本文介绍了一种用于在宽泛的介观尺度（从纳米到微米）上研究软物质与生物物理系统的实验方案， µ使用KWS-2小角中子散射仪在高强度和可调分辨率条件下的方法。
本文内容
摘要
摘要
KWS-2 SANS 衍射仪专用于研究软物质和生物物理体系，其尺度范围覆盖从纳米到微米的广泛长度尺度， µm. 该仪器通过结合传统的针孔法、聚焦法（使用透镜）和飞行时间法（使用斩波器），在提供可调节分辨率的同时实现高中子通量，从而优化了对1×10⁻⁴至0.5 Å⁻¹宽范围动量转移Q的探测。 Q 1×10⁻⁴ 到 0.5 Å⁻¹ 的范围-4 和 0.5 Å-1 通过结合传统的针孔法、聚焦法（使用透镜）和飞行时间法（使用斩波器），在同时提供高强度中子束和可调节分辨率的情况下实现。由于KWS-2能够在实验过程中在较宽范围内调节强度和分辨率，并可配备特定的样品环境和辅助设备，因此在应对该领域内广泛的结构与形态学研究方面展现出高度的多功能性。平衡态结构可通过静态测量进行研究，而动态和动力学过程则可利用时间分辨方法在从数分钟到数十毫秒的时间尺度上进行探测。利用KWS-2研究的典型体系涵盖从具有多个结构层次的复杂分级体系（例如， 凝胶、网络结构或大聚集体）到微小且散射信号弱的体系（例如， 单个聚合物或溶液中的蛋白质）。检测系统的近期升级使其能够检测兆赫（MHz）范围的计数率，从而为研究缓冲溶液中散射信号极弱、在高Q值下接近缓冲液散射水平的微小生物形态提供了新的机遇 Q.
本文提供了一种利用 KWS-2 研究具有跨越宽尺度范围特征尺寸并表现出介观结构有序性的样品的实验方案。我们详细介绍了如何使用该仪器提供的多种工作模式，以及所能达到的性能水平。
引言
软物质和生物材料展现出丰富多样的形态，其特征包括基本单元自发组织和自组装形成更大、更复杂的聚集体。这些材料还表现出大量自由度之间的协同相互作用；结构单元之间相互作用较弱，因而对外部场具有高度敏感性；以及跨越广阔范围的时空关联，长度尺度可从纳米到毫米，时间尺度可从纳秒到天。由于涉及的长度和时间尺度范围广泛，对这些材料性质的实验表征极具挑战性。中子散射技术在研究此类复杂系统的结构、动力学和热力学性质方面发挥着重要作用。作为独特的探针，中子在1H和2H（氘，D）氢同位素之间具有不同的相互作用。氢与氘之间相干散射长度密度的显著差异构成了对比度变化和对比度匹配方法的基础。由于大多数软物质和生物系统由碳氢化合物组成，氢/氘（H/D）取代使得化合物的相干散射长度密度可在较宽范围内调节。利用该技术，可通过同位素交换对复杂系统中的特定组分进行标记。根据其对比度——即其散射长度密度与其他组分散射长度密度之差的平方——可在散射实验中选择性地使复杂软物质或生物物理形态中的特定组分或区域变得可见或不可见，而无需对系统进行化学修饰。此外，中子具有很强的穿透能力，可作为非破坏性探针使用，并可用于研究处于特殊环境中的样品，其中光束路径上附加材料所产生的信号贡献可被可靠测量并加以校正。
弹性散射实验可提供关于样品结构和形貌的信息。散射强度在倒易空间中作为动量转移 Q 的函数进行测量，其中 Q=4π/λ sin Θ/2，λ 为中子波长，Θ 为散射角；随后通过逆傅里叶变换将其转换至实空间。因此，较大的 Q 值对应较短的长度尺度，可用于研究原子间关联的常规中子衍射（ND）即基于此原理。在较小的 Q 值范围内，则可通过小角中子散射（SANS）探测较大的长度尺度。通常，利用经典的针孔式 SANS 技术以及基于聚焦或单晶衍射仪的超小角中子散射（ultra-SANS）技术，可在纳米至微米尺度的宽范围内对溶液、熔体、薄膜或块体样品中的单个或自组装的合成与天然大分子进行表征。然而，由于样品用量有限、样品在长时间尺度下的稳定性、特殊热力学条件下效应的可重复性，以及在不同实验几何构型下获得的实验数据联合分析等问题，结合多种方法或设施以实现完整结构表征往往存在困难。此外，针对具有高空间或时间分辨率的结构及其快速结构变化的研究极具挑战性，需要极为特殊的实验装置。因此，开发高度多功能的 SANS 仪器，使其能够以简便且可行的方式突破传统配置的限制，有助于满足用户群体的各种特殊需求。
小角中子散射仪 KWS-2（图1），由位于加兴的海因茨·迈尔-莱布尼茨中心（MLZ）的于利希中子科学中心（JCNS）运行，最初是一种经典的针孔小角中子散射仪，具有高中子通量优势（补充图1由FRM II中子源提供的）1 以及专用的引导系统2-4经过多次升级后，该仪器已优化用于广泛探索 Q 范围，介于 1x10-4 和 0.5 Å-1，提供高强度中子流和可调节的分辨率。配合特定的样品环境和辅助设备（表1），该仪器可配置用于在宽广的长度尺度范围内研究软物质和生物物理系统，尺度范围从纳米（nm）到 µm，通过静态测量；它还可以在分钟到数十毫秒的宽时间尺度范围内，对处于平衡状态或因动力学过程而发生转变的结构与形貌进行时间分辨的研究。在常规工作模式下（图2A），一个 Q 范围在 7x10-4 Å-1 和 0.5 Å-1 可通过改变样品到探测器的距离和/或波长来覆盖。因此，可在实空间中检测从10 Å到9,000 Å长度尺度上的结构层次和关联效应（其中维度定义为2π/）Q）。使用机械单色仪（速度选择器）在4.5 Å至20 Å之间选择波长，可提供一定的波长分布范围 Δλ/λ= 20%，准直条件的变化（准直长度 LC 以及孔径开口，AC- 光束中最后一个中子导管段之后的入口光阑，以及 AS- 样品孔径（位于样品前方）和检测距离 LD 通过计算机控制自动完成。
最近对样品辐照强度、仪器分辨率、最小动量转移Qm以及在MHz量级高计数率下的快速探测能力进行了显著提升，旨在提高仪器性能。在此过程中，仪器还增加了多项附加功能。
采用带有可变狭缝开口的双圆盘斩波器5（补充图2）和飞行时间（TOF）数据采集模式。通过改变两个圆盘之间的相对位置，斩波器可在10 Hz至100 Hz的可变频率fchopper下运行，且两个斩波器窗口的角开口范围为0° ≤ Δφ ≤ 90°。通过减小Δφ和/或增加fchopper来缩短中子导管的开口时间τw，从而提高波长分辨率Δλ/λ。探测器上记录到的脉冲信号被划分为适当数量的时间通道，这些通道的宽度与τw相匹配，并对应目标Δλ/λ值。
此外，还有由氟化镁（MgF2）制成的抛物面透镜聚焦元件6，其直径为 50 mm（图 1）。26 个 MgF2 透镜被分为三组（4+6+16 个透镜），可在光束中独立移动，以实现不同波长（λ = 7–20 Å）下的聚焦条件。为了通过降低透镜材料中声子散射来提高透射率，透镜采用特殊冷却系统维持在 70 K。
有一个次级高分辨率位置灵敏闪烁探测器，其位置分辨率为1 mm，像素尺寸为0.45 mm。该探测器通常放置在真空罐顶部的塔架上，固定距离LD = 17 m处，可沿垂直方向移入或移出光束（图1）。主探测器停放在20 m处真空罐末端的位置，而在使用透镜进行高分辨率研究（低Q）时，将次级探测器移入光束中4,7。次级探测器位于透镜系统的一个焦点处，而位于LC = 20 m处的一个小入射光阑则位于另一个焦点处。
一种新型主探测系统由144根3He管组成（每根对λ = 5 Å中子的全局探测效率为85%），其定义的有效探测面积相当于0.9 m2（图1）。创新的快速读出电子学组件被安装在3He管阵列背侧的封闭外壳中，可改善读出性能并降低本底噪声。该新系统取代了原有的闪烁体探测器（6Li闪烁体和8×8阵列的光电倍增管，图1），其有效死时间常数为25纳秒，在平坦分布条件下，当死时间为10%时，总计数率可高达5 MHz。这些特性得益于系统内包含多个并行运行的独立通道，相较于事件发生后即进入死时间的系统，具有明显优势。显著提高的计数率缩短了测量时间，从而可在相同时间内完成更多实验。
通过上述各项创新，该仪器已成为一种高度多功能的工具，能够通过提供多种工作模式（表2）来满足广泛的结构研究需求，这些模式可直接且以用户友好的方式选择和使用。在高通量模式下（图2B），通过增大样品尺寸并使用透镜，可在相同分辨率条件下实现高达传统针孔模式十二倍的强度增益。在配备斩波器和飞行时间（TOF）数据采集的可调分辨率模式中，通过将波长分辨率 Δλ/λ 在2%至20%范围内调节，可实现对不同Q范围内散射特征的更优表征5。在扩展Q范围模式（图2C）中，结合使用透镜和二级高分辨率探测器，可实现低至1 × 10-4 Å-1的Qm，该性能与针孔模式结合，使得从纳米到微米尺度的连续长度范围内的结构尺寸得以探索。使用斩波器缩小Δλ/λ可避免使用透镜时的重力和色差效应，从而提供精确的束流特性。在实时模式中，利用高通量以及样品环境对外部触发数据采集的支持，可实现低至50毫秒的时间分辨率来解析结构变化。通过斩波器将波长分辨率进一步提升至Δλ/λ = 5%，可实现高达2毫秒的时间分辨率。
本文详细介绍了在 KWS-2 上以其不同工作模式进行典型实验的操作流程，以及如何通过对采集数据进行数据约简来获得所研究样品的结构信息。在本示例中，我们将利用小角中子散射（SANS）技术表征多种不同尺寸的标准颗粒溶液以及一种高浓度的聚合物胶束溶液，以展示在一次实验过程中如何利用 KWS-2 灵活高效地在宽广范围内研究样品的尺寸与有序结构。实验所用聚苯乙烯球形颗粒具有不同尺寸（半径 R = 150、350、500、1,000 和 4,000 Å），尺寸多分散性为 σR 
8%，分散于水溶液（90% D2O 与 10% H2O 的混合液）中，体积分数为 1%。浓度为 12% 的 C28H57-PEO5 二嵌段共聚物在 D2O 中形成的胶束呈现出有序结构。
方案
1. 加载样品细胞
- 分散不同粒径的聚苯乙烯球形颗粒（半径分别为 R = 150、350、500、1,000 和 4,000 Å），其粒径多分散性为 σR 8% 的水溶液（90% D 的混合物）2O 和 10% H2体积分数为1%的O)
- 将六种聚苯乙烯颗粒的D溶液转移2O/H2O，C溶液28H57-PEO5 在 D 中2氧和D2O/H2O 和 D2O溶剂转移至石英比色皿（图3使用巴斯德吸管将每个石英比色皿填充至瓶颈处，然后用其配套的塞子密封石英比色皿。
注意：石英池的样品填充操作必须在FRM II的样品制备实验室中，遵守该处规定的特殊工作条件进行。 - 将装满样品的石英池安装到样品架的铝制卡匣中（图3）。将每个装满样品的石英池放入样品架的腔室中，并通过检查样品是否完全覆盖样品架上用于中子透射的窗口开口，来确认石英池内是否已注入足量样品。将校正样品和标准样品（空石英池、碳化硼板和有机玻璃板）放置在样品架的其他位置，并预留一个位置用于空白光束测量。
- 用Cd涂层的Al盖板覆盖滤芯（图3) 使用内六角圆柱头螺钉（M3x5）固定。使用专用的铝螺丝将 cartridge 固定在样品 holder 的铝框架上图4).
2. 将样品台/样品环境装置放置在样品台上
- 通过调节准直器鼻部的长度，确定样品架样品位置所需的空隙图5). 从准直器鼻部控制系统中存储的配置中选择样品架的适当配置。
- 使用内六角螺钉 M6x40 将适当的样品架/样品环境装置安装在光学面包板上预定位置的样品台图6).
- 关闭电动滑动铅门（图5通过其外侧的旋钮进行调节，保持控制旋钮处于激活状态，直至门到达末端位置，此时将有发光信号指示。
注意：若防护门未完全关闭且终端开关未激活，则光束快门无法打开，无论是手动操作还是通过测量控制软件均无法开启；测量软件在开始测量前会对此情况进行额外检查。
3. 实验设计
- 选择适当的实验配置和模式，以在适合样品结构长度尺度及样品所揭示的相关效应的 Q 范围内开展研究。检查仪器的动态范围4（图7 和 表2）。
- 根据对散射强度水平的预估，结合样品的大致尺寸、浓度和对比度因子等特征，选择适当的实验配置和模式，以确保样品上获得合适的入射强度8。此举旨在优化目标测量统计量所需的测量时间，并适应稳定性较差样品（如短稳定时间样品）的实验需求。查阅不同实验配置下的强度分布图4（补充图1 和 表2）。
- 基于对样品中散射体尺寸多分散程度及其浓度的粗略了解，选择适当的实验配置和模式，以实现合适的分辨率8。此举旨在分辨由样品中有序化效应引起的精细散射特征。检查是否可调节波长分辨率5（表2）。
4. 准备测量软件并进行实验及可视化
- 在KWS-2仪器的测量控制计算机终端窗口中输入KWS2TC，启动测量软件以激活主菜单（补充材料 图3）。使用左侧的功能组来定义基本电机位置（Configuration），选择样品和设置条件（Definition），启动测量并监控所有电机（Control），以及监控实际探测器（Live-Display）。
- 在主菜单中选择配置功能，以激活 kws2-配置菜单（补充图4用于定义用户数据，并配置基本电机位置以及样品上各设备和场的设定点。
- 选择 UserData 功能（补充图4）并在用户数据菜单（查看/编辑）中填写用户名、电子邮件、文件名的前半部分和测量备注。点击保存以退出该菜单。
注意：请勿使用特殊字符，如 @、$、% 等等。，作为文件名前缀。在整个实验过程中避免使用特殊字符。 - 选择样本功能（补充图4) 以激活样本配置菜单（补充图4）。从菜单左侧的垂直列表中选择每个样品和位置后，填写“样品标题”、“样品光束窗口尺寸”、“样品厚度”和“备注”字段。完成定义后，保存每个样品的配置。单击“关闭”退出菜单。
- 在配置菜单上方的功能栏中，通过“文件”功能保存所有配置。
- 选择 UserData 功能（补充图4）并在用户数据菜单（查看/编辑）中填写用户名、电子邮件、文件名的前半部分和测量备注。点击保存以退出该菜单。
- 在主菜单中选择“定义”功能（补充图3) 以激活 kws2 定义菜单补充图5) 以确定实验装置和测量程序。
- 选择样本功能以激活“选择样本”菜单（补充图5).
- 选择必须测量的十二个样本（如图所示） 图3从左侧垂直字段的已知样本列表中选择样本，并使用蓝色箭头将其移至“已选样本”字段。使用蓝色垂直箭头对已选样本列表进行排序。
- 检查样本参数，必要时调整名称、厚度和备注。点击保存或关闭以退出菜单。
- 选择检测器功能以激活测量定义菜单（补充图6).
- 在“测量”区域中选择“标准”以选定静态测量类型。在“结束条件”区域中，为测量时间字段选择合适的时间单位。
- 在“选择探测器与准直距离”区域，通过为以下参数选择适当值来确定实验装置和工作模式：波长（“波长”选择框）、探测距离（“探测距离”字段）、数据采集模式（“飞行时间”字段）、目标波长分辨率（“DLambda/Lambda”字段）、测量时间（“时间”字段）、透镜配置（“透镜”字段）以及准直距离（“准直距离”字段）。
- 单击“新建”按钮，以锁定并保存已完全定义的配置至下方表格中。以相同方式定义下一个配置并进行保存，直至完成全部配置集（补充图6完成实验装置和工作模式的调整后，在“测量定义”菜单中点击保存或关闭。
- 根据程序生成的菜单底部显示的三个循环（排序条件）对测量值列表进行排序补充图7）。通过标记相应行并点击标红的“X”按钮，删除不需要的测量项。根据需要，在屏幕始终显示的kws2定义菜单中，查看中央区域标红字段内设定的总测量时间，以调整每次测量的时间。
- 保存或关闭菜单，然后返回 kws2 定义菜单（补充图5）。关闭 kws2 定义菜单并返回主菜单（补充图3).
- 选择样本功能以激活“选择样本”菜单（补充图5).
- 在 KWS2 测量软件的主菜单中选择控制功能补充图3) 以激活测量控制菜单（补充图8).
- 使用仪器科学家提供的用户名和密码登录，并锁定会话以生成脚本，该脚本将执行已上传的测量程序中的命令。选择“循环定义”以检查已上传的测量程序。
- 按下开始按钮，并回答程序提出的关于样品位置门和光束快门当前状态的问题。测量程序将被启动。选择“当前值”以启用正在进行的测量过程的可视化（包括电机位置、仪器组件状态、计数率以及积分强度随时间的变化）。
注意：探测器上的积分强度以及探测器和监测器的计数率将被显示，可用于单独或整体调整测量程序。
- 根据预设的测量程序进行并完成测量。
注意：当累积至某一时间点的积分强度已足够，或在测量序列中发现异常时，可通过激活停止功能并选择所需选项来中断或终止测量（可选择继续测量、停止当前测量并选择是否保存文件，或终止整个程序）。- 通过点击“环路定义”选项下方的“打印”按钮，生成测量会话的日志记录补充图8) 当预设的测量程序停止或完成后。
- 在KWS2测量软件的主菜单中选择“实时显示”补充图3) 以激活 KWSlive_MainWindow 界面补充图9).
- 在类型界面中，选择 GEDET 或 PSD，分别用于显示使用主探测器或次级（高分辨率）探测器采集的数据。在显示模式中选择三维（表面）、二维（等高线）或一维（径向平均）模式以设定可视化方式。输入绘图选项（线性或对数尺度）以及参数值（波长和探测距离 L）D) 在“径向平均”选项菜单的字段中，以启用将数据表示为 n 强度（未校正）与 Q.
- 选择所需的飞行时间通道，以显示在飞行时间模式下（使用主探测器或次级探测器）采集的数据。
5. 数据分析
- 在 KWS-2 仪器的数据分析计算机的终端窗口中输入 qtiKWS 命令，启动数据处理软件。在主界面右侧选择“新建脚本”（New Script）选项。
- 在主界面顶部功能菜单中选择 DAN 选项（补充图 10），以激活数据分析功能。在右侧菜单的“选项”（Options）中选择 KWS-2 仪器，以激活针对使用主探测器在 KWS-2 上测得数据的数据分析模式。定义测量数据文件所在文件夹以及校正后数据文件将要存储的文件夹。
- 选择“工具”（Tools）选项，在右侧菜单中激活“文件头”（Header(s)）功能（补充图 11），生成包含待处理文件的信息表。点击“文件头”（Header(s)）字段左侧的一组绿色箭头以定义表格名称。点击“文件头”（Header(s)）字段右侧的一组绿色箭头并选择测量文件，以加载测量数据。
注意：包含每个测量文件完整信息的信息表将存储在项目下方类似资源管理器的菜单中。项目后续生成的所有结果也将存储在此处。 - 在右侧菜单中激活“掩膜”（Mask）功能（补充图 12），生成用于定义数据处理所用探测器区域的活动掩膜。在各向同性散射图样分析情况下，在“边缘”（Edge）和“光束挡板”（Beam-Stop）字段中输入数值，以定义矩形掩膜的左下角和右上角。
- 在右侧菜单中激活“灵敏度”（Sensitivity）功能（补充图 13），通过在标记为绿色的字段中输入标准样品（Plexiglas）、空光束（EB）和挡光束（B4C）的运行编号，生成特定配置下的探测器灵敏度。
- 点击黄色字段（透射率，Transmission）旁的一组绿色箭头，以计算标准样品的透射率。选择“作为新结果计算”（Calculate as New）以生成并命名灵敏度矩阵，并使用下方菜单中的适当绘图功能可视化生成的矩阵。若存在其他配置，重复此步骤。
- 在右侧菜单中激活“数据处理”（Data Processing）功能（补充图 14），生成校正与校准表以及脚本表，以对数据进行校正、校准并执行径向平均。
- 使用右侧菜单顶部的水平滑块（红色箭头）定义实验中使用的条件数量。在标有黄色铅笔的字段中填入每个实验条件下空池（EC）、挡光束（B4C）以及标准样品（Plexiglas，Abs. Cal. FS）、标准校正用空光束（Abs. Cal. EB）和标准校正用挡光束（Abs. Cal. B4C）的运行编号。
- 在“中心”（Center）字段中输入具有强前向散射的测量运行编号。在“EB”字段中输入空光束的运行编号，并勾选“Tr (Ec-to-EB)”功能旁的复选框，以选择相应的实验条件用于计算样品透射率。
- 依次点击右侧菜单中垂直排列选项旁标有旋转绿色箭头的按钮（补充图 14），以从已定义文件加载数据处理所需信息，并计算空池的透射率。点击每个黄色列的列头以定义列名称。
- 点击“新建”（New）按钮，以生成并命名待处理数据文件的表格。点击“添加”（Add）按钮以加载待处理的数据文件。点击“脚本表工具”（Script-Table Tools）区域下方标有旋转绿色箭头的“Tr”按钮，以计算每个样品的透射率。在生成的表格中检查结果（补充图 14）。
- 在界面右下角选择“项目”（Project）（补充图 14），以将所有结果作为表格或矩阵保存在当前 qtiKWS 会话（项目）中。点击“I[x,y]”按钮以执行二维数据的校正与校准。点击“I(Q)”按钮以执行数据的校正、校准和径向平均。使用“图形”（Graph）选项（补充图 15）下的图形功能绘制结果。
注意：当在界面右下角选择“文件”（File）而非“项目”（Project）时，所有结果将以外部文件形式生成，并保存在第 5.2 步中定义的外部文件夹中。
- 在右侧菜单中选择“工具”（Tools）（补充图 11），并激活 TOF|RT 选项（补充图 16），以将主探测器在 TOF 工作模式下采集的数据拆分为对应于每个时间通道的单个文件。
- 点击“TOF :: 计算参数”（TOF :: Calculate Parameters）功能，并加载一个文件以提取 TOF 条件信息。点击“TOF|RT :: 求和 vs 数量 :: 读取”（TOF|RT :: Sum vs Number :: Read）功能，并加载在实时或 TOF 模式下测得的目标文件，以生成如工作界面左侧所示的 sum-tof-file 表。使用顶部功能菜单中“图形”（Graph）功能下的图形选项，绘制积分强度随时间通道的变化图（补充图 16）。
- 在 TOF 功能的字段中定义处理参数。点击“TOF|RT :: 所有选定步骤 :: 执行”（TOF|RT :: All Selected Steps :: Proceed）按钮，以加载将被分离为对应于各定义时间槽的单个文件的数据文件。
注意：包含每个时间槽测量数据的文件将被生成，并存储在第 5.2 步中定义的文件位置，文件名以原始 TOF 文件名加上时间槽编号命名。 - 按照第 5.6 步的方法，使用斩波器对以更高分辨率（对应 Δλ\λaimed）测得的数据进行分析。
- 在主界面右侧菜单的“选项”（Options）中选择 KWS2-HRD 仪器（补充图 17），以激活针对使用 KWS-2 的次级高分辨率探测器测得数据的数据分析模式。在右侧菜单中激活“掩膜”（Mask）功能（补充图 18A），生成定义探测器有效区域的活动掩膜。
- 在主界面顶部功能菜单中选择 DANP 选项（补充图 18B）。在右侧菜单中选择 ASCII.2D 选项。激活“二维掩膜”（2D Masking）功能，以定义探测器上用于数据分析的特定扇形区域。
- 在“中心”（Center）字段中输入光束挡板中心位置。选择掩膜矩阵并在“掩膜 :: 条件”（Mask :: Conditions）中选择值 0，以忽略特殊掩膜外部区域。选择角度扇区，并点击扇区字段右侧的彩色按钮。随后按照第 5.5 和 5.6 步的方法处理高分辨率探测器测得的数据。
- 保存 qtiKWS 项目（使用顶部菜单中“文件”（File）选项下的保存功能）。
结果
使用KWS-2在不同工作模式下对两类典型软物质体系的结构与形貌进行实验所获得的代表性结果如图8-11所示。这些结果来源于在D2O/H2O溶液（D2O含量为90%）中对一系列聚苯乙烯标准尺寸颗粒的研究，以及在高聚合物体积分数（12%）条件下对全质子化二嵌段共聚物C28H57-PEO5在D2O中的研究。聚苯乙烯标准尺寸颗粒的半径分别为R = 150、350、500和1,000 Å，用于测试传统针孔模式下不同探测距离LD与波长λ组合的效果。较大尺寸的颗粒（R = 4,000 Å）用于测试和调试扩展Q范围模式。在高浓度D2O条件下可形成有序胶束结构的二嵌段共聚物则用于测试和调试可调分辨率模式。
图8展示了使用主探测器（旧的闪烁探测器）在针孔模式下以及使用聚焦透镜和高分辨率次级探测器在扩展Q范围模式下测得的二维散射图样结果。图8A表示在LD = 8 m处使用λ=5 Å测得的R = 500 Å聚苯乙烯颗粒的散射图样。图8B表示在LD = 20 m处使用λ= 20 Å采集的R = 1,000 Å聚苯乙烯颗粒的散射图样。对于使用λ = 5 Å进行的测量，直接光束被安装在探测器前方的中心光束挡板收集，透射光束则通过安装在光束挡板中心的小型3He计数器进行监测。这就是所谓的监测器3（补充图8）。该仪器还配备另外两个3He计数器，其中一个安装在速度选择器前方（监测器1），用于监测多色光束，另一个安装在速度选择器后方（监测器2），用于监测单色光束。由于技术限制，使用λ = 20 Å的测量是在直接光束照射探测器的条件下进行的，这是旧KWS-2探测器常用的典型配置。在长波长下，受重力影响而减弱的直接光束强度较低，因此不会对探测器造成损伤。在此情况下，透射光束通过在短探测距离LD = 2 m处的监测器3进行监测。此时重力效应较弱，直接光束落在光束挡板上（如图8A所示）。探测器上以5.25 mm × 5.25 mm像素尺寸采集的二维数据进一步进行了探测器灵敏度校正，并利用Plexiglas次级标准样品的散射对空池、仪器背景和溶剂的贡献进行了绝对校准4。最后，将围绕Q→0位置各向同性分布的散射图样进行径向平均，从而得到每种聚苯乙烯颗粒体系的dΣ/dΩ。
大尺寸聚苯乙烯颗粒（R = 4,000 Å）的二维散射图样如图8C所示，该图样是使用高分辨率探测器在像素尺寸为0.5 mm × 0.5 mm的条件下测得的。微小的直射束经透镜系统聚焦于探测平面，并被安装在探测器表面的小型束阻（4 mm × 4 mm）所阻挡。图8C中可在探测器有效区域的左上角观察到方形束阻产生的阴影。重力效应导致不同波长的中子在探测器上呈现宽泛的垂直分布。此外，由于透镜系统仅对三角形分布的中心波长λ完美聚焦，速度选择器仅传输具有该中心波长的中子2,5；而围绕中心波长的其他波长中子到达探测器时则略微失焦。这两种效应共同导致在束阻正上方和正下方可观察到微弱的直射束痕迹。在使用透镜和高分辨率探测器的静态扩展Q范围模式下，数据被连续采集。为了减小重力效应的贡献，散射数据在从束阻起始并向右水平延伸的狭窄角度扇区内进行分析，如图8C所示。随后采用典型方法对数据进行处理以获得dΣ/dΩ。图8D展示了从束阻向探测器边缘方向的强度随位置的变化关系，该数据是在高分辨率探测器上沿宽度为1个像素（0.5 mm）的狭窄水平切片采集得到的。样品溶液和参比（溶剂）的数据均来自一次持续5分钟的短时测试测量。短距离处的强度下降是由于束阻造成的。根据最短距离处强度的比值，可估算出样品的透射率（87%）。
在聚苯乙烯颗粒溶液（R = 500 Å）中测得的经校正和校准的 dΣ/dΩ 结果如图9所示，图中同时给出了溶剂的结果。这些结果展示了 KWS-2 在常规针孔模式下，通过改变探测位置 LD 以及使用一种或多种波长所能覆盖的Q 范围。球形颗粒的形状因子特征8,9 也得以显现：低Q 处的Guinier 区域，以及中等Q 范围内由球形贝塞尔函数引起的振荡。在高Q 范围，散射曲线主要受溶剂散射的主导，因此表现出与溶剂本身相似的平坦行为。形状因子的极小值一方面受到仪器分辨率5 的影响，另一方面受到颗粒尺寸多分散性的影响。对于 KWS-2 而言，仪器分辨率主要由 Δλ/λ = 20% 的波长展宽决定。所有类型颗粒的尺寸多分散性约为 σR = 8%。图10 展示了在扣除溶剂贡献并校正后，所有类型聚苯乙烯颗粒的小角中子散射（SANS）研究结果，以 dΣ/dΩ 表示。所有颗粒在低Q 值区域均清晰显示出 Guinier 区域，而在高Q 范围则呈现出 -4 的斜率，这是球形物体形状因子的典型特征。标准尺寸颗粒的结构参数通过将实验数据与多分散球形颗粒的形状因子8,9 及仪器分辨率函数10-12 的卷积进行拟合而得以确认。
图11展示了C28H57-PEO5聚合物胶束在重水（D2O）中、聚合物体积分数为12%时形成的有序结构所产生的二维及径向平均的一维散射图样。实验在不同的探测距离LD下采集数据，同时在同一测量过程中结合了传统的针孔模式和可调分辨率模式。当采用速度选择器提供的Δλ/λ = 20%波长分布，并以连续（静态）数据采集方式在传统针孔模式下研究该体系时，在LD = 4 m处的散射图样中可观察到三个宽峰。而在可调分辨率模式下，结合斩波器与飞行时间（TOF）数据采集系统以及速度选择器，可显著改善波长分布，从而验证这些特征是否真实存在，或其内部是否存在更精细的结构。当使用Δλ/λ = 5%进行测量时，原先在Δλ/λ = 20%下观测到的第一和第二峰出现分裂，由此可明确识别出胶束有序排列形成面心立方（fcc）晶体结构5,13。
以下是两个典型示例，说明如何通过遵循所提供的实验方案，以简便且用户友好的方式利用KWS-2小角中子散射衍射仪的多功能性和高性能，对在长度尺度和有序性方面具有复杂结构特征的软物质和生物物理系统进行详细研究。
图1： KWS-2 小角中子散射仪器的布局，包括2010年至2015年间完成的所有升级。（A）仪器的整体视图。（B）次级高分辨率探测器及其位于真空罐顶部的支撑塔。（C）MgF2 聚焦透镜，分为三组，及其冷却系统（冷头）。（D）旧的主探测器（闪烁体探测器），配有8×8阵列的光电倍增管。（E）新的主探测器（3He管探测器），具有更大的探测面积。请点击此处查看此图的放大版本。
图 2：KWS-2 上提供的三种工作模式的示意图。（A）传统的针孔模式。当 LC = LD 时，其中 LC 和 LD 分别为准直长度和探测长度，在最佳针孔条件下 AC = 2AS，其中 AC 和 AS 分别为准直入口光阑和样品光阑，探测器处的束流轮廓 I'P 近似为三角形，其底宽等于 2AC。（B）高通量聚焦模式。通过使用透镜，可以在与传统针孔模式相同的分辨率下测量更大的样品（此时探测器处的束流轮廓 I'P 为矩形）。（C）扩展 Q 范围聚焦模式。通过使用透镜和一个较小的入口光阑 AC（通常为 4 mm × 4 mm），将其置于透镜系统的一个焦点上，可将一束细小的光束传输到位于透镜系统另一焦点处的探测器上。因此，可实现比传统针孔模式更低的最小波矢转移值 Qm。请点击此处查看该图的放大版本。
图 3： 样品安装在样品架的铝制卡匣中，用于室温条件下的测量。样品置于铝制卡匣的凹槽内。（A）石英比色皿（B）中装入样品后，加盖塞子（C），然后放入卡匣。铝制卡匣上的样品位置分配如下：第 1 至第 5 号位置分别放置粒径为 R = 150、350、500、1,000 和 4,000 Å 的聚苯乙烯颗粒，溶剂为 D2O/H2O；第 6 号位置为 D2O 中的 C28H57-PEO5 二嵌段共聚物；第 7 和第 8 号位置分别为溶剂 D2O/H2O 和 D2O；第 9 号位置为空石英比色皿（作为空白参比）；第 10 号位置为有机玻璃（标准样品）；第 11 号位置为空（用于测量空白光束）；第 12 号位置为背面贴有胶带的 B4C 板（用于测量光束被遮挡时的仪器本底）。铝制盖板（D）外表面涂有镉屏蔽层，通过螺钉（E）固定在卡匣顶部，以固定样品池并定义中子窗口（F）。请点击此处查看该图的放大版本。
图4： KWS-2上用于常温条件下测量的多层级、多位置样品架之一的视图。 当前实验批次的样品安装在中间层。这三个层级可装配设计用于不同池几何结构的卡匣（A），卡匣使用外表面涂有Cd掩模的铝盖板封闭（朝向中子一侧）。通过螺钉（B）将卡匣安装至样品架上。样品架具有底座支撑（C），可使其精确安装在样品台的预定位置。请点击此处查看该图的放大版本。
图 5： KWS-2 样品区域的示意图顶视图。（A）准直管鼻部两种极端构型的展示，显示了在光束中安装各种样品环境时可用的空间（中子从底部入射，如黄色箭头所示）。（B）铅门的控制面板，配有开启和关闭按键（分别为 1 和 2）。门的电机仅在按键持续按压时工作。门的边缘装有传感器，当检测到障碍物时会触发电机停机。移除障碍物后，可通过上方按键（3）解除电机锁定，并恢复开启或关闭操作。（C）准直管鼻部的控制面板。通过按键（4）可在鼻部面板上选择合适的构型。通过持续按压按键（5）来移动鼻部，直至到达选定位置，移动将自动停止。请点击此处查看该图的放大版本。
图6： 在样品台上安装用于室温SANS测量的多层级、多位置样品架（照片来源：Wenzel Schürmann，德国慕尼黑工业大学）。 样品位置的主要组件包括位于末端带样品孔径的准直鼻部（A）、提供样品在光束中水平和垂直定位的样品台（B）、探测器真空罐的入射窗口（C）、边缘带有传感器的铅门（D），以及样品架的基座支撑（E），该支撑用于将样品架安装在样品台的光学面包板（F）上。请点击此处查看此图的放大版本。
图 7： KWS-2 上不同仪器配置的动态范围。I0 表示样品位置处的中子通量。标示的区域表示在特定准直-探测配置下，当波长在 4.5 Å 到 20 Å 之间变化时可覆盖的可用 Q 范围。请点击此处查看此图的放大版本。
图 8: 根据本实验方案在实验过程中采集的二维散射图样的示例。（A）在 LD = 8 m 处采集的散射图样，样品为半径 R = 500 Å 的聚苯乙烯颗粒，溶剂为 D2O/H2O，测量波长 λ = 5 Å。散射图样围绕挡束器呈各向同性分布，挡束器位于探测器中心，用于阻挡直接入射的主光束。（B）在 LD = 20 m 处采集的散射图样，样品为半径 R = 1,000 Å 的聚苯乙烯颗粒，溶剂为 D2O/H2O，测量波长 λ = 20 Å。散射图样围绕透射光束的位置呈各向同性分布，该波长下的透射光束位于挡束器下方，与挡束器一同在可视化软件中被遮蔽。（C）使用高分辨率探测器在 LD = 17 m 处采集的散射图样，样品为尺寸 R = 4,000 Å 的聚苯乙烯颗粒，溶剂为 D2O/H2O，测量波长 λ = 7 Å，并结合透镜与高分辨率探测器在扩展的 Q 范围内进行测量。散射图样围绕小型挡束器（4 mm × 4 mm）呈各向同性分布，该挡束器用于阻挡聚焦后的直接光束。图中右侧标示了后续数据分析所用的角扇区。（D）在高分辨率探测器上采集的强度随距挡束器位置变化的曲线，数据来自一次短时间测试测量，测量区域为宽度 1 像素（0.5 mm）的狭窄水平切片。图中同时显示了样品溶液和参比（溶剂）的数据。请点击此处查看该图的放大版本。
图9： 聚苯乙烯颗粒在D2O/H2O溶液中的散射图样（符号）以及溶剂的散射图样（线条）。 数据在常规针孔模式下采集，采用不同仪器配置，以不同颜色表示。 请点击此处查看此图的放大版本。
图10： 在对溶剂散射进行校正后，不同尺寸的聚苯乙烯颗粒在D2O/H2O中的散射图样。 红色线条表示采用球形形状因子9的拟合结果，其中包含了仪器分辨率10, 11和粒径多分散性的影响。在高Q区域，直线标示了球形形状因子典型的Q-4渐近行为。不同波长或实验装置所覆盖的Q范围的下限被特别标出。请点击此处查看该图的放大版本。
图11： 在常规针孔模式（Δλ/λ = 20%）下（上图），以及在可调分辨率模式下（Δλ/λ = 5%，LD = 4 m（左侧）和 LD = 8 m（右侧））测得的 D2O 中 C28H57-PEO5k 聚合物胶束的二维及径向平均的一维散射图样。 在常规模式下可观察到三个宽峰。通过提高 Δλ/λ 分辨率，前两个峰的精细结构得以显现5, 13。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 12：在 D2O 中全质子化的 PHO10k-PEO10k 两嵌段共聚物胶束的散射图样（已校正溶剂散射贡献），通过结合常规针孔模式与扩展Q范围模式测得。 中等 Q 区域散射强度的 Q-1 依赖关系以及高 Q 区域观察到的 Q-5/3 依赖关系（斑点散射）表明存在核-壳圆柱形结构。低 Q 区域的强度平台和中等 Q 区域的弯曲分别反映了圆柱体的长度和厚度。红色曲线为包含仪器分辨率效应的核-壳圆柱模型9对实验数据的拟合结果10-12。 请点击此处查看该图的放大版本。
图13：在常规针孔模式和高亮度（透镜）模式下测得的聚苯乙烯颗粒（R = 150 Å）在D2O/H2O中的散射图样。（A）在常规模式下，使用λ = 7 Å、LD = 8 m测得的一维散射图样；在带透镜的高亮度模式下，LD = 20 m。在高亮度模式中，通过使用不同的样品光束尺寸来提高强度。当使用26个透镜时，与常规针孔模式相比，强度增益最高可达12倍。实验中使用直径为5 cm的圆形石英池放置大尺寸样品。（B）在针孔模式下，光束尺寸为10 mm × 10 mm时，探测器上采集的二维散射图样。（C）在高亮度模式下，使用27个透镜、光束尺寸为30 mm × 30 mm时，探测器上采集的二维散射图样。直接光束在探测器上聚焦后的尺寸（分辨率）与针孔模式相同。请点击此处查看该图的放大版本。
图14：缓冲溶液及β-淀粉样蛋白单体（Aβ 1-42，分子量 MW = 4.5 kDa）在氘代六氟异丙醇（dHFIP）缓冲液中、浓度为5.6 mg/ml、孵育三周后的散射图谱。实心圆点表示蛋白溶液的散射曲线，实心三角形表示缓冲溶液的散射曲线。蓝色圆点表示扣除缓冲液贡献后单体的散射截面（右侧纵坐标）。误差棒代表由中子计数得出的标准偏差。红色实线为拟合的Beaucage函数，其维度固定为d=214。请点击此处查看该图的放大版本。
图15： 在D2O中含50 mg/mL溶菌酶的50 mM乙酸盐缓冲液以及缓冲液溶液在不同压力下（从常压至5,000 bar）测得的散射图样。符号代表蛋白质溶液的数据，线条代表缓冲液的数据。数据在两个检测距离下采集：LD = 4 m（空心符号）和 LD = 1 m（实心符号）。插图显示了蛋白质溶液、缓冲液以及蛋白质本身（扣除缓冲液贡献后）的前向散射强度 I(Q→0) 随压力的变化行为。请点击此处查看该图的放大版本。
| 参数 / 功能 | 辅助设备 | 使用范围 | 精度 | 技术细节 |
| 定位 | 样品台 | 最大负载 600 kg | ||
| X | 0 - 360 mm | 0.05 mm | ||
| Y | 0 - 330 mm | 0.05 mm | ||
| Z（光束轴） | 手动，600 mm | |||
| θr（旋转） | 0° - 360° | 0.002° | ||
| θt（样品架） | ± 30° | 0.002° | ||
| 常温 | 三级多位铝支架（Cd屏蔽） | 3×9=27 个宽石英池 | ||
| 3×12=36 个窄石英池 | ||||
| 三个位置 | 3 个大石英池（直径 Φ = 5 cm） | |||
| 铝支架（B4C 屏蔽） | ||||
| 温度 | 恒温器（油浴）+ | 从 -25 °C 到 200 °C | ± 0.5 °C | 4 个位置 |
| 小型铜块 | 在空气或真空腔中（使用密封比色皿） | |||
| 恒温器（水浴）+ 双级多位 | 从 5 °C 到 85 °C | ± 0.2 °C | 2×9=18 个宽石英池；2×12=24 个窄石英池 | |
| 铝块 | ||||
| 恒温器 + 高精度烘箱 | 从 10 °C 到 120 °C | < 0.1 °C | 1 个位置，宽石英池 | |
| 帕尔贴温控比色皿架 | 从 -20 °C 到 140 °C | ± 0.2 °C | 8 个位置（各种类型的石英或黄铜三明治式池）；低于 5 °C 时可控制气氛 | |
| (B4C 屏蔽) | ||||
| 压力 | 高压池 SANS + 恒温器（水浴） | 最高 5,000 bar | 温度范围为 5 °C 到 85 °C | |
| 低温 | 带蓝宝石窗口的低温恒温器 | 低至 50 K | ||
| 流变测量 | 流变仪；稳态和振荡模式 | |||
| 湿度 | 湿度池 | 5% 至 95% | 温度范围为 15 °C 到 60 °C | |
| 原位 FT-IR20 | FT-IR 光谱仪 | 带 ZnSe 窗口的样品池 |
表1：KWS-2 小角中子散射衍射仪可配备的辅助设备列表，包括各设备的使用范围、精度及详细信息。
| 测量模式 | 实验设置 | 分辨率 | 光束/样品尺寸 | 最大强度 [n/s] | Q-范围 [Å-1] |
| Δλ/λ | |||||
| 传统针孔 | λ = 7 Å | 20% | 10 x 10 mm2 | 1.3 x 108 | 0.002 .. 0.3 |
| LC = 2 m - 20 m | |||||
| LD = 1 m - 20 m | |||||
| λ = 4.5 Å, LC = 2 m, LD = 1 m | 20% | 10 x 10 mm2 | 2 x 108 | 0.01 .. 0.5 | |
| λ = 10 Å, LC = 20 m, LD = 20 m | 20% | 10 x 10 mm2 | 7.5 x 105 | 0.001 .. 0.02 | |
| λ = 20 Å, LC = 20 m, LD = 20 m | 20% | 10 x 10 mm2 | 4 x 104 | 7x10-4 .. 1.5x10-2 | |
| 聚焦高通量 | λ = 7 Å, LC = 20 m, LD = 17 m | 20% | Φ = 50 mm | 3 x 107 | ≈ 0.002 .. 0.03 |
| 聚焦 高分辨 （扩展Q-范围） | λ = 7 Å, LC = 20 m, LD = 17 m, AC = 4 x 4 mm2 | 20% | 10 x 10 mm2 | 1.6 x 104 | ≈ 2x10-4 .. 0.02 |
| 可调分辨率 | λ = 4.5 Å, | 5% | 10 x 10 mm2 | ca. 7% 来自传统模式 | 0.002 .. 0.5 |
| LC = 20 m, | |||||
| LD = 1 m .. 20 m |
表2：KWS-2小角中子散射衍射仪上可用的实验配置。
补充图1： 在不同准直长度 LC 和反应堆冷中子源最佳填充条件下，样品位置处的KWS-2绝对中子通量随波长 λ 的变化关系。请点击此处下载该图。
补充图 2：带有可变狭缝开口的双圆盘斩波器示意图。狭缝开口 Δφ 可在 0° 到 90° 之间调节，因此根据斩波器频率 fchopper，导管的开启时间 τw（右侧垂直排列图片中的红色矩形）可以相应改变。请点击此处下载该图。
补充图3： KWS-2测量控制与可视化软件的主用户界面。左侧功能（A）供实验人员使用，右侧功能和指示器（B）由仪器负责人使用。右侧菜单中显示的服务器或进程若以绿色标记，表示其正在运行且工作正常；黄色标记的组件未激活；任何故障将以红色标示。请点击此处下载该图。
补充图4：kws2-配置菜单和样品配置功能的界面。用户必须首先填写UserData字段中的信息，然后进行样品配置。必须填写的字段和必须执行的操作均以红色标记。请点击此处下载该图。
补充图5：kws2定义菜单和选择样本功能的界面视图。用户需执行的操作详见步骤4.3。请点击此处下载该图。
补充图6：kws2 定义菜单及测量定义功能的界面。用户需执行的操作详见步骤 4.3。请点击此处下载该图。
补充图7：通过组合定义的样品与定义的实验条件生成的测量程序。用户必须执行的操作详见步骤4.3。请点击此处下载该图。
补充图8： kws2-测量控制菜单和当前值选项。固定参数（位置、名称、波长， 等等。）以及变量（时间、强度、计数率， 等等。显示表征运行测量的参数。用户必须采取的操作在步骤 4.4 中描述。 请点击此处下载该图片。
补充图9：KWSlive_MainWindow 菜单中的 Live-Display 选项及不同的数据可视化选项。当前选中的是表面可视化模式。当选择径向平均模式时（右侧图像），可在“选项”菜单下找到参数设置 请点击此处下载该图。
补充图10： 数据还原软件qtiKWS的主界面，包含仪器选择以及实验数据和处理后数据存储位置的选项。请点击此处下载该图。
补充图11：用于定义待处理数据集日志记录（信息表）的函数。用户需执行的操作详见步骤5.3。请点击此处下载该图。
补充图12：用于定义将要处理数据的探测器掩模的函数。用户需执行的操作详见步骤5.4。请点击此处下载该图。
补充图13：用于定义探测器灵敏度图的函数。用户必须执行的操作在步骤5.5中进行了描述。请点击此处下载该图。
补充图14：用于生成数据校正、校准和径向平均脚本表格的函数。用户需执行的操作详见步骤5.6。请点击此处下载该图。
补充图15：用于绘制处理后数据的函数。用户必须执行的操作在步骤5.6.5中进行了描述。 请点击此处下载该图。
补充图16： 可调分辨率模式下测量数据的准备与分割函数。斩波器发出的两个脉冲信号最初在64个飞行时间通道中采集，随后合并为一个脉冲。若干通道被分组，使得最终具有Δλ/λaimed特征的时间通道可保存为独立文件。请点击此处下载该图。
补充图17：数据还原软件qtiKWS的主界面，已选择用于处理高分辨率探测器测量数据的选项。请点击此处下载该图。
补充图18：用于定义高分辨率探测器掩模的函数，数据将根据这些掩模进行处理。用户需要执行的操作详见步骤5.8。请点击此处下载该图。
补充图19：在KWS-2上用于常温或变温条件下软物质和生物样品研究时，通常使用的所有类型样品池的概览。(A) 可用于高强度模式并配备透镜和大光束尺寸的大石英池视图。该样品池架配有含硼塑料屏蔽罩（1），可在一次实验中规划并进行三次测量。(B) 用作样品容器的石英或黄铜样品池，以及配备8位卡匣的温控样品池架（帕尔贴型），每种类型的样品池均有对应的卡匣。样品池架的两个侧面均以含硼塑料屏蔽罩（1）进行屏蔽。(C) KWS-2上正在运行的压力池视图。该样品池可在测量程序控制下，以自动模式为样品提供从常压至5,000 bar之间的压力。中间带小孔径的圆形镉屏蔽罩（1）用于确定照射在样品上的光束尺寸。请点击此处下载该图。
讨论
软物质与生物物理系统通常具有跨越从纳米到微米宽尺度范围的结构关联性，以及相互关联的微观结构与形貌层级。为了理解此类系统形貌形成与演化的机制，及其微观特征与宏观性质之间的关系，有必要在完整的长度尺度范围内，并在相应的环境条件下，对其微观结构进行深入研究。例如， 温度、压力、pH、湿度 等等。）。通常，此类研究涉及中子小角散射（SANS）或同步辐射X射线小角散射（SAXS）技术。尽管中子的强度低于同步辐射X射线，但通过使用相对较大的Δλ/λ可部分弥补这一不足，然而这会导致仪器分辨率下降。尽管如此，SANS由于具备对比度变化的独特优势，特别是在氢同位素之间，因而具有不可替代的优点。因此，SANS是一种专门用于软物质和生物物理系统研究的实验方法，可提供独特的结构与形貌信息。全球大多数SANS衍射仪21 基于小孔成像原理图2A），从而实现目标低水平Q 分辨率。实际上，所有高通量小角中子散射（SANS）衍射仪的最大通量均处于约1 x 108 n cm-2 秒-1. 由于波长分辨率较为宽松，KWS-2 的中子通量几乎增加了一倍2, 4最近，一些高度专业化的SANS衍射仪已投入运行，其设计具有针对特定应用范围（如极小散射矢量下的研究）优化的特性22, 23. 随着稳态反应堆上最近刚投入运行的专用飞行时间小角中子散射（TOF-SANS）衍射仪24 或散裂源 25, 26，显著增强的动态范围 Q 在给定的实验设置中，该方法提供了更宽广的测量范围，并在实验分辨率的选择方面实现了更高的灵活性与优化能力。对于KWS-2小角中子散射（SANS）衍射仪而言，尽管其整体架构属于传统SANS仪器，但通过上述方案所支持的实验参数优化组合，使其具备了开展软物质与生物物理学领域特定结构研究所需的高程度多功能性与卓越性能。复杂研究的设计与实施过程中的优化性、灵活性及高效性，正是通过优化后的实验参数组合得以实现。 例如， 强度、长度尺度、空间分辨率和时间分辨率）以及复杂的样品环境。利用引言中列举的多种工作模式，并结合所呈现的结果支持 图8-15KWS-2 能够以简便实用的方式，在稳态中子源（反应堆）上突破传统仪器的常规限制，显著提升经典小角中子散射衍射仪的性能。
本方案介绍了普通用户在仅涉及环境热力学条件（温度、压力、相对湿度）和静态条件下（无结构形成或转变的动力学过程、无剪切或流动）进行简单实验程序时所需执行的步骤。目前提供多种温度控制样品台或特殊样品环境（表1 和 补充图19），例如压力池、流变仪或湿度池，这些设备可在仪器团队的专门协助下进行最佳安装和调整。本方案不包含此类设备的设置与控制说明。外部控制器的定义与激活需使用另一套更为复杂的方案。本方案以使用窄矩形石英样品池的情况为例（图3）。然而，用户还可选择多种不同的池体几何形状和类型（补充图19），以提高实验的灵活性与效率。若使用其他类型的样品池，可参照本方案，并根据第4.2.2步中讨论的参数进行相应调整。测量控制软件的设计旨在为用户提供更高的灵活性以实现其科学目标，并优化仪器的技术操作。所有特殊功能和组件的调整与配置均由仪器团队完成。科研用户在仪器配置、定义和使用中的参与被简化并明确限制在与实验环节相关的科学问题方面。配置文件已预先设定，涵盖所有特殊实验需求，例如特殊样品台在光束中的定位、样品在光束中的位置（样品台、旋转台或样品架上的 x、y、Φ 和 ω 坐标，见 补充图5）、针对不同波长调整探测器和光束挡板位置、针对不同波长调整斩波器参数（频率和开窗时间）、探测距离与目标分辨率等。等等。此外，本方案未描述如何在KWS-2上使用实时模式。若要开展时间分辨SANS实验，也需要采用更复杂的方案。
此外，本方案还介绍了如何对测量数据进行校正，以消除仪器和参比样品产生的不同散射贡献，并进行校准，从而获得样品的微分散射截面 dΣ/dΩ，单位为 cm-1。该参数包含了样品的全部结构和形貌信息，并在较宽的 Q 范围内进行测量，对应于广泛的长度尺度，在此尺度范围内可观察到被研究体系所特有的结构关联和相互关联的尺寸层级。因此，散射截面 dΣ/dΩ 将静态散射实验中在角度 Θ 处测得的强度 Is=f(Θ) 与样品的结构特性关联起来。
对于感兴趣系统的 dΣ/dΩ 评估，除了对系统本身进行测量外，还需要进行额外测量，以校正数据中可能存在的任何外部散射影响即， 环境、样品池、溶液体系中的溶剂或缓冲液 等等。并以绝对单位校准校正后的数据8外部背景（样品池或容器）、参考样品（溶剂或缓冲液）、样品透射率（用于正确扣除背景并以绝对单位校准校正后的结果）、探测器的电子学背景、探测器灵敏度（面探测器固有的探测效率不均匀性）以及归一化标准样品也需进行测量。对于KWS-2仪器，标准样品采用聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas，PMMA），称为次级标准，其定期以钒作为初级标准样品进行校准。钒产生的散射强度极弱，为获得足够的统计精度需要极长的测量时间，因此不适用于小角中子散射（SANS）的常规测量。从目标样品收集到的强度 IS 以及标准样品 ISt 可表示如下：
[1]
[2]
其中 I0 表示入射光强度（由准直系统提供）， t 是厚度， A 是暴露于光束下的区域， T 是传播，以及 Δψ 是检测器从样品位置观察时所对应的立体角。如果样品和标准样品相对于入射光束在相同条件下进行测量（即， LC，AC 和 AS，以及 λ 和 Δλ/λ), I0 和 A 相同，且立体角表示为 AD/LD （与 AD 表示检测单元的面积）。通过将上述两个关系式相除，可得到样品的散射截面：
[3]
其中，ISt 表示为平均值（标准样品作为非相干散射系统，产生平坦的散射图样）。IS 是通过将样品在样品池（容器）中测得的强度扣除空池贡献 IECell 以及闭束条件下探测器上的背景 IB 后获得的。因子 tStTSt(dΣ/dΩ)St 包含标准样品的散射和物理参数，依赖于中子波长 λ，通常由标准样品的标定得到，因此在数据还原软件中以表格形式提供4。公式 3 中通过标定程序和实验装置定义已知的参数和量（tS、LD）构成了所谓的标定因子 k。公式 3 中出现的强度和样品透射率 TS 必须通过实验测量。数据分析程序 qtiKWS 能够以灵活多样的工作模式对实验数据进行校正、标定和径向平均，从而获得被研究样品的 dΣ/dΩ。使用 qtiKWS 软件生成的最终结果以四列数据表形式呈现：Q、I、ΔI、Δσ，其中 I 代表 dΣ/dΩ，Δσ 为 Q 的分辨率5。
从实际应用的角度来看，使用KWS-2可同时开展小角中子散射（SANS）和超小角中子散射（USANS）研究，其优势在于样品几何形状和热力学条件保持恒定。如图12所示，可直接研究具有从纳米到微米尺度跨越多个结构层次的大型形貌。除了在传统针孔模式下测得的散射曲线中观察到的小尺度结构极限RC外，通过启用透镜系统和高分辨率探测器，在扩展的Q范围工作模式下，可在极低Q值处观察到全质子化的聚（己烯氧化物-共-乙二醇氧化物）PHO10k-PEO10k双嵌段共聚物在D2O14中形成的圆柱核-壳胶束的大尺度结构极限LC。根据核-壳圆柱形因子模型对实验结果的拟合分析9,14，该圆柱形胶束的总厚度约为300 Å，长度约为7,000 Å。因此，与传统上需使用两种或多种不同仪器和样品几何构型的方法不同，利用KWS-2可明确地研究某些敏感效应，例如热响应性凝胶，以及晶体或部分结晶形貌的形成与生长过程。
如所示 图11，可以以高度灵活的方式在适应的分辨率下研究关联体系和有序结构，而无需花费时间和精力安装复杂的单色化系统，后者会带来额外的操作与安全要求。此外，通过结合斩波器和飞行时间（TOF）数据采集模式，仍可在较高强度下对单分散软物质体系或低尺寸多分散性的复合体系进行非常精确的表征5.
由于使用高度稀释体系或不利的对比度条件导致散射信号较弱，由此产生的测量困难可通过增大样品处的光束尺寸以获得更高强度来克服，同时保持分辨率不变。图13A展示了半径为 R = 150 Å 的聚苯乙烯颗粒在高强度模式下测得的散射图样，该模式使用了透镜，光束尺寸为方形，边长范围从 10 mm × 10 mm（传统针孔模式下的典型尺寸）到 30 mm × 30 mm。此外，还展示了使用直径为 50 mm 的圆形光束（透镜全尺寸）测量的结果。作为对照，同时给出了传统针孔模式下归一化的测量结果。使用 26 片透镜、波长 λ = 7 Å 的中子束以及与传统针孔模式相同的入射光阑尺寸 AC（图2B），在保持探测器端光束尺寸（分辨率）恒定的前提下，样品处的强度增益约为 12 倍，如图13B-C所示。27 片透镜系统在室温下的透射率约为 32%。当冷却至 50 K 时，由于透镜材料中声子散射被抑制，透镜透射率得以提高。由 26 片抛物面透镜组成的系统在使用直径为 50 mm 的圆形光束（光束穿过透镜整个体积）时透射率约为 65%，而在使用 10 mm × 10 mm 的方形光束（仅有少量透镜材料处于光束路径中）时透射率约为 92%。在弱散射情况下，特别是当检测距离较大或对比度条件较差时，使用透镜的高强度模式具有显著优势。此外，当样品仅在短时间内保持稳定时，该模式也具有明显优势，这一点已在其他研究中得到证实15。
另一方面，在生物系统的研究中，实验通常只能获得少量样品。在生理条件下，尺寸仅为数纳米的生物小分子所产生的散射信号非常微弱，往往被缓冲液的强散射背景所掩盖。利用KWS-2仪器可在针孔模式下的低分辨率配置中，通过较短的准直长度（LC = 2 m 或 4 m）和较短的探测距离（LD = 1 m、2 m 或 4 m），实现对这类微弱信号的测量。图14展示了经缓冲液散射信号校正后，在氘代六氟异丙醇（dHFIP）中的β-淀粉样蛋白（Aβ 1-42，MW = 4.5 kDa）单体的散射图样。对数据进行模型拟合后得到单体尺寸约为16 ± 1 Å16。尽管采用了较短的探测距离，但每种实验条件（探测距离LD和样品类型）仍需数小时的长时间测量。由于旧探测器在计数率方面存在局限性，无法使用更短的准直距离LC，从而限制了仪器最大中子通量的利用。随着新型探测系统的投入使用，未来将能够充分利用全部中子通量，从而在更短的时间内完成对这类弱信号的测量，并显著提升数据的统计质量。
最后，通过使用KWS-2的特殊辅助设备，可以灵活且简便地研究刺激响应性效应。一个示例如下所述。 图15，显示了溶菌酶蛋白在D中的SANS图谱2O缓冲液以及在不同压力下收集的缓冲液。特别关注了用于新研制压力池性能测试的溶菌酶分子的背景散射和前向散射研究，该压力池由中国台湾地区依据瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的设计自行制造。实验结果与Kohlbrecher所得结果相似。 等 在一项类似的研究中，测试了在那里构建的原始压力室模型17, 18使用KWS-2，已在达到5,000 bar压力后获得了更多数据。蛋白质前向散射强度的变化呈现线性行为，这与在瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的研究中观察到的结果一致。18.
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢德国于利希研究中心有限公司（Forschungszentrum Jülich GmbH）的 Dietmar Schwahn 博士在 2010 至 2015 年间对 KWS-2 仪器升级工作所提供的支持以及富有启发性的讨论。在 KWS-2 新工作模式所涉及的部件、设备和控制软件的设计、安装与调试过程中，德国于利希研究中心有限公司的工程、电子与分析中心研究所（ZEA）、JCNS-1（中子散射研究所）和 JCNS-2（散射方法研究所）提供了持续帮助，我们对此深表感谢。我们感谢路易斯安那州立大学（Louisiana State University）的 Matthew Binns 和 Christopher J. Van Leeuwen 对本稿件进行的专业编辑。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 重水 D2O | Sigma-Aldrich | 151882 | |
| 重水 D2O/H2O | Sigma-Aldrich | 151882 | 90% D2O 和 10% H2O |
| 3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯） | Thermo Scientific | 3030A | 90% D2O 和 10% H2O |
| 3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯） | Thermo Scientific | 3070A | 90% D2O 和 10% H2O |
| 3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯） | Thermo Scientific | 3100A | 90% D2O 和 10% H2O |
| 3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯） | Thermo Scientific | 3200A | 90% D2O 和 10% H2O |
| 3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯） | Thermo Scientific | 3800A | 90% D2O 和 10% H2O |
| 二嵌段共聚物 C28H57-PEO5k | 实验室自制 | 溶于 D2O | |
| 石英比色皿 110-QX | Hellma analytics | 110-1-46 | |
| 铝制比色皿架 | 实验室自制 | 用于室温条件下的测量 | |
| 螺丝刀 | |||
| 内六角扳手 |
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