小角X射线散射技术及其应用

时间：2026-01-23

中科院高能所吴忠华研究员

内容提要现代大科学装置——同步辐射在材料科学中的应用现代大科学装置——同步辐射在材料科学中的应用

小角X小角X射线散射技术及其应用吴忠华 wuzh@http://

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SAXS相关概念 SAXS强度 SAXS实验 SAXS数据预处理两相体系粒度分布形状分析 GISAXS应用实例小角X小角X射线散射技术及其应用

中国科学院研究生院材料学院夏季学期课程 2012,06,21,玉泉路校区教学楼阶一.1教室

1.1 X射线相关实验技术Emission Diffraction

Scattering

1、SAXS相关概念 SAXS相关概念Imaging

Apsorption

衍射、散射、吸收、激发、成像(透射束、散射束、衍射束、激发信号、折射束、相干)小角X小角X射线散射技术及其应用

1.2 X射线与物质的相互作用 X射线与物质的相互作用SAXS

1.3 X射线散射 X射线散射X射线散射：X射线经过物质时偏离原来的传播方向从散射前后的光子能量来看(粒子性):光子能量(E, )不变弹性散射，Thomson散射光子能量(E, )改变非弹性散射，Compton散射从散射前后的光波相位来看(波动性)从散射前后的光波相位来看(波动性):光子能量与频率(E, , )不变相干散射，Thomson散射光子能量与频率(E, , )改变非相干散射，Compton散射与电子能级关系来看：电子发生能级跃迁共振散射，光电吸收电子不发生能级跃迁非共振散射

小角X小角X射线散射技术及其应用

中科院高能所吴忠华研究员

1.4 SAXS现象 SAXS现象小角X射线散射 (Small Angle X-ray Scattering, SAXS)纳米尺度结构的散射出现在小角度区

1.5 SAXS样品特征 SAXS样品特征1.单散系 2.稀疏取向系 3.多分散系 4.稠密粒子系

5.密度不匀粒子系

6.任意系

7.长周期结构

SAXS是发生在原光束附近小角度范围内 (0 2 3 5 )的电子相干散射现象，起源于样品内部电子密度的均方起伏，是研究物质纳米尺度 (1~100 nm)结构的主要手段之一。小角X小角X射线散射技术及其应用小角X小角X射线散射技术及其应用

1.6 SAXS揭示的结构信息 SAXS揭示的结构信息定性信息： (1)体系电子密度的均匀程度(不均匀才有散射); (2)粒子的分散性(单或多分散，由Guinier图判定); (3)两相界面是否明锐(Porod或Debye负偏离); (4)粒子内电子密度的涨落(Porod或Debye正偏离); (5)散射体的自相似性(是否有分形特征)。射自似有定量信息：粒子形状、尺寸及分布、相关距离、平均壁厚、粒子体积分数、比表面、平均界面层厚度、分形维数、分子量、孔隙率等，以及纳米尺度的周期性结构(小角衍射)。小角X小角X射线散射技术及其应用

1.7主要研究领域主要研究领域SAXS主要研

究领域：

纳米材料 (形核生长、粒度与分布)聚合物 (结晶过程、外场诱导作用)生物体系 (蛋白形状、初级相位、生理环境)医药体系(药理、界面)其他体系(多尺度分级结构、天然或人工复合材料)

样品形态：薄膜、块体、粉体、液体、流体小角X小角X射线散射技术及其应用

1.8 SAXS实验技术的发展 SAXS实验技术的发展上世纪80年代以前SAXS发展缓慢

1.9 SAXS技术的优点 SAXS技术的优点SAXS优点样品的适用范围宽(无形态要求：液体、粉末、薄膜、块体等，无周期性要求);结构信息多样(粒度，分布，形状，界面);无元素限制(各种元素组成的样品都行);实验简单快捷(秒或分钟量级);统计平均信息(准确反映样品内的情况)。

常规光源强度弱，发散度大；信号探测技术落后；理论不完善。上世纪80年代以后SAXS发展迅速

同步辐射 (SR)光源的应用； CCD和成像板等探测器的使用；计算机性能的提高；理论和数据分析方法还有进一步发展的空间。小角X小角X射线散射技术及其应用

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中科院高能所吴忠华研究员

1.10 SAXS技术的缺点 SAXS技术的缺点SAXS缺点粒子(+)与空洞(—)的散射花样相同，无法区分；本底样品难于等同样品中的本底；对探测器动态范围要求较高；有点光源要求；干涉效应不易处理；数据分析方法不系统完善。孔隙粒子互补体系

2、SAXS强度 SAXS强度