)； 步驟(4)、將納米層狀樣品置於樣品池中，同時打開一維線性探測器(3)和二維多絲氣體探測器(4)採集寬角和小角信號； 步驟(5)、用微量進樣器逐漸向樣品中加水， 原位研究水的含量在增加的過程中納米層狀樣品結構的演化過程。
全文摘要
本發明提供一種小角和廣角X射線散射聯用裝置及其實驗測試方法，該裝置採用微焦點X射線光源提供平行的、高亮度的、高品質X射線光。通過三個四刀口狹縫準直光路精確定義光斑形狀和濾掉雜散光。聯合一維線性探測器和二維多絲氣體探測器來分別探測廣角和小角X射線散射信號，可以獲得從0.1納米到100納米尺度橫跨三個量級的物質結構。該裝置配置不同長度的真空管道和不同大小的直通光阻擋器，樣品到檢測器的距離可調及在滿足測試角度要求的前提下保證高的光通量和散射信號的空間解析度。本發明具有測試尺度範圍大和易於調節等優點，非常適合於原位檢測，是研究高分子材料、無機納米材料、生物醫學物質和其它軟物質等一種非常好的工具。
文檔編號G01N23/203GK103207195SQ20131011954
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月8日 優先權日2013年4月8日
發明者李良彬, 崔昆朋, 孟令蒲, 劉豔萍, 趙佰金 申請人:中國科學技術大學