Badanie miękkiej materii i układów biologicznych w szerokiej skali długości od rozmiarów nanometrów i mikrometrów na małokątowym dyfraktometrze neutronowym KWS-2

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół do badania miękkiej materii i systemów biofizycznych w szerokiej mezoskopowej skali długości, od nm do μm, która obejmuje użycie dyfraktometru KWS-2 SANS o wysokiej intensywności i regulowanej rozdzielczości.

Streszczenie

Dyfraktometr KWS-2 SANS jest dedykowany do badania miękkiej materii i systemów biofizycznych w szerokiej skali długości, od nm do μm. Instrument jest zoptymalizowany pod kątem eksploracji szerokiego zakresu przenoszenia pędu Q od 1x10-4 do 0,5 ^A-1 poprzez połączenie klasycznej metody otworkowej, ogniskowania (z soczewkami) i czasu przelotu (z helikopterem), przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej intensywności neutronów o regulowanej rozdzielczości. Ze względu na możliwość regulacji intensywności i rozdzielczości w szerokich granicach podczas eksperymentu, w połączeniu z możliwością wyposażenia określonych środowisk próbek i urządzeń pomocniczych, KWS-2 wykazuje dużą wszechstronność w zakresie szerokiego zakresu badań strukturalnych i morfologicznych w tej dziedzinie. Struktury równowagi można badać w pomiarach statycznych, podczas gdy procesy dynamiczne i kinetyczne można badać w skalach czasowych od minut do dziesiątek milisekund przy użyciu podejść czasowo-rozdzielczych. Typowe systemy, które są badane za pomocą KWS-2, obejmują zakres od złożonych, hierarchicznych systemów, które wykazują wiele poziomów strukturalnych (np. żele, sieci lub makroagregaty) do małych i słabo rozpraszających systemów (np. Pojedyncze polimery lub białka w roztworze). Niedawna modernizacja systemu detekcji, która umożliwia detekcję szybkości zliczania w zakresie MHz, otwiera nowe możliwości badania nawet bardzo małych morfologii biologicznych w roztworze buforowym ze słabymi sygnałami rozpraszania w pobliżu poziomu rozpraszania buforowego przy wysokim Q.

W tym artykule przedstawiamy protokół do badania próbek o charakterystycznych poziomach wielkości obejmujących szeroką skalę długości i wykazujących uporządkowanie w strukturze mezoskalowej za pomocą KWS-2. Szczegółowo przedstawiamy, jak korzystać z wielu trybów pracy, które oferuje instrument i jaki jest osiągany poziom wydajności.

Wprowadzenie

Miękkie i biologiczne materiały wykazują bogatą różnorodność morfologii, które charakteryzują się takimi cechami, jak samoorganizacja i samoorganizacja jednostek elementarnych w większe, złożone agregaty. Wykazują one również kooperatywne oddziaływanie z dużą liczbą stopni swobody; słaba interakcja między jednostkami strukturalnymi, a co za tym idzie wysoka wrażliwość na pola zewnętrzne; oraz korelacje czasoprzestrzenne, które mogą obejmować szeroki zakres, od nanometrów do milimetrów i od nanosekund do dni. Ze względu na duży zakres odpowiednich skal długości i czasu, eksperymentalna charakterystyka właściwości tych materiałów jest bardzo trudna. Techniki rozpraszania neutronów odgrywają ważną rolę w badaniu struktury, dynamiki i właściwości termodynamicznych takich złożonych układów. Jako unikalne sondy, neutrony oferują przewagę w postaci różnych oddziaływań między izotopami wodoru ¹H i ²H (deuter, D). Duża różnica w gęstości długości rozpraszania koherentnego między wodorem a deuterem stanowi podstawę metod zmiany kontrastu i dopasowania kontrastu. Ponieważ większość miękkiej materii i układów biologicznych składa się z węglowodorów, substytucja wodor/deuter (H/D) daje możliwość zmiany gęstości długości koherentnego rozpraszania związku w szerokim zakresie. Dzięki tej technice wybrane składniki w złożonym systemie mogą być znakowane przez wymianę izotopową. W zależności od jego kontrastu - kwadratu różnicy między gęstością długości rozpraszania a gęstością innych składników - wybrane składniki lub obszary w złożonej miękkiej materii lub morfologii biofizycznej mogą być widoczne lub niewidoczne w eksperymencie rozpraszania bez chemicznej zmiany układu. Ponadto neutrony są wysoce penetrujące i mogą być używane jako sondy nieniszczące oraz do badania próbek w specjalnych środowiskach, w których można niezawodnie zmierzyć i skorygować udział dodatkowych materiałów umieszczonych w wiązce.

Eksperymenty z elastycznym rozpraszaniem dostarczają informacji o strukturze i morfologii próbki. Natężenie rozproszenia mierzy się w przestrzeni odwrotnej w funkcji przeniesienia pędu Q, gdzie Q=4π/λ sin Θ/2, gdzie λ - długość fali neutronów, a Θ - kąt rozpraszania; jest to następnie przekształcane w przestrzeń rzeczywistą za pomocą odwrotnej transformacji Fouriera. Tak więc duże wartości Q odnoszą się do krótkich skal długości, z korelacjami międzyatomowymi badanymi za pomocą klasycznej dyfrakcji neutronów (ND). Przy małych wartościach Q, duże skale długości mogą być badane przez rozpraszanie neutronów pod małymi kątami (SANS). Zazwyczaj pojedyncze lub składające się syntetyczne lub naturalne makrocząsteczki w roztworze, stopie, filmie lub próbkach masowych są charakteryzowane w szerokiej skali długości, od rozmiarów nanometrowych i mikrometrowych, poprzez zastosowanie klasycznych technik SANS otworkowych i ultra-SANS (opartych na ogniskowaniu lub dyfraktometrii monokrystalicznej). Jednak połączenie różnych metod lub urządzeń w celu uzyskania pełnej charakterystyki strukturalnej jest czasami trudne ze względu na takie kwestie, jak dostępna ilość próbki, stabilność próbek w długich skalach czasowych, odtwarzalność efektów w specjalnych warunkach termodynamicznych oraz wspólna analiza danych eksperymentalnych uzyskanych w różnych geometriach eksperymentalnych. Co więcej, badania, które zajmują się strukturami i szybkimi zmianami strukturalnymi, które charakteryzują się wysoką rozdzielczością przestrzenną lub czasową, są bardzo wymagające, wymagając bardzo specjalnych układów eksperymentalnych. W związku z tym rozwój wysoce wszechstronnych urządzeń SANS, w których granice mogą być przesuwane poza typową konfigurację w łatwy i praktyczny sposób, jest korzystny dla spełnienia wszystkich specjalnych wymagań społeczności użytkowników.

Dyfraktometr SANS KWS-2 (Rysunek 1), obsługiwany przez Jülich Centre of Neutron Science (JCNS) w Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) w Garching, był pierwotnie klasycznym instrumentem otworkowym SANS korzystającym z wysokiego strumienia neutronów (Rysunek uzupełniający 1) dostarczanego^{przez źródło} neutronów FRM II 1 i dedykowany system prowadzący^2-4. Po wielokrotnych modernizacjach instrument został zoptymalizowany do eksploracji szerokiego zakresu Q, od 1x10-4 do 0,5 ^A-1, zapewniając wysoką intensywność neutronów i regulowaną rozdzielczość. Dzięki dostępności specyficznych środowisk pobierania próbek i urządzeń pomocniczych (Tabela 1), instrument może być wyposażony do badania miękkiej materii i układów biofizycznych w szerokiej skali długości, od nm do μm, poprzez pomiary statyczne; Może również wykonywać badania czasowo-rozdzielcze struktur i morfologii w stanie równowagi lub w trakcie transformacji w wyniku procesów kinetycznych, obejmując szeroką skalę czasową od minut do dziesiątek milisekund. W konwencjonalnym trybie pracy (rysunek 2A) zakres Q od 7x10-4 ^Å-1 do 0,5 ^A-1 może być pokryty poprzez zmianę odległości od próbki do detektora i/lub długości fali. W związku z tym poziomy strukturalne i efekty korelacji w skali długości od 10 A do 9 000 A można sprawdzić w przestrzeni rzeczywistej (gdzie wymiar jest uważany za 2π/Q). wybór długości fali, między 4,5 A a 20 A, za pomocą mechanicznego monochromatora (selektora prędkości), który zapewnia rozpiętość długości fali Δλ/λ= 20%, zmienność warunków kolimacji (długość kolimacji L_C i otwory apertury, A_C - apertura wejściowa, podążająca za ostatnim segmentem przewodnika neutronów w wiązce, oraz A_S - apertura próbki, tuż przed próbką) i odległości wykrywania L_D są wykonywane automatycznie, za pomocą sterowania komputerowego.

Ostatnio przeprowadzono znaczne ulepszenia intensywności próbki, rozdzielczości instrumentu, minimalnego przenoszenia pędu Q_m oraz szybkiego wykrywania przy wysokich szybkościach zliczania w zakresie MHz, co miało na celu zwiększenie wydajności instrumentu. Podczas tego procesu instrument został wyposażony w dodatkowe funkcje.

Istnieje dwutarczowy chopper⁵ ze zmiennymi otworami szczelinowymi (Rysunek uzupełniający 2) i trybem akwizycji danych czasu przelotu (TOF). Rozdrabniacz może pracować ze zmienną częstotliwością dla_{rozdrabniacza} w zakresie od 10 Hz do 100 Hz oraz przy otworach kątowych dwóch okien rozdrabniacza między kątami 0° ≤ Δφ ≤ 90° poprzez zmianę położenia dwóch tarcz względem siebie. Poprawę rozdzielczości długości fali Δλ/λ uzyskuje się poprzez skrócenie czasu otwarcia przewodnika neutronów τ_w poprzez zmniejszenie Δφ i/lub zwiększenie _fhoppera. Powstałe impulsy zarejestrowane na detektorze są dzielone na odpowiednią liczbę kanałów czasowych, które odpowiadają szerokości τ_w i charakteryzują się celowaną wartością Δλ/λ.

Istnieją również elementy skupiające wykonane z fluorytu magnezu MgF₂ soczewki paraboliczne⁶ o średnicy 50 mm (Rysunek 1). 26 soczewek MgF₂ są pogrupowane w trzy pakiety (4+6+16 soczewek), które mogą być poruszane niezależnie w wiązce, aby uzyskać warunki ogniskowania o różnych długościach fal λ= 7-20 A. W celu zwiększenia transmisji poprzez zmniejszenie rozpraszania na fononach w materiale soczewki, soczewki są utrzymywane w temperaturze 70 K za pomocą specjalnego systemu chłodzenia.

Istnieje drugorzędny detektor scyntylacyjny o wysokiej rozdzielczości o rozdzielczości 1 mm i rozmiarze piksela 0,45 mm. Detektor jest zwykle umieszczany w wieży na szczycie zbiornika próżniowego w stałej odległości L_D = 17 m i może być przesuwany pionowo do lub poza wiązką (rysunek 1). Detektor główny jest zaparkowany w położeniu końcowym zbiornika na głębokości 20 m, natomiast detektor wtórny porusza się w wiązce, gdy wykonywane są badania w wysokiej rozdzielczości (niskie Q) przy użyciu soczewek^4,7. Detektor wtórny jest umieszczony w jednym ogniskowym układu soczewek, podczas gdy mała apertura wejściowa przy L_C = 20 m znajdowałaby się w tym przypadku w drugim punkcie ogniskowym.

Istnieje nowy główny system detekcji, który składa się z tablicy 144 lamp ³He (o globalnej wydajności na rurę 85% dla λ = 5 A) i który definiuje aktywny obszar detekcji równy 0,9^m2 (Rysunek 1). Innowacyjna elektronika szybkiego odczytu zamontowana w zamkniętej obudowie z tyłu ramy lampy ³He poprawia charakterystykę odczytu i redukuje szumy tła. Nowy system, który zastąpił stary detektor scyntylacyjny ⁽scyntylator 6 Li i układ fotopowielaczy 8x8, ilustracja 1) charakteryzuje się efektywną stałą czasu martwego wynoszącą 25 nsec i ogólną szybkością zliczania wynoszącą 5 MHz przy 10% czasie martwym dla płaskich profili. Cechy te wynikają z faktu, że system zawiera niezależne kanały działające równolegle, co stanowi przewagę nad systemami, które doświadczają martwego czasu po zdarzeniu. Znacznie wyższy wskaźnik zliczania skraca czas pomiaru, a tym samym zwiększa liczbę eksperymentów, które można przeprowadzić w tym samym okresie.

Dzięki tym wszystkim innowacjom, instrument stał się bardzo wszechstronnym narzędziem, które może zająć się szerokim zakresem badań strukturalnych, oferując wiele trybów pracy (Tabela 2), które można wybrać i używać w sposób bezpośredni i przyjazny dla użytkownika. W trybie wysokiej intensywności (ilustracja 2B) dzięki zwiększeniu wielkości próbki można osiągnąć nawet dwunastokrotny przyrost intensywności w porównaniu z konwencjonalnym trybem otworkowym przy tej samej rozdzielczości. W trybie regulowanej rozdzielczości z chopperem i akwizycją danych TOF, lepsza charakterystyka cech rozpraszania w różnych zakresach Q jest możliwa dzięki możliwości zmiany rozdzielczości długości fali Δλ/λ w zakresie od 2% do 20%⁵. W rozszerzonym trybie Q-range (rysunek 2C), przy użyciu soczewek i wtórnego detektora o wysokiej rozdzielczości, można osiągnąć Q_m tak niskie, jak 1 x 10-4 ^Å-1, co w połączeniu z trybem otworkowym umożliwia eksplorację rozmiarów w ciągłej skali długości od zakresu nm do zakresu mikronów. Zastosowanie rozdrabniacza do zwężania Δλ/λ zapewnia dokładną charakterystykę wiązki, unikając efektów grawitacyjnych i chromatycznych podczas korzystania z soczewek. W trybie czasu rzeczywistego, wykorzystując wysoką intensywność i zewnętrzne wyzwalanie akwizycji danych przez środowiska próbne, zmiany strukturalne można rozwiązać z rozdzielczością czasową do 50 ms. Poprawiając rozdzielczość długości fali do Δλ/λ= 5% za pomocą helikoptera, można uzyskać rozdzielczość czasową nawet 2 ms.

Tutaj szczegółowo prezentujemy protokół dotyczący sposobu przeprowadzania typowych eksperymentów na KWS-2 w jego różnych trybach pracy oraz jak można uzyskać informacje strukturalne z badanych próbek z zebranych danych poprzez redukcję danych. W tej demonstracji użyjemy SANS do scharakteryzowania kilku rozmiarów standardowych roztworów cząstek i jednego wysoce stężonego polimerowego roztworu micelarnego, aby pokazać, w jaki sposób można badać rozmiar i porządek w szerokim zakresie w elastyczny i wydajny sposób za pomocą KWS-2 podczas jednej sesji eksperymentalnej. Sferyczne cząstki polistyrenu o różnych rozmiarach (promienie R = 150, 350, 500, 1 000 i 4 000 A) i wielkości polidyspersji σ_R 8% są zdyspergowane w roztworze wodnym (mieszanina 90% D₂O i 10% H₂O) o ułamku objętościowym 1%. Micele utworzone przez kopolimery diblokowe C₂₈H_57-PEO5 w D₂O w stężeniu 12% wykazują uporządkowaną strukturę.

Protokół

1. Wczytywanie komórek próbki

1. Zdyspersjonować sferyczne cząstki polistyrenu o różnych rozmiarach (promienie R = 150, 350, 500, 1,000 i 4,000 A) i wielkości polidyspersji σ_R 8% w roztworze wodnym (mieszanina 90%_D2O i 10%_H2O) przy ułamku objętościowym 1%.
2. Przenieść sześć roztworów cząstek polistyrenu w D₂O/H₂O, roztwór C₂₈H 57-PEO5 w D ₂O oraz rozpuszczalniki D₂O/H₂O i D₂O do komórek kwarcowych (rysunek 3) za pomocą pipet Pasteura. Wypełnij każdą z komórek kwarcu aż po szyję. Zamknij komórki kwarcowe korkami.
   UWAGA: Operacja napełniania kuwet kwarcowych próbkami musi być przeprowadzana w laboratorium przygotowania próbek FRM II, zgodnie z określonymi tam specjalnymi warunkami pracy.
3. Zainstaluj wypełnione ogniwa kwarcowe we wkładach aluminiowych uchwytu próbki (rysunki 3). Umieść każdą wypełnioną komórkę kwarcową we wnęce wkładu i sprawdź, czy kuweta kwarcowa jest wypełniona wystarczającą ilością próbki, określając, czy próbka całkowicie zakrywa otwór okienny we wkładzie, który jest przeznaczony dla neutronów. Umieść korektę i próbki wzorcowe (pustą kuwetę kwarcową, płytkę z węglika boru i płytkę z pleksiglasu) w dodatkowych miejscach na kartridżu i pozostaw jedno miejsce wolne na pomiar pustej wiązki.
4. Przykryj wkład płytkami pokrywy aluminiowej pokrytymi powłoką CD (Rysunek 3) za pomocą z walcowym (M3x5). Zamocuj wkład na ramie aluminiowej uchwytu próbki za pomocą specjalnych Al (Rysunek 4).

2. Umiejscowienie uchwytu na próbkę/środowiska próbki na stoliku na próbkę

1. Określić niezbędną przestrzeń w miejscu uchwytu na próbkę poprzez regulację długości nosa kolimacyjnego (rysunek 5). Wybierz odpowiednią konfigurację dla uchwytu próbki z konfiguracji zapisanych w systemie sterowania noskiem kolimacyjnym
.
2. Zainstaluj odpowiedni uchwyt próbki/środowisko próbki na stoliku próbki w określonej pozycji na płytki stykowej za pomocą imbusowych M6x40 (Rysunek 6).
3. Zamknij zmotoryzowane drzwi przesuwne (Rysunek 5) za pomocą pokręteł po ich zewnętrznej stronie, przytrzymując pokrętła sterujące włączone, aż drzwi osiągną pozycję końcową, co zostanie zasygnalizowane sygnałem świetlnym.
   Ostrzeżenie: Bez całkowicie zamkniętych drzwi i włączonego wyłącznika krańcowego nie można otworzyć żaluzji wiązki, ani ręcznie, ani za pomocą oprogramowania sterującego pomiarami; Oprogramowanie pomiarowe będzie wymagało dodatkowego sprawdzenia tego problemu przed rozpoczęciem pomiaru.

3. Planowanie eksperymentów

1. Należy wybrać odpowiednią konfigurację i tryb eksperymentalny do przeprowadzenia badania w zakresie Q, który jest odpowiedni dla skali długości struktur i efektów korelacji ujawnionych przez próbkę. Sprawdź zakres dynamiki przyrządu⁴ (Rysunek 7 i Tabela 2).
2. Wybierz odpowiednią konfigurację i tryb eksperymentalny, aby umożliwić odpowiednią intensywność próbki w oparciu o szacowany poziom intensywności rozproszenia, znając przybliżoną wielkość, stężenie i współczynnik kontrastu, które charakteryzują próbki, które mają być badane⁸. Ma to na celu optymalizację czasu pomiaru dla docelowej statystyki pomiarowej i dopasowanie stabilności próbki w przypadku próbek o krótkim czasie stabilności. Sprawdzić mapę intensywności dla różnych konfiguracji doświadczalnych⁴ (rysunek uzupełniający 1 i tabela 2).
3. Wybierz odpowiednią konfigurację i tryb eksperymentalny, aby zapewnić właściwą rozdzielczość w oparciu o przybliżoną wiedzę na temat stopnia polidyspersyjności w rozmiarze i koncentracji obiektów rozpraszających w próbce⁸. Odbywa się to w celu umożliwienia rozdzielczości cech drobnego rozpraszania, które występują w wyniku efektów porządkowania w próbce. Sprawdź, czy istnieje możliwość dostrojenia rozdzielczości długości fali⁵ (Tabela 2).

4. Przygotowanie oprogramowania pomiarowego oraz przeprowadzenie i wizualizacja eksperymentu

1. Uruchom oprogramowanie pomiarowe, wpisując KWS2TC w oknie terminala na komputerze sterującym pomiarem przyrządu KWS-2 w celu aktywacji menu głównego (rysunek uzupełniający 3). Użyj lewego zestawu funkcji, aby zdefiniować podstawowe pozycje silnika (Konfiguracja), wybrać próbki i warunki konfiguracji (Definicja), rozpocząć pomiar i nadzorować wszystkie silniki (Sterowanie) oraz nadzorować rzeczywisty detektor (Live-Display).
2. Wybierz funkcję konfiguracji w menu głównym, aby aktywować menu konfiguracyjne kws2 (rysunek uzupełniający 4) w celu zdefiniowania danych użytkownika i skonfigurowania podstawowych pozycji silnika oraz nastaw dla urządzeń i pól na próbce.
   1. Wybierz funkcję UserData (Rysunek uzupełniający 4) i wypełnij pola Nazwa użytkownika, E-mail, Pierwsza część nazwy pliku i Komentarz do pomiaru w menu Dane użytkownika (przeglądanie/edycja). Opuść menu, klikając Zapisz.
      Uwaga: Nie należy używać znaków specjalnych, takich jak @, $, % itp., jako prefiksu nazwy pliku. Unikaj używania znaków specjalnych podczas całej procedury eksperymentalnej.
   2. Wybierz funkcję Sample (Rysunek uzupełniający 4), aby aktywować menu konfiguracji Sample (Rysunek uzupełniający 4). Wypełnij pola Tytuł próbki, Okno belki próbki - Rozmiar, Grubość próbki i Komentarz dla każdej próbki i pozycji wybranej z lewej pionowej listy menu. Zapisz każdą przykładową konfigurację po zakończeniu definiowania. Opuść menu, klikając przycisk Zamknij.
   3. Zapisz wszystkie konfiguracje w funkcji Plik w górnym zestawie funkcji w menu Konfiguracja.
3. Wybierz funkcję Definicja w menu głównym (Rysunek uzupełniający 3), aby aktywować menu definicji kws2 (Rysunek uzupełniający 5) w celu zdefiniowania konfiguracji eksperymentalnej i programu pomiarowego.
   1. Wybierz funkcję Sample, aby aktywować menu Select Samples (Rysunek uzupełniający 5).
      1. Wybierz dwanaście próbek, które muszą zostać zmierzone (jak pokazano na rysunku 3) z listy znanych próbek w lewym polu pionowym i przenieś je do pola Wybrane próbki za pomocą niebieskiej strzałki. Uporządkuj listę wybranych próbek za pomocą niebieskich pionowych strzałek.
      2. Sprawdź parametry próbki i w razie potrzeby dostosuj nazwę, grubość i komentarz. Opuść menu, klikając Zapisz lub Zamknij.
   2. Wybierz funkcję detektora, aby aktywować menu Definicja pomiarów (rysunek uzupełniający 6).
      1. Wybierz typ pomiaru statycznego, wybierając opcję Standardowy w obszarze Pomiar. W obszarze Warunki końcowe wybierz odpowiednią jednostkę czasu dla czasu pomiaru w terenie.
      2. W obszarze Wybierz odległości detektora i kolimacji wybierz konfigurację eksperymentalną i tryb pracy, wybierając odpowiednie wartości długości fali (pole wyboru), odległości wykrywania (pole odległości detektora), trybu akwizycji danych (pole TOF), rozdzielczości docelowej długości fali (pole DLambda/Lambda), czasu pomiaru (pole czasu), konfiguracji soczewek (pole soczewek) i odległości kolimacji (pole Odległość kolimacji).
      3. Kliknij przycisk Nowy po całkowitym zdefiniowaniu jednej konfiguracji, aby ją naprawić i zapisać w dolnej tabeli. Zdefiniuj następną konfigurację i przechowuj ją w podobny sposób, dopóki cały zestaw konfiguracji (Rysunek uzupełniający 6) nie zostanie ukończony. Naciśnij Zapisz lub Zamknij w menu Definicja pomiarów po zakończeniu regulacji ustawień eksperymentalnych i trybów pracy.
      4. Posortuj listę pomiarów według trzech pętli (warunków sortowania) pokazanych na dole menu wygenerowanego przez program (rysunek uzupełniający 7). Usuń pomiary, które nie są pożądane, zaznaczając odpowiednią linię i klikając przycisk "X" zaznaczony na czerwono. Dostosuj czas pomiaru dla każdego pomiaru zgodnie z potrzebami, sprawdzając całkowity zdefiniowany czas pomiaru w centralnym polu, zaznaczonym na czerwono, w menu kws2 Definition, które zawsze pozostaje aktywne na ekranie.
      5. Wyjdź z menu za pomocą opcji Zapisz lub Zamknij i wróć do menu definicji kws2 (rysunek uzupełniający 5). Zamknij menu definicji kws2 i wróć do menu głównego (rysunek uzupełniający 3).
4. Wybierz funkcję sterowania w menu głównym oprogramowania pomiarowego KWS2 (rysunek uzupełniający 3), aby aktywować menu sterowania pomiarem (rysunek uzupełniający 8).
   1. Zaloguj się za pomocą nazwy użytkownika i hasła, które zostaną przekazane przez naukowca instrumentu i zablokuj sesję generowania skryptu, który wykona polecenia przesłanego programu pomiarowego. Wybierz opcję Loop Definition (Definicja pętli), aby sprawdzić wgrany program pomiarowy.
   2. Naciśnij przycisk Start i odpowiedz na pytania wygenerowane przez program dotyczące aktualnego stanu drzwi położenia próbki i żaluzji belki. Zostanie uruchomiony program pomiarowy. Wybierz Wartości bieżące, aby umożliwić wizualizację trwającego pomiaru (pozycje silników i stan komponentów przyrządu, szybkość zliczania i ewolucję intensywności całkowania w czasie).
      UWAGA: Integralna intensywność detektora oraz szybkości zliczania detektora i monitorów są pokazane i mogą być wykorzystane do zmiany programu pomiarowego, zarówno pojedynczo, jak i całego zestawu pomiarów.
5. Pozwól, aby pomiary były przeprowadzane i kończone zgodnie ze zdefiniowanym programem pomiarowym.
   UWAGA: Pomiary można przerwać lub zatrzymać, aktywując funkcję Stop i wybierając żądaną opcję (kontynuować, zatrzymać bieżący pomiar z zapisaniem pliku lub bez niego, lub zatrzymać cały program), gdy integralna intensywność zebrana do określonego punktu czasowego zostanie uznana za wystarczającą lub gdy w sekwencji pomiarów zostaną zidentyfikowane awarie.
   1. Wygeneruj dziennik sesji pomiarowej, klikając przycisk Drukuj pod opcją Definicje pętli (rysunek uzupełniający 8), gdy zdefiniowany program pomiarowy został zatrzymany lub zakończony.
6. Wybierz Live-Display w menu głównym oprogramowania pomiarowego KWS2 (rysunek uzupełniający 3), aby aktywować interfejs KWSlive_MainWindow (rysunek uzupełniający 9).
   1. Na ekranie Type (Typ) wybierz opcję GEDET (GEDET) lub PSD (PSD), aby zobrazować dane zebrane odpowiednio za pomocą detektora głównego lub wtórnego (o wysokiej rozdzielczości). Wybierz tryb wizualizacji w trybie wyświetlania, wybierając tryb trójwymiarowy (powierzchnia), dwuwymiarowy (kontur) lub jednowymiarowy (średnia radialna). Wprowadź opcje wykresu (skala liniowa lub logarytmiczna) oraz wartości parametrów (długość fali i odległość wykrywania L_D) w polach menu opcji Średnia radialna, aby umożliwić prezentację danych jako n intensywności (nieskorygowanej) w funkcji Q.
   2. Wybierz żądany kanał TOF, aby wizualizować dane zebrane w trybie TOF (z detektorem głównym lub wtórnym).

5. Analiza danych

1. Uruchom oprogramowanie do przetwarzania danych, wpisując polecenie qtiKWS w oknie terminala komputera do analizy danych instrumentu KWS-2. Wybierz opcję Nowy skrypt po prawej stronie głównego interfejsu.
2. Wybierz opcję DAN w górnym menu funkcji głównego interfejsu (Rysunek uzupełniający 10), aby aktywować funkcje analizy danych. Wybierz przyrząd KWS-2 z Opcji w menu po prawej stronie, aby aktywować tryb analizy danych dla danych mierzonych na KWS-2 za pomocą detektora głównego. Zdefiniuj folder, w którym znajdują się pliki danych pomiarowych i w którym będą przechowywane pliki skorygowanych danych.
3. Wybierz opcję Narzędzia i aktywuj funkcję Nagłówek (nagłówki) w menu po prawej stronie (Rysunek uzupełniający 11) i wygeneruj tabelę informacyjną zawierającą pliki do przetworzenia. Zdefiniuj nazwę tabeli, klikając lewy zestaw zielonych strzałek w polu Nagłówki. Załaduj zmierzone pliki, klikając prawy zestaw zielonych strzałek w polu Nagłówek (nagłówki) i wybierając zmierzone pliki.
   UWAGA: Tabela informacyjna, która zawiera pełne informacje o każdym pliku pomiarowym, jest przechowywana w menu przypominającym eksplorator w dolnej części projektu. Wszystkie wyniki, które zostaną wygenerowane w dalszej części projektu, zostaną tam zapisane.
4. Aktywuj funkcję maski w menu po prawej stronie (rysunek uzupełniający 12) i wygeneruj aktywną maskę, która określa obszar detektora, który będzie brany pod uwagę przy przetwarzaniu danych. Wprowadź wartości w polach Krawędź i Koniec belki w celu zdefiniowania lewego dolnego i prawego górnego rogu maski prostokątnej w przypadku analizy izotropowych wzorców rozpraszania.
5. Aktywuj funkcję Czułość w menu po prawej stronie (Rysunek uzupełniający 13) i wygeneruj czułość detektora dla określonej konfiguracji, wprowadzając w zaznaczonych zielonych polach numery przebiegów dla pomiarów próbki wzorcowej (pleksi), pustej wiązki (EB) i wiązki zablokowanej (B4C).
   1. Kliknij zestaw zielonych strzałek obok żółtego pola (Transmisja), aby obliczyć transmisję próbki wzorcowej. Wygeneruj i nazwij macierz czułości, wybierając opcję Oblicz jako nowy, a następnie zwizualizuj wygenerowaną macierz przy użyciu odpowiednich funkcji wykresu w dolnym menu. Powtórz tę procedurę w przypadku innych konfiguracji.
6. Aktywuj funkcję przetwarzania danych w menu po prawej stronie (rysunek uzupełniający 14) i wygeneruj tabelę korekcji i kalibracji oraz tabelę skryptów w celu skorygowania, skalibrowania i przeprowadzenia uśredniania promieniowego danych.
   1. Zdefiniuj liczbę warunków używanych w eksperymencie za pomocą poziomego suwaka w górnej części menu po prawej stronie (czerwona strzałka). Wypełnij pola oznaczone żółtym ołówkiem, wprowadzając dla każdego warunku eksperymentalnego numery serii dla pustej komórki (EC), zablokowanej wiązki (B4C) i próbek standardowych - pleksiglasu (Abs. Cal. FS), pustej wiązki dla standardowej korekcji (Abs. Cal. EB) i zablokowanej belki dla standardowej korekcji (Abs. Cal. B4C).
   2. Wprowadź numery serii pomiarów z silnym rozpraszaniem do przodu w polu Środek. Wprowadzić numer przebiegu pustej wiązki w polu EB i wybrać odpowiedni warunek doświadczalny do obliczenia transmisji próbek, zaznaczając pole obok funkcji Tr (Ec-to-EB).
   3. Kliknij każdy przycisk oznaczony zestawem obracających się zielonych strzałek w pionowej serii opcji (rysunek uzupełniający 14), aby załadować informacje potrzebne do przetwarzania danych ze zdefiniowanych plików i obliczyć transmisję pustej komórki. Kliknij nagłówek każdej żółtej kolumny, aby zdefiniować nazwę kolumny.
   4. Kliknij przycisk Nowy, aby wygenerować i nazwać tabelę plików danych, które będą przetwarzane. Kliknij przycisk Dodaj, aby załadować pliki danych, które będą przetwarzane. Kliknij przycisk Tr oznaczony zestawem obracających się zielonych strzałek w obszarze Narzędzia tabeli skryptów, aby obliczyć transmisję każdej próbki. Sprawdź wyniki w wygenerowanej tabeli (rysunek uzupełniający 14).
   5. Wybierz Projekt w prawym dolnym rogu interfejsu (Rysunek uzupełniający 14), aby zapisać wszystkie wyniki jako tabele lub macierze w bieżącej sesji qtiKWS (projekcie). Kliknij przycisk I[x,y], aby wykonać korektę i kalibrację danych dwuwymiarowych. Kliknij przycisk I(Q), aby przeprowadzić korekcję, kalibrację i uśrednianie promieniowe danych. Wykreśl wyniki, korzystając z funkcji graficznych w opcji Wykres (rysunek uzupełniający 15).
      UWAGA: Wszystkie wyniki zostaną wygenerowane jako pliki zewnętrzne, które zostaną zapisane w folderze zewnętrznym zdefiniowanym w kroku 5.2, gdy w prawym dolnym rogu interfejsu wybrano Plik zamiast Projekt.
7. Wybierz Narzędzia z menu po prawej stronie (Rysunek uzupełniający 11) i aktywuj TOF|Opcja RT (Rysunek uzupełniający 16) w celu podzielenia danych, które zostały zebrane za pomocą detektora głównego w trybie pracy TOF, na pojedyncze pliki odpowiadające każdemu kanałowi czasowemu.
   1. Kliknij funkcję TOF :: Oblicz parametry i załaduj jeden plik, z którego pobierane są informacje o warunkach TOF. Kliknij na przycisk TOF|RT :: Sum vs Number :: Odczyt funkcji i załadowanie interesującego Cię pliku, mierzonego w czasie rzeczywistym lub w trybie DOF, w celu wygenerowania tabeli sum-tof-file, takiej jak ta pokazana po lewej stronie interfejsu roboczego. Wykreślić natężenie całki w funkcji kanałów czasowych (rysunek uzupełniający 16) z pliku sumy, korzystając z opcji graficznych w sekcji Funkcja wykresu w górnym menu funkcji.
   2. Określ parametry przetwarzania w polach funkcji POF. Kliknij przycisk TOF|RT :: Wszystkie wybrane kroki :: Przycisk Kontynuuj w celu załadowania plików danych, które zostaną rozdzielone na pojedyncze pliki odpowiadające każdemu ze zdefiniowanych przedziałów czasowych.
      UWAGA: Pliki zawierające dane zmierzone w każdym przedziale czasowym są generowane i przechowywane w lokalizacji pliku zdefiniowanej w kroku 5.2 i otrzymują nazwę oryginalnego pliku TOF, po którym następuje numer przedziału czasowego.
   3. Postępować jak w kroku 5.6 w celu przeanalizowania zmierzonych danych z poprawioną rozdzielczością, odpowiadającą_wyznaczonemu Δλ\λ, za pomocą rozdrabniacza.
8. Wybierz przyrząd KWS2-HRD z Opcji w menu po prawej stronie interfejsu głównego (Rysunek uzupełniający 17), aby aktywować tryb analizy danych dla danych mierzonych za pomocą KWS-2 przy użyciu wtórnego detektora o wysokiej rozdzielczości. Aktywuj funkcję maski w menu po prawej stronie (rysunek uzupełniający 18A) i wygeneruj aktywną maskę, która definiuje aktywny obszar detektora.
   1. Wybierz opcję DANP w górnym menu funkcji głównego interfejsu (Rysunek uzupełniający 18B). Wybierz opcję ASCII.2D w menu po prawej stronie. Aktywuj funkcję maskowania 2D, aby zdefiniować specjalny sektor na detektorze, który będzie brany pod uwagę przy analizie danych.
   2. Wprowadź środek zatrzymania wiązki w środku pola. Wybierz macierz maski i wartość 0 w Maska :: Warunki, aby pominąć zewnętrzny obszar maski specjalnej. Wybierz sektor kątowy i kliknij kolorowy przycisk po prawej stronie pól sektorów. Postępuj zgodnie z danymi zmierzonymi za pomocą detektora o wysokiej rozdzielczości, jak w krokach 5.5 i 5.6.
9. Zapisz projekt qtiKWS (zapisz funkcje w opcji Plik w górnym menu).

Wyniki

Reprezentatywne wyniki udanego eksperymentu, który został przeprowadzony z KWS-2 w różnych trybach pracy nad strukturą i morfologią dwóch reprezentatywnych typów układów miękkiej materii, są podane na rysunkach 8-11. Wyniki te pochodzą z badań szeregu cząstek polistyrenu o standardowej wielkości w roztworach D₂O/_{H 2}O, o zawartości D₂O 90% oraz w pełni protonowanego kopolimeru diblokowego C₂₈H_57-PEO5 w D₂O o wysokiej frakcji objętościowej polimeru (12%). Cząstki polistyrenu o standardowych rozmiarach, o promieniach R = 150, 350, 500 i 1000 A, wykorzystano do przetestowania konwencjonalnego trybu otworkowego przy użyciu różnych kombinacji odległości wykrywania L_D i długości fal λ. Cząstki o większych rozmiarach (R = 4 000 A) wykorzystano do przetestowania i uruchomienia rozszerzonego trybu Q-range. Kopolimer diblokowy, który daje uporządkowaną strukturę micelarną przy wysokich stężeniach_D2O, został wykorzystany do przetestowania i uruchomienia trybu przestrajalnej rozdzielczości.

Rysunek 8 przedstawia wyniki dwuwymiarowych wzorców rozpraszania zmierzonych w trybie otworkowym przy użyciu głównego detektora (starego detektora scyntylacyjnego) oraz w rozszerzonym trybie Q-range przy użyciu soczewek skupiających i detektora wtórnego o wysokiej rozdzielczości. Rysunek 8A przedstawia wzór rozpraszania od cząstek polistyrenu o R = 500 A mierzonym przy L_D = 8 m przy użyciu λ = 5 A. Rysunek 8B przedstawia wzór rozpraszania od cząstek polistyrenu o R = 1 000 A, zebranych w L_D = 20 m przy użyciu λ = 20 A. W przypadku pomiarów wykonywanych przy λ = 5 A wiązka bezpośrednia była zbierana na centralnym ograniczniku wiązki zainstalowanym przed detektorem, a transmitowana wiązka mogła być monitorowana za pomocą małego licznika ³He, który był zainstalowany w środku ogranicznika wiązki. Jest to tzw. Monitor 3 (Rysunek Uzupełniający 8). Przyrząd posiada dwa dodatkowe ^{liczniki 3}He, które są zainstalowane przed selektorem prędkości (Monitor 1) w celu monitorowania wiązki polichromatycznej oraz za selektorem prędkości (Monitor 2) w celu monitorowania wiązki monochromatycznej. Ze względu na ograniczenia techniczne, pomiary przy λ = 20 A były wykonywane przy bezpośredniej wiązce na detektorze, co było typowym ustawieniem stosowanym w starym detektorze KWS-2. Słabsza, bezpośrednia intensywność wiązki na długich falach, która spada pod wpływem grawitacji, mogła zostać wykryta bez uszkodzenia detektora. Transmitowana wiązka w tym przypadku była monitorowana za pomocą Monitora 3 przy niewielkiej odległości wykrywania L_D = 2 m. W tym przypadku efekty grawitacyjne są słabe, a bezpośrednia wiązka pada na ogranicznik wiązki (jak na rysunku 8A). Dane zebrane dwuwymiarowo na detektorze dla rozmiaru piksela 5,25 mm x 5,25 mm zostały następnie skorygowane o czułość detektora, a wkłady z pustej komórki, tła instrumentu i rozpuszczalnika zostały bezwzględnie skalibrowane przy użyciu rozpraszania z wtórnego wzorca pleksiglasu⁴. Na koniec wzorce rozpraszania, które były izotropowo rozłożone wokół pozycji Q→0, zostały uśrednione promieniowo, co dostarczyło dΣ/dΩ dla każdego układu cząstek polistyrenu.

Dwuwymiarowy wzór rozpraszania od dużych cząstek polistyrenu (R = 4,000 A) jest pokazany na rysunku 8C, ponieważ został zmierzony za pomocą detektora o wysokiej rozdzielczości dla rozmiaru piksela 0,5 mm x 0,5 mm. Mała wiązka bezpośrednia jest skupiana przez system soczewek na planie detekcji i jest przechwytywana przez mały ogranicznik wiązki (4 mm x 4 mm) zainstalowany na powierzchni detektora. Cień od kwadratowego ogranicznika wiązki można zaobserwować na rysunku 8C w lewym górnym rogu obszaru aktywnego detektora. Efekty grawitacyjne indukują szeroki pionowy rozkład neutronów o różnych długościach fal na detektorze. Dodatkowo, ponieważ soczewki są idealnie zogniskowane, tylko neutrony charakteryzujące się centralną długością fali λ rozkładu trójkątnego są dostarczane przez selektor prędkości^2,5; Neutrony o różnych długościach fal wokół centralnego docierają do detektora nieco nieostre. Te dwa efekty dają słabe bezpośrednie ślady wiązki, które można zaobserwować tuż nad i poniżej ogranicznika wiązki. W statycznym rozszerzonym trybie Q-range z wykorzystaniem soczewek i detektora o wysokiej rozdzielczości dane są zbierane w sposób ciągły. W celu zmniejszenia udziału efektów grawitacji, rozproszone dane są analizowane w wąskim sektorze kątowym, który zaczyna się od ogranicznika wiązki i rozciąga się poziomo w prawo, jak pokazano na rysunku 8C. Dane są dalej przetwarzane przy użyciu typowego podejścia do osiągania dΣ/dΩ. Rysunek 8D przedstawia natężenie w funkcji położenia od zatrzymacza wiązki w kierunku krawędzi detektora, ponieważ zostało ono zebrane w wąskim poziomym wycinku o szerokości 1 piksela (0,5 mm) na detektorze o wysokiej rozdzielczości. Dane z roztworu próbki i wzorca (rozpuszczalnika) przedstawiono w takiej postaci, w jakiej zostały zebrane, w krótkim pomiarze testowym trwającym 5 minut. Spadek intensywności w krótkich pozycjach jest spowodowany zatrzymaniem wiązki. Na podstawie stosunku natężeń w najkrótszych pozycjach można było oszacować transmisję próbki (87%).

Poprawione i skalibrowane wyniki uzyskane pod względem dΣ/dΩ na roztworze cząstek polistyrenu o R = 500 A są pokazane na rysunku 9, razem z tymi z rozpuszczalnika. Wyniki te ilustrują zakres Q, który można pokryć za pomocą KWS-2 w konwencjonalnym trybie otworkowym poprzez zmianę pozycji detekcji L_D i użycie jednej lub więcej długości fal. Ujawnia się również^8,9 sferycznych cząstek: obszar Guiniera przy niskim Q i oscylacje spowodowane sferyczną funkcją Bessela w pośrednim zakresie Q. W wysokim zakresie Q profil rozpraszania jest zdominowany przez rozpraszanie od rozpuszczalnika, a zatem wykazuje płaskie zachowanie, takie jak w przypadku samego rozpuszczalnika. Na minima współczynnika kształtu ma wpływ z jednej strony rozdzielczość^{urządzenia 5}, a z drugiej strony polidyspersyjność wielkości cząstek. Rozdzielczość instrumentu w przypadku KWS-2 zależy głównie od rozpiętości długości fal Δλ/λ= 20%. Wielkość polidyspersyjności dla wszystkich rodzajów cząstek wynosiła około σ_R = 8%. Na rysunku 10 przedstawiono wyniki uzyskane w badaniu SANS wszystkich rodzajów cząstek polistyrenu wyrażonych jako dΣ/dΩ po zastosowaniu poprawki o udział rozpuszczalnika. Obszary Guiniera są wyraźnie widoczne dla wszystkich cząstek w kierunku niskich wartości Q, podczas gdy w wysokich zakresach Q ujawnia się nachylenie -4, co jest typowe dla współczynnika kształtu obiektów sferycznych. Parametry strukturalne cząstek o standardowej wielkości zostały potwierdzone przez dopasowanie danych do współczynnika kształtu sfer polidyspersyjnych^8,9 splotowanych z funkcją rozdzielczości przyrządu^10-12.

Rysunek 11 przedstawia dwuwymiarowe i promieniowo uśrednione jednowymiarowe wzorce rozpraszania z uporządkowanej struktury miceli polimerowych C₂₈H_57-PEO5, która występuje w D₂O przy ułamku objętościowym polimeru wynoszącym 12%. Wyniki zebrano w różnych odległościach detekcji L_D, przy czym w tej samej sesji pomiarowej połączono zarówno konwencjonalne tryby rozdzielczości otworkowej, jak i przestrajalnej. Gdy układ jest badany w konwencjonalnym trybie otworkowym przy użyciu rozpiętości długości fali Δλ/λ= 20%, jak zapewnia selektor prędkości, i ciągłego (statycznego) gromadzenia danych, obserwuje się trzy szerokie piki we wzorcach rozpraszania przy L_D = 4 m. W trybie przestrajalnej rozdzielczości, za pomocą choppera i akwizycji danych TOF w połączeniu z selektorem prędkości, można poprawić rozpiętość długości fali, dzięki czemu można sprawdzić, czy te cechy są prawdziwe, czy też w końcu pojawi się ich delikatna struktura. Pierwszy i drugi pik zaobserwowane przy Δλ/λ= 20% ujawniają rozszczepienie, gdy są mierzone za pomocą Δλ/λ= 5%, co umożliwiło wyraźną identyfikację uporządkowania miceli w kryształy sześcienne skoncentrowane na powierzchni (fcc)^5,13.

To są dwa typowe przykłady tego, jak wszechstronność i wydajność dyfraktometru KWS-2 SANS może być wykorzystana w łatwy i przyjazny dla użytkownika sposób, postępując zgodnie z dostarczonym protokołem do prowadzenia szczegółowych badań miękkiej materii i systemów biofizycznych, które wykazują złożone cechy strukturalne pod względem długości, skali i kolejności.

Rysunek 1: Układ instrumentu KWS-2 SANS wraz ze wszystkimi modernizacjami wykonanymi w latach 2010-2015. (A) Ogólny pogląd na instrument. (B) Wtórny detektor wysokiej rozdzielczości i jego wieża na górze zbiornika próżniowego. (C) Soczewki skupiające MgF₂, pogrupowane w trzy pakiety, oraz ich system chłodzenia (zimna głowica). (D) Stary detektor główny (scyntylacyjny) z jego układem fotopowielaczy 8 x 8. (E) Nowy detektor główny (³lampy He) o większym obszarze detekcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schemat trzech trybów pracy oferowanych w KWS-2. (A) Konwencjonalny tryb otworkowy. Dla L_C = L_D, gdzie L_C i L_D są odpowiednio kolimacją i długością detekcji, a optymalnymi warunkami otworkowymi A_C = 2A_S, gdzie A_C i_{A S} są odpowiednio otworem wejściowym kolimacji i otworem próbki, profil wiązki I'_P w detektorze jest w przybliżeniu trójkątny o szerokości podstawy równej 2A_C. (B) Tryb ustawiania ostrości o wysokiej intensywności. Dzięki zastosowaniu soczewek można mierzyć większe próbki z taką samą rozdzielczością, jak w konwencjonalnym trybie otworkowym (profil wiązki I'_P na detektorze jest w tym przypadku prostokątny). (C) Rozszerzony tryb ustawiania ostrości w zakresie Q. Dzięki zastosowaniu soczewek i małej apertury wejściowej A_C (zwykle 4 mm x 4 mm), która jest umieszczona w jednym punkcie ogniskowym systemu soczewek, niewielka wiązka jest przesyłana do detektora, który jest umieszczany w drugim ogniskowym soczewek. W związku z tym można osiągnąć niższą wartość minimalnego przeniesienia wektora fali Q_m niż w konwencjonalnym trybie otworkowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Widok próbek zamontowanych w kartridżu aluminiowym uchwytu na próbkę do pomiarów w temperaturze otoczenia. We wnękach przewidzianych we wkładzie Al. (A) można umieścić ogniwa kwarcowe (B) wypełnione próbkami i przykryte ich korkami (C). Pozycje na kartridżu Al zajęto próbkami w następujący sposób: w pozycjach od nr 1 do nr 5 cząstki polistyrenu o rozmiarach R = 150, 350, 500, 1000 i 4000 A w rozpuszczalniku D₂O/H₂O; w pozycji nr 6 kopolimer diblokowy C₂₈H_57-PEO5 w_D2O; w pozycjach nr 7 i nr 8, rozpuszczalniki_D2O/H2Oi_D2O; w pozycji nr 9 pusta komórka kwarcowa (odniesienie); w pozycji nr 10 pleksi (standard); w pozycji nr 11 nic (do pomiaru pustej belki); w pozycji nr 12, tabliczka B₄C (oklejona taśmą z tyłu; do pomiaru tła przyrządu z zablokowaną wiązką). Osłona Al (D), pokryta maską Cd na zewnętrznej powierzchni, jest przymocowana do górnej części wkładu za pomocą (E) w celu zabezpieczenia komórek próbki i zdefiniowania okna neutronowego (F). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Widok jednego z wielopoziomowych i wielopozycyjnych uchwytów ogniw używanych w KWS-2 do pomiarów w warunkach otoczenia. Próbki do bieżącej sesji eksperymentalnej zostały zainstalowane na środkowym poziomie. Trzy poziomy mogą być wyposażone w wkłady (A) przeznaczone do różnych geometrii ogniw, które są zamknięte płytkami osłonowymi Al pokrytymi maskami Cd na zewnętrznej powierzchni (w kierunku neutronów). Montaż wkładów na uchwycie odbywa się za pomocą (B). Uchwyt posiada wspornik podstawy (C), który umożliwia jego montaż w określonej pozycji na stoliku na próbkę. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Schematyczny widok z góry obszaru próbki KWS-2. (A) Prezentacja dwóch skrajnych konfiguracji nosa kolimacyjnego, pokazująca dostępną przestrzeń dla instalacji różnych środowisk próbek w wiązce (neutrony nadchodzą od dołu, co wskazują żółte strzałki). (B) Panel sterowania drzwi ołowianych z kluczami otwierania i zamykania (odpowiednio 1 i 2). Silnik drzwi działa tylko tak długo, jak długo są wciśnięte w sposób ciągły. Brama wyposażona jest na krawędziach w czujniki, które indukują wyłączenie silnika w przypadku wykrycia przeszkody. Po usunięciu przeszkody, blokadę silnika można anulować za pomocą górnego (3) i wznowić otwieranie lub zamykanie. (C) Panel sterowania nosa kolimacyjnego. Z panelu nosowego można wybrać odpowiednią konfigurację za pomocą kluczyka (4). Nos porusza się, przytrzymując (5) w sposób ciągły aktywowany, aż do osiągnięcia wybranej pozycji i zatrzymania ruchu samoczynnie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Instalacja wielopoziomowego i wielopozycyjnego uchwytu na próbkę na stoliku do pomiarów SANS w temperaturze otoczenia (zdjęcie: Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Niemcy). Głównymi elementami w miejscu próbki są nos kolimacyjny z otworem próbki na jego końcu (A), stolik na próbkę, który zapewnia poziome i pionowe ustawienie próbek w wiązce (B), okno wejściowe zbiornika próżniowego detektora (C), drzwiczki ołowiane z czujnikami na ich krawędzi (D) oraz wspornik podstawy uchwytu kuwety (E), który przewiduje instalację uchwytu na optycznej płytce stykowej (F) stolika na próbki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ilustracja 7: Zakres dynamiki dla różnych konfiguracji instrumentalnych w KWS-2. I₀ oznacza strumień neutronów w pozycji próbki. Zdefiniowane obszary wskazują dostępny zakres Q, który można pokryć, gdy długość fali zmienia się w zakresie od 4,5 A do 20 A dla określonych konfiguracji kolimacji i detekcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Przykłady dwuwymiarowych wzorców rozpraszania zebranych podczas sesji eksperymentalnej zgodnie z aktualnym protokołem. (A) Wzór rozpraszania zebrany w odległości L_D = 8 m z cząstek polistyrenu o promieniu R = 500 A w D₂O/H₂O, mierzony za pomocą λ = 5 A. Wzór rozpraszania jest izotropowo rozłożony wokół ogranicznika wiązki, który blokuje bezpośrednią wiązkę w środku detektora. (B) Wzór rozpraszania zebrany w odległości L_D = 20 m z cząstek polistyrenu o promieniu R = 1 000 A w D₂O/H₂O, mierzony za pomocą λ = 20 A. Wzór rozpraszania jest izotropowo rozłożony wokół położenia transmitowanej wiązki, która dla tej długości fali wpada pod ogranicznik wiązki i jest maskowana razem z ogranicznikiem wiązki za pomocą funkcji oprogramowania do wizualizacji. (C) Wzór rozpraszania zebrany za pomocą detektora o wysokiej rozdzielczości w temperaturze L_D = 17 m z cząstek polistyrenu o wielkości R = 4 000 A w D₂O/H₂O, mierzonej za pomocą λ = 7 A w rozszerzonym zakresie Q, z soczewkami i detektorem o wysokiej rozdzielczości. Wzór rozpraszania jest izotropowo rozłożony wokół małego ogranicznika wiązki (4 mm x 4 mm), który blokuje skupioną wiązkę bezpośrednią. Sektor kątowy, w którym dane są dalej analizowane, jest wskazany po prawej stronie ogranicznika wiązki. (D) Natężenie w funkcji położenia z ogranicznika wiązki, tak jak zostało ono zebrane w krótkim pomiarze testowym w wąskim poziomym wycinku, o szerokości 1 piksela (0,5 mm), na detektorze o wysokiej rozdzielczości. Dane przedstawiono na podstawie roztworu próbki i wzorca (rozpuszczalnika). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Wzory rozpraszania od cząstek polistyrenu w roztworze D₂O/H₂O (symbole) i od rozpuszczalnika (linie). Dane zostały zebrane w konwencjonalnym trybie otworkowym w różnych konfiguracjach instrumentów, które są oznaczone różnymi kolorami. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10: Wzorce rozpraszania od cząstek polistyrenu o różnych rozmiarach w D₂O/H₂O po zastosowaniu poprawki na rozpraszanie z rozpuszczalnika. Czerwone linie reprezentują dopasowania do sferycznego współczynnika kształtu⁹, w tym rozdzielczość instrumentu^{10, 11} i rozmiar polidyspersyjności. Typowe asymptotyczne zachowanie ^Q-4 dla sferycznego współczynnika kształtu jest wskazywane przez linię prostą w wysokim zakresie Q. Dolna granica zakresu Q pokrytego różnymi długościami fal lub konfiguracjami jest specjalnie oznaczona. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 11: Dwuwymiarowe i promieniowo uśrednione jednowymiarowe wzorce rozpraszania z miceli polimerowych C₂₈H57-PEO5k w D₂O (przy ułamku objętościowym polimeru 12%), mierzone w konwencjonalnym trybie otworkowym z Δλ/λ = 20% (u góry) oraz w trybie rozdzielczości przestrajanej, przy Δλ/λ= 5% w L_D = 4 m (po lewej stronie) i L_D = 8m (prawa strona). W trybie konwencjonalnym można było zaobserwować trzy szerokie szczyty. Uwidacznia się delikatna struktura pierwszych dwóch pików^{5, 13} z poprawioną rozdzielczością Δλ/λ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 12: Wzór rozpraszania z w pełni protonowanych miceli kopolimeru dibloku PHO10k-PEO10k w D₂O (po zastosowaniu poprawki na rozpraszanie z rozpuszczalnika), mierzony przez połączenie konwencjonalnego trybu otworkowego i rozszerzonego zakresu Q. Na cylindryczną morfologię jądra-powłoki wskazuje zależność ^Q-1 od intensywności rozproszenia przy pośrednim Q i zależność ^Q-5/3 (rozpraszanie plam) obserwowana przy wysokim Q. Plateau intensywności przy niskim Q i zginanie przy pośredniej Q ujawniają odpowiednio długość i grubość cylindrów. Czerwona krzywa reprezentuje dopasowanie danych eksperymentalnych do modelu^cylindra z rdzeniem i powłoką 9, z rozdzielczością instrumentalną^10-12. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 13: Wzorce rozpraszania od cząstek polistyrenu (R = 150 A) w D₂O/H₂O, mierzone w konwencjonalnych trybach otworkowych i wysokociśnieniowych (soczewkowych). (A) Jednowymiarowe wzorce rozpraszania mierzone przy λ = 7 A przy L_D = 8 m w trybie konwencjonalnym i przy L_D = 20 m w trybie wysokiej intensywności z soczewkami. W trybie wysokiej intensywności zastosowano różne rozmiary wiązki na próbce w celu zwiększenia intensywności. Do 12-krotny wzrost intensywności osiągnięto przy użyciu 26 soczewek w porównaniu z konwencjonalnym trybem otworkowym. Dużą próbkę umieszczono w wiązce za pomocą okrągłej kuwety kwarcowej o średnicy 5 cm. (B) Dwuwymiarowy wzór rozpraszania zebrany na detektorze w trybie otworkowym dla rozmiaru wiązki 10 mm x 10 mm. (C) Dwuwymiarowy wzór rozpraszania zebrany na detektorze w trybie wysokiej intensywności przy użyciu 27 soczewek i wielkości wiązki 30 mm x 30 mm. Wielkość (rozdzielczość) wiązki bezpośredniej skupionej na detektorze jest taka sama jak w trybie otworkowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 14: Wzór rozpraszania z roztworu buforowego i monomerów białka beta-amyloidu (Aβ 1-42, masa cząsteczkowa M_W = 4,5 kDa) w deuterowanym buforze dHFIP heksafluoroizopropanolu w stężeniu 5,6 mg/ml po trzech tygodniach inkubacji. Pełne kropki reprezentują krzywą rozpraszania od roztworu białka, podczas gdy pełny trójkąt pokazuje krzywą rozpraszania od roztworu buforowego. Niebieskie kropki oznaczają przekrój czynny rozpraszania (na prawej skali pionowej) od monomerów po zastosowaniu poprawki na wkład bufora. Słupki błędów reprezentują odchylenia standardowe wynikające ze zliczeń neutronów. Czerwona linia ciągła pokazuje dopasowaną funkcję Beaucage o stałej wymiarowości d=2¹⁴. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 15: Wzorce rozpraszania od lizozymu 50 mg/ml w buforze octanowym 50 mM w D₂O i od roztworu buforowego mierzone przy różnych ciśnieniach, od otoczenia do 5 000 barów. Symbole reprezentują dane z roztworu białkowego, podczas gdy linie pokazują dane z bufora. Dane zostały zebrane w dwóch odległościach wykrywania, L_D = 4 m (symbole otwarte) i L_D = 1 m (pełne symbole). Wstawka pokazuje zachowanie intensywności rozproszenia do przodu I(Q→0) z roztworu białkowego, buforu i samego białka (po zastosowaniu poprawki na wkład buforu) w funkcji ciśnienia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

.

Parametr / funkcja	Wyposażenie pomocnicze	Zakres zastosowania	dokładność	Szczegóły techniczne
Pozycjonowanie	Etap próbki			max. obciążenie 600 kg
	Z	0 - 360 mm	0,05 mm
	Y	0 - 330 mm	0,05 mm
	Z (oś belki)	ręcznie, 600 mm
	θr (obrót)	0° - 360°	0,002°
	θt (kołyska)	± 30°	0,002°
Temperatura otoczenia	trzypoziomowy wielopozycyjny uchwyt Al (maski CD)			3x9=27 ogniw kwarcowych o szerokości
				3x12=36 wąskich komórek kwarcowych
	Trzy pozycje			3 duże komórki kwarcowe (średnica Φ = 5 cm)
	Uchwyt Al (maska B4C)
Temperatura	termostat (kąpiel olejowa) +	od -25 °C do 200 °C	± 0,5 °C	4 pozycje
	mały blok miedziany			w komorze powietrznej lub próżniowej (z uszczelnionymi kuwetami)
	termostat (łaźnia wodna) + dwupoziomowy wielopozycyjny	od 5 °C do 85 °C	± 0.2 °C	2x9=18 szerokich komórek kwarcowych; 2x12=24 wąskie komórki kwarcowe
	Blok Al
	termostat + piekarnik o wysokiej precyzji	od 10 °C do 120 °C	< 0,1 °C	1-pozycyjna, szeroka komórka kwarcowa
	Uchwyt kuwety z termostatem Peltiera	od -20 °C do 140 °C	± 0.2 °C	8 pozycji (wszystkie typy komórek typu sandwich lub kwarcu lub biustonoszy); kontrolowana atmosfera poniżej 5 °C
	(maska B4C)
ciśnienie	Komora HP SANS + termostat (łaźnia wodna)	do 5 000 barów		Temperatura w zakresie od 5 °C do 85 °C
Niska temperatura	Kriostat z szafirowymi oknami	do 50 tys
Reometria	Reometr; tryb ustalony i oscylacyjny
wilgotność	Komórka wilgotnościowa	od 5% do 95%		Temperatura w zakresie od 15 °C do 60 °C
In-situ FT-IR20	Spektrometr FT-IR			Przykładowe komórki z oknami ZnSe

Tabela 1: Lista urządzeń pomocniczych dostępnych dla dyfraktometru KWS-2 SANS, w tym zakres zastosowania, dokładność i szczegóły każdego urządzenia.

otworkowy

Tryb pomiaru	Konfiguracja eksperymentalna	rezolucja	Wielkość wiązki/próbki	Max. intensywność [N/s]	Zakres Q [Å-1]
		Δλ/λ
Konwencjonalny otworek	λ = 7 A	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 A, LC = 2 m, LD = 1 m	20%	10 x 10 mm2	2 x 108	0,01 .. 0,5
	λ = 10 A, LC = 20 m, LD = 20 m	20%	10 x 10 mm2	7,5 x 105	0,001 .. 0,02
	λ = 20 A, LC = 20 m, LD = 20 m	20%	10 x 10 mm2	4 x 104	7x10-4 .. 1,5x10-2
Ustawianie ostrości o wysokiej intensywności	λ = 7 A, LC = 20 m, LD = 17 m	20%	Φ = 50 mm	3 x 107	≈ 0,002 .. 0,03
Ustawianie ostrości Wysoka rozdzielczość (rozszerzony zakres Q)	λ = 7 A, LC = 20 m, LD = 17 m, AC = 4 x 4 mm2	20%	10 x 10 mm2	1,6 x 104	≈ 2x10-4 .. 0,02
Dostrajalna rozdzielczość	λ = 4,5 A,	5 proc.	10 x 10 mm2	ok. 7% z trybu konwencjonalnego	0,002 .. 0,5
	LC = 20 m,
	LD = 1 m .. 20 m

Tabela 2: Konfiguracje eksperymentalne dostępne na dyfraktometrze KWS-2 SANS.

Rysunek uzupełniający 1: Bezwzględny strumień neutronów w miejscu próbki KWS-2 w funkcji długości fali λ przy różnych długościach kolimacji L_C i dla optymalnego wypełnienia źródła zimnego reaktora. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 2: Schematyczny widok rozdrabniacza dwutarczowego ze zmiennym otworem szczelinowym. Otwór szczelinowy Δφ można regulować w zakresie od 0° do 90°, dzięki czemu w zależności od częstotliwości _{rozdrabniacza rozdrabniacza}, czas otwarcia τ_w prowadnicy (czerwony prostokąt po prawej pionowej serii zdjęć) może być zmieniany. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 3: Główny interfejs użytkownika oprogramowania do kontroli pomiarów i wizualizacji KWS-2. Funkcje po lewej stronie (A) mogą być używane przez eksperymentatorów, podczas gdy funkcje i wskaźniki po prawej stronie (B) są używane przez odpowiedzialny za to instrument. Serwer lub proces pokazany w menu po prawej stronie działa i działa normalnie, gdy jest zaznaczony na zielono. Komponenty oznaczone kolorem żółtym nie są aktywowane. Każda usterka jest oznaczona kolorem czerwonym. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 4: Widok menu kws2-Configuration i Przykładowe funkcje konfiguracyjne. Użytkownicy muszą najpierw wypełnić informacje w polach UserData, a następnie przeprowadzić konfigurację próbek. Pola, które należy wypełnić, oraz działania, które należy podjąć, są oznaczone kolorem czerwonym. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 5: Widok menu definicji kws2 i Wybierz funkcje przykładowe. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 4.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 6: Widok menu kws2 Definicja i Definicja funkcji pomiarów. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 4.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 7: Program pomiarowy wygenerowany przez połączenie zdefiniowanych próbek i zdefiniowanych warunków eksperymentalnych. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 4.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 8: Menu kontrolne kws2-Measurement i opcja Current Values. Wyświetlane są stałe parametry (pozycje, nazwy, długość fali itp.) oraz zmienne (czas, intensywność, szybkość zliczania itp.), które charakteryzują bieżący pomiar. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 4.4. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 9: Opcja wyświetlania na żywo z menu KWSlive_MainWindow i różnymi opcjami wizualizacji danych. Wybrany jest tryb wizualizacji powierzchni. Po wybraniu trybu Uśrednianie promieniowe (ilustracja po prawej stronie), ustawienia parametrów można znaleźć w menu Opcje Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 10: Główny interfejs oprogramowania do redukcji danych qtiKWS z opcjami wyboru instrumentu oraz lokalizacji eksperymentalnych i przetworzonych danych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 11: Funkcje definiujące dziennik dla zbioru danych, które mają być przetwarzane (tabela informacyjna). Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 12: Funkcje definiowania maski detektora, dla której dane będą przetwarzane. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.4. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 13: Funkcje definiowania map czułości detektora. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.5. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 14: Funkcje do generowania tabeli skryptów do korekcji, kalibracji i uśredniania radialnego danych. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.6. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 15: Funkcje do wykreślania przetworzonych danych. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.6.5. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 16: Funkcje do przygotowania i podziału danych mierzonych w trybie rozdzielczości przestrajalnej. Dane z dwóch impulsów dostarczonych przez chopper i zebranych początkowo w 64 kanałach TOF są łączone w jeden impuls. Kilka kanałów jest zgrupowanych razem, dzięki czemu wynikowe kanały czasowe, które są scharakteryzowane_{przez cel} Δλ/λ, można zapisać jako osobne pliki. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 17: Główny interfejs oprogramowania do redukcji danych qtiKWS z wybraną opcją przetwarzania danych mierzonych za pomocą detektora o wysokiej rozdzielczości. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 18: Funkcje definiowania masek detektorów o wysokiej rozdzielczości, dla których dane będą przetwarzane. Działania, które musi wykonać użytkownik, opisano w kroku 5.8. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Rysunek uzupełniający 19: Przegląd wszystkich typów komórek do pobierania próbek zwykle używanych na KWS-2 do badania miękkiej materii i próbek biologicznych w temperaturze otoczenia lub zmiennej. (A) Widok dużych komórek kwarcowych dostępnych w trybie wysokiej intensywności z soczewkami i dużym rozmiarem wiązki. Uchwyt na celę, który jest wyposażony w zborowane maski z tworzywa sztucznego (1), umożliwia zaplanowanie i przeprowadzenie trzech pomiarów podczas jednej sesji. (B) Widok kuwety kwarcowej lub mosiężnej, które są używane jako pojemniki na próbki, oraz uchwytu o kontrolowanej temperaturze (typu Peltiera) wyposażonego w 8-pozycyjne wkłady odpowiednie dla każdego typu ogniwa. Uchwyt jest osłonięty zborowanymi plastikowymi maskami (1) po obu stronach. (C) Widok komory ciśnieniowej podczas pracy na KWS-2. Cela może zapewnić ciśnienie na próbkę w zakresie od otoczenia do 5 000 barów w trybie automatycznym, kontrolowanym przez program pomiarowy. Okrągła maska Cd (1) z małym otworem pośrodku określa rozmiar wiązki na próbce. Kliknij tutaj, aby pobrać ten rysunek.

Dyskusja

Miękka materia i systemy biofizyczne zazwyczaj charakteryzują się korelacjami strukturalnymi i wzajemnie powiązanymi poziomami mikrostrukturalnymi i morfologicznymi, które obejmują szeroką skalę długości, od nm do mikronów. Aby zrozumieć mechanizm powstawania i ewolucję morfologii takich układów oraz związek między ich cechami mikroskopowymi a właściwościami makroskopowymi, ważne jest zbadanie ich mikrostruktury w całej skali długości i w odpowiednich warunkach środowiskowych (np. temperatura, ciśnienie, pH, wilgotność itp.). Zazwyczaj w takich badaniach zaangażowane są techniki rozpraszania pod małymi kątami za pomocą neutronów (SANS) lub synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego (SAXS). Wada intensywności neutronów w porównaniu z synchrotronowym promieniowaniem rentgenowskim jest kompensowana przez zastosowanie stosunkowo dużych Δλ/λ, co jednak prowadzi do pogorszenia rozdzielczości instrumentalnej. Niemniej jednak SANS zapewnia wyjątkowe korzyści ze względu na możliwości, jakie daje zmienność kontrastu, zwłaszcza między izotopami wodoru. Dlatego SANS jest metodą eksperymentalną stosowaną specjalnie w badaniu miękkiej materii i układów biofizycznych, dla których dostarcza unikalnych informacji strukturalnych i morfologicznych. Większość dyfraktometrów SANS na całym świecie²¹ działa na zasadzie otworkowej (rysunek 2A), która umożliwia uzyskanie docelowej rozdzielczości niskiego Q . Praktycznie wszystkie wysokostrumieniowe dyfraktometry SANS mają podobny maksymalny strumień rzędu 1 x 10⁸ n ^{cm-2 sec-1}. Opierając się na zrelaksowanej rozdzielczości długości fali, KWS-2 ma prawie dwukrotnie zwiększony strumień^{2, 4}. Ostatnio wprowadzono do użytku bardzo wyspecjalizowane dyfraktometry SANS, które służą ze zoptymalizowanymi charakterystykami dla określonego zakresu zastosowań, takich jak badania przy bardzo małych wektorach rozpraszania^{22, 23}. Wraz z niedawnym uruchomieniem specjalistycznych dyfraktometrów TOF-SANS w reaktorach na poziomie ustalonym²⁴ lub źródłach spalacyjnych ^{25, 26}, oferowany jest znacznie zwiększony zakres dynamiki Q w danym układzie eksperymentalnym oraz zwiększona elastyczność i optymalizacja w zakresie wyboru rozdzielczości eksperymentalnej. W przypadku dyfraktometru KWS-2 SANS wysoki poziom wszechstronności i wydajności wymagany do bardzo specyficznych badań strukturalnych w dziedzinie miękkiej materii i biofizyki jest możliwy w porównaniu z klasycznym instrumentem SANS. Optymalizacja, elastyczność i spontaniczność w projektowaniu i przeprowadzaniu złożonych badań, wspierana przez opisany protokół, osiąga się poprzez połączenie zoptymalizowanych parametrów eksperymentalnych (np. intensywności, skali długości, rozdzielczości przestrzennej i rozdzielczości czasowej) oraz złożonych środowisk próbek. Korzystając z wielu trybów pracy wymienionych we Wstępie i popartych wynikami przedstawionymi na rysunkach 8-15, KWS-2 w łatwy i praktyczny sposób zwiększa wydajność klasycznego dyfraktometru SANS przy stałym źródle neutronów (reaktorze) poza konwencjonalnymi limitami takich przyrządów.

Protokół ten przedstawia kroki, które zwykły użytkownik musi wykonać, aby zdefiniować i przeprowadzić prosty program eksperymentalny, który obejmuje tylko badanie próbek w warunkach termodynamicznych otoczenia (temperatura, ciśnienie, wilgotność względna) i w warunkach statycznych (brak kinetyki tworzenia lub transformacji struktury, brak ścinania lub przepływu). Dostępnych jest kilka uchwytów o kontrolowanej temperaturze lub specjalnych środowisk pobierania próbek (tabela 1 i rysunek uzupełniający 19), takich jak komory ciśnieniowe, reometry lub komory wilgotnościowe, które można optymalnie zainstalować i wyregulować przy specjalnej pomocy zespołu przyrządu. Protokół ten nie zawiera instrukcji dotyczących ustawień i elementów sterujących takiego sprzętu. Zdefiniowanie i aktywacja zewnętrznych kontrolerów wymaga użycia innego, bardziej złożonego protokołu. W protokole przedstawiono przypadek pracy z kwarcowymi komórkami próbkowymi o wąskim prostokątnym kształcie (ryc. 3). Jednak użytkownikom oferuje się szeroki zakres geometrii i typów ogniw (rysunek uzupełniający 19) w celu zapewnienia większej elastyczności i wydajności w przeprowadzaniu eksperymentów. W przypadku stosowania takich ogniw można postępować zgodnie z niniejszym protokołem z dostosowaniem parametrów omówionych w kroku 4.2.2. Oprogramowanie do kontroli pomiarów zostało opracowane w celu zaoferowania użytkownikom większej elastyczności w realizacji ich celów naukowych i optymalizacji technicznej obsługi przyrządu. Wszystkie regulacje i konfiguracje specjalnych funkcji i komponentów instrumentu są wykonywane przez zespół instrumentalny. Zaangażowanie użytkowników naukowych w konfigurację, definicję i użytkowanie instrumentu jest uproszczone i wyraźnie ograniczone tylko do tych aspektów, które są związane z zagadnieniami naukowymi sesji eksperymentalnej. Pliki konfiguracyjne są predefiniowane w celu uwzględnienia wszystkich specjalnych zagadnień eksperymentalnych, takich jak pozycjonowanie specjalnych uchwytów w wiązce, pozycjonowanie próbki w wiązce (współrzędne x, y, Φ i ω na stoliku próbki, stole obrotowym lub kołysce na rysunku uzupełniającym 5), regulacja pozycji detektora i zatrzymania wiązki dla różnych długości fal, regulacja parametrów choppera (częstotliwość i okno otwarcia) dla różnych długości fal, odległości wykrywania i docelowej rozdzielczości itp. Ponadto obecny protokół nie opisuje, w jaki sposób można wykorzystać tryb czasu rzeczywistego w KWS-2. Użycie bardziej złożonego protokołu jest również wymagane w celu przeprowadzenia eksperymentów SANS z rozdzielczością czasową.

Ponadto protokół ten przedstawia, w jaki sposób zmierzone dane mogą być korygowane o różne wkłady rozpraszania z przyrządu i odniesień oraz kalibrowane w celu uzyskania przekroju czynnego rozpraszania różnicowego próbki, dΣ/dΩ, wyrażonego w ^cm-1. Wielkość ta zawiera w sobie całość informacji strukturalnych i morfologicznych o próbce i jest mierzona w szerokim zakresie Q odpowiadającym szerokiej skali długości, nad którą pojawiają się korelacje strukturalne i powiązane ze sobą poziomy wielkości charakterystyczne dla badanego układu. Przekrój czynny rozpraszania dΣ/dΩ wiąże zatem intensywność zmierzoną w eksperymencie rozpraszania statycznego pod kątem Θ, I_s=f(Θ) z właściwościami strukturalnymi próbki.

Do oceny dΣ/dΩ dla układu będącego przedmiotem zainteresowania, oprócz pomiaru układu, potrzebne są dodatkowe pomiary w celu skorygowania danych o wszelkie zewnętrzne rozproszenia (tj . środowisko, komórka próbna, rozpuszczalnik lub roztwór buforowy w przypadku układów rozpuszczonych itp.) oraz w celu skalibrowania skorygowanych danych w jednostkach bezwzględnych⁸. Należy również zmierzyć tło zewnętrzne (komora lub pojemnik na próbkę), próbkę referencyjną (rozpuszczalnik lub roztwory buforowe), transmisję próbki (potrzebną do prawidłowego odejmowania tła i kalibracji skorygowanych wyników w jednostkach bezwzględnych), tło elektroniczne detektora, czułość detektora (niejednorodność skuteczności detektora, która jest nieodłączna dla detektorów obszarowych) oraz znormalizowaną próbkę wzorcową. W przypadku KWS-2 jako standardową próbkę stosuje się pleksi (PMMA). Jest to tak zwany wzorzec wtórny i jest okresowo kalibrowany względem próbki wzorca pierwotnego, którą jest wanad. Wanad zapewnia bardzo słabą intensywność rozproszenia i wymaga bardzo długich czasów pomiaru w celu zebrania odpowiednich statystyk; dlatego jest niepraktyczny dla celów SANS. Natężenie pobrane z próbki będącej przedmiotem zainteresowania I_S oraz z próbki wzorcowej I_St można wyrazić w następujący sposób:

[1]

[2]

gdzie I₀ oznacza natężenie przychodzące (dostarczane przez system kolimacyjny), t to grubość, A to obszar wystawiony na działanie wiązki, T to transmisja, a Δψ to kąt bryłowy, przy którym komórka detekcyjna jest widziana z pozycji próbki. Jeżeli zarówno próbka, jak i wzorzec są mierzone w tych samych warunkach w odniesieniu do wiązki przychodzącej (tj. L_C, A_C i_{A S} oraz λ i Δλ/λ), I₀ i A są takie same, a kąt bryłowy jest wyrażony jako A_D/L_D (z A_D reprezentujące obszar komórki detekcyjnej). Dzieląc te dwie relacje, przekrój czynny rozproszenia próbki otrzymuje się jako:

[3]

gdzie I_St jest wyrażona jako średnia (wzorzec jako niekoherentny układ rozpraszania zapewnia płaski wzór rozpraszania). _{I S} uzyskuje się po skorygowaniu zmierzonej intensywności próbki w celi (pojemniku) w odniesieniu do udziału pustej komórki I_ECell i tła na detektorze dla wiązki zamkniętej, I_B. Współczynnik t_StT_St(dΣ/dΩ)_St, który zawiera parametry rozpraszania i fizyczne próbki wzorcowej, zależy od długości fali neutronów λ i jest zwykle znany z kalibracji próbki wzorcowej. W ten sposób jest on zestawiony w tabeli w oprogramowaniu do redukcji danych⁴. Parametry i wielkości w równaniu 3, które są znane z procedur wzorcowania i definicji układu doświadczalnego (t_{, S}, L_{, D}), tworzą tzw. współczynnik kalibracji k. Należy zmierzyć natężenia i transmisję próbki T_S, które pojawiają się w równaniu 3. Program do analizy danych qtiKWS umożliwia korektę, kalibrację i uśrednianie promieniowe danych doświadczalnych oraz osiągnięcie dΣ/dΩ dla badanych próbek w elastycznym i wszechstronnym trybie pracy. Końcowe wyniki wygenerowane za pomocą oprogramowania qtiKWS są przedstawione w postaci tabel z czterema kolumnami: Q, I, ΔI, Δσ, gdzie I oznacza dΣ/dΩ, a Δσ to rozdzielczość Q ⁵.

Z praktycznego punktu widzenia, za pomocą KWS-2 można przeprowadzać połączone badania SANS i USANS, z tą zaletą, że geometria próbki i warunki termodynamiczne pozostają stałe. Duże morfologie, które pokazują wiele poziomów strukturalnych obejmujących szeroką skalę długości od rozmiarów nanometrów do mikrometrów, można badać w bezpośredni sposób, jak pokazano na rysunku 12. Oprócz małoskalowej granicy strukturalnej R_C obserwowanej na krzywej rozpraszania mierzonej w konwencjonalnym trybie otworkowym, poprzez aktywację soczewek i detektora o wysokiej rozdzielczości, można było zaobserwować wielkoskalową granicę strukturalną L_C cylindrycznych miceli rdzenia-powłoki utworzonych przez poli-(tlenek heksylenu-ko-tlenek etylenu) PHO10k-PEO10k (w pełni protonowany) w D₂O¹⁴ przy bardzo niskich wartościach Q w rozszerzonym Q-Tryb pracy zasięgu. Cylindryczne micele charakteryzują się całkowitą grubością około 300 A i długością około 7 000 A, co ujawnia dopasowanie wyników eksperymentalnych do cylindrycznego współczynnika kształtu rdzeń-powłoka^9,14. W związku z tym pewne wrażliwe efekty, takie jak żele reagujące na ciepło lub tworzenie i wzrost morfologii krystalicznej lub częściowo krystalicznej, mogą być jednoznacznie badane za pomocą KWS-2, w przeciwieństwie do klasycznego podejścia polegającego na zaangażowaniu dwóch lub więcej różnych instrumentów i geometrii próbek.

Jak pokazano na rysunku 11, skorelowane systemy i uporządkowane struktury mogą być badane z dostosowanymi rozdzielczościami w bardzo elastyczny sposób, bez poświęcania czasu i wysiłku na instalację złożonych systemów monochromatyzacji, co wiązałoby się z dodatkowymi aspektami ostrożności i bezpieczeństwa. Ponadto, dzięki zastosowaniu rozdrabniacza i trybu akwizycji danych TOF, monodyspersyjne układy lub kompleksy miękkiej masy o niskiej wielkości polidyspersji mogą być bardzo precyzyjnie charakteryzowane przy wciąż wysokich intensywnościach⁵.

Przeszkody generowane przez słabe rozpraszanie spowodowane użyciem wysoce rozcieńczonych układów lub niekorzystnych warunków kontrastu można przezwyciężyć poprzez zastosowanie jeszcze większych intensywności w oparciu o większy rozmiar wiązki na próbce, przy zachowaniu rozdzielczości. Rysunek 13A przedstawia wzorce rozpraszania od cząstek polistyrenu o promieniu R = 150 A, mierzone w trybie wysokiej intensywności przy użyciu soczewek i wiązki o kwadratowym rozmiarze w zakresie od 10 mm x 10 mm, typowym rozmiarze stosowanym w konwencjonalnym trybie otworkowym, do 30 mm x 30 mm. Dodatkowo pokazany jest wynik pomiaru z okrągłą belką o średnicy 50 mm (pełny rozmiar soczewki). Równolegle przedstawiono znormalizowany wynik uzyskany w konwencjonalnym trybie otworkowym. Używając 26 soczewek o neutronach λ= 7 A i tej samej wielkości apertury wejściowej A_C , jak w konwencjonalnym trybie otworkowym (rysunek 2B), uzyskuje się około 12-krotny wzrost intensywności na próbce przy zachowaniu stałej wielkości wiązki (rozdzielczości) na detektorze, jak pokazano na rysunku 13B-C. System 27-soczewkowy ma transmisję około 32% w temperaturze otoczenia. Schładzona do temperatury 50 K transmisja soczewki zwiększa się ze względu na tłumienie rozpraszania na fononach w materiale soczewki. System 26 soczewek parabolicznych ma transmisję około 65% dla okrągłej wiązki o rozmiarze 50 mm, gdy wiązka przechodzi przez całą objętość soczewki, i około 92% dla wiązki kwadratowej o wymiarach 10 mm x 10 mm, gdy w wiązce pozostaje tylko bardzo dużo materiału soczewki. Tryb wysokiej intensywności z soczewkami oferuje korzyści w przypadku słabego rozpraszania, które zwykle występuje przy dużej odległości wykrywania i jest szczególnie problematyczne w przypadku warunków słabego kontrastu. Ponadto, gdy próbka jest stabilna tylko w krótkim okresie czasu, zastosowanie tego trybu stanowi wyraźną zaletę, jak wykazano w innym miejscu¹⁵.

Z drugiej strony, w przypadku systemów biologicznych, zazwyczaj dostępne są małe objętości próbek do eksperymentów. Małe cząsteczki biologiczne w warunkach fizjologicznych o rozmiarach kilku nanometrów dostarczają słabe sygnały rozpraszania powyżej dominującego rozpraszania z roztworów buforowych. Takie sygnały mogą być mierzone za pomocą KWS-2, korzystając z wysokiej intensywności instrumentu w konfiguracji trybu otworkowego o niskiej rozdzielczości, przy użyciu krótkich długości kolimacji L_C = 2 m lub 4 m i krótkich odległości wykrywania L_D = 1 m, 2 m lub 4 m. Rysunek 14 przedstawia wzorce rozpraszania od białka beta-amyloidu (Aβ 1-42, M_W = 4,5 kDa) monomerów w deuterowanym heksafluoroizopropanolu dHFIP, otrzymanych po zastosowaniu poprawki na sygnał rozpraszania z buforu. Dopasowanie modelu danych dostarczyło rozmiar monomeru około 16 ± 1 Ź⁶. W grę wchodził długi, kilkugodzinny czas pomiaru dla każdego warunku eksperymentalnego (odległość wykrywania L_D i typ próbki), chociaż pomiary prowadzono na krótkich odległościach wykrywania. Stary detektor, który wykazywał ograniczenia dotyczące szybkości zliczania, utrudniał stosowanie krótkich odległości kolimacyjnych L_C, stąd zastosowanie maksymalnego strumienia na instrumencie. Wraz z oddaniem do użytku nowego systemu detekcji umożliwiającego wykorzystanie pełnego strumienia neutronów, takie słabe natężenia będą mierzone w krótszym czasie i z lepszymi statystykami w przyszłości.

Wreszcie, efekty wrażliwe na bodźce można badać w elastyczny i łatwy sposób, korzystając ze specjalnego wyposażenia pomocniczego KWS-2. Przykład przedstawiono na rysunku 15, który przedstawia wzorce SANS z białka lizozymu w buforze D₂O oraz z buforu zebranego pod różnymi ciśnieniami. Szczególną uwagę zwrócono na badanie tła i rozpraszania do przodu przez cząsteczki lizozymu, wykorzystane w teście wydajności nowego ogniwa ciśnieniowego wyprodukowanego we własnym zakresie według projektu wykonanego przez PSI w Szwajcarii. Wyniki były podobne do tych uzyskanych przez Kohlbrechera i wsp. w podobnym badaniu mającym na celu przetestowanie oryginalnego modelu ogniwa ciśnieniowego skonstruowanego tam^{17, 18}. Za pomocą KWS-2 uzyskano dalsze dane od momentu osiągnięcia ciśnienia 5 000 barów. Ewolucja intensywności rozproszenia do przodu od białka przebiega liniowo, jak zaobserwowano w badaniu przeprowadzonym w PSI w Szwajcarii¹⁸.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
ciężka woda D2O	Sigma-Aldrich	151882
ciężka woda D2O/H2O	Sigma-Aldrich	151882	90% D2O i 10% H2O
Standardy rozmiaru nanosfery serii 3000 (polistyren)	Thermo Scientific	3030A	90% D2O i 10% H2O
Standardy rozmiaru nanospher serii 3000 (polistyren)	Thermo Scientific	3070A	90% D2O i 10% H2O
Standardy rozmiaru nanosfery serii 3000 (polistyren)	Thermo Scientific	3100A	90% D2O i 10% H2O
Rozmiar nanospher serii 3000 Standardy (polistyren)	Thermo Scientific	3200A	90% D2O i 10% H2O
Standardy rozmiaru nanosfery serii 3000 (polistyren)	Thermo Scientific	3800A	90% D2O i 10% H2O
Kopolimer diblokowy C28H57-PEO5k	syntetyzowany we własnym zakresie		w D2O
Ogniwa kwarcowe 110-QX	Hellma analytics	110-1-46
Aluminiowy uchwyt na kuwetę	wyprodukowany we własnym zakresie		do pomiarów w temperaturze otoczenia
śrubokręt
imbusowy klucze imbusowe