X射線超小角散射（USAXS）是傳統(tǒng)X射線小角散射（SAXS）的補(bǔ)充。在USAXS實(shí)驗(yàn)中，通過犧牲部分強(qiáng)度以換取更高的分辨率，小角分辨率被極大地推向極限。這使得我們能夠表征更大尺寸的粒子，并探測(cè)數(shù)百納米范圍內(nèi)的大布拉格間距。通過結(jié)合USAXS、SAXS、WAXS乃至最終的PDF數(shù)據(jù)，可以在不同長度尺度上分析多級(jí)（層級(jí)）結(jié)構(gòu)。

Bonse和Hart提出的經(jīng)典USAXS配置^[1]，利用高質(zhì)量單晶中的多重反射（在非色散排列中）進(jìn)行光束準(zhǔn)直和接收散射光。這種配置盡管非常緊湊，卻可以提供佳的分辨率。

本文將展示Empyrean銳影平臺(tái)如何輕松配置為Bonse-Hart型USAXS裝置，并展示其優(yōu)異的性能。該設(shè)置利用了標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率光學(xué)組件，這些組件也用于單晶外延層的表征。

銳影平臺(tái)上USAXS裝置的核心是配備PreFIX接口的高分辨率θ-θ測(cè)角儀（最小步進(jìn)角度0.0001°2θ），光源采用銳影高穩(wěn)定性長細(xì)焦斑銅靶X射線管并使用其線焦斑窗口。

入射光束的準(zhǔn)直和單色化通過4×Ge(220) Bartels單色器（四晶單色器）實(shí)現(xiàn)，高質(zhì)量晶體產(chǎn)生的多重反射形成了極窄（發(fā)散度<14弧秒）且高度準(zhǔn)直的光束。

樣品臺(tái)有多種選擇：多功能SAXS/WAXS樣品臺(tái)、毛細(xì)管旋轉(zhuǎn)臺(tái)或可搭配自動(dòng)進(jìn)樣器的反射透射旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)。

測(cè)角儀以水平或垂直透射的模式配合不同樣品臺(tái)工作。測(cè)角儀2θ臂上安裝有一塊3次反射的Ge(220)分析晶體，其角度接受范圍極窄（12弧秒），從而提升了USAXS系統(tǒng)的整體角分辨率。

探測(cè)器可選用PIXcel^3D、PIXcel^1D、1Der或正比探測(cè)器，這些探測(cè)器的本底噪聲很低，有利于獲得高信噪比的USAXS數(shù)據(jù)。

在使用水平透射配置時(shí)，USAXS測(cè)量將入射光束角度（omega）固定為0度；若采用垂直透射配置，則固定為90度。探測(cè)器與分析晶體共同圍繞樣品進(jìn)行2theta掃描。探測(cè)器以點(diǎn)探測(cè)器模式（0D模式）工作，在不同角度位置依次收集散射數(shù)據(jù)。根據(jù)樣品特性，步長通常選擇在0.0005至0.0050 ° (2theta)之間。

每次測(cè)量均包含作為參考的直射光束。樣品測(cè)量通常需輔以相應(yīng)的背景測(cè)量。測(cè)量時(shí)間一般在30分鐘至數(shù)小時(shí)之間，具體取決于樣品類型。

圖 1展示了未放置任何樣品時(shí)的典型直射光束圖譜。其特征包括：極小的寬度（半高寬低于0.0040 ° 2theta）、強(qiáng)度陡峭衰減且無長尾、以及高達(dá)七個(gè)數(shù)量級(jí)的極寬強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍。這些是USAXS裝置的關(guān)鍵性能特征。

圖 1 直射光束圖譜，縱軸為對(duì)數(shù)坐標(biāo)

為驗(yàn)證USAXS裝置的性能，對(duì)多種二氧化硅顆粒的水基分散液進(jìn)行了測(cè)量。這些顆粒直徑在數(shù)百納米范圍內(nèi)，且粒徑分布極窄。所有樣品的顆粒濃度均為5 wt%。分散液被注入直徑為1毫米的一次性石英毛細(xì)管中。對(duì)于含最大顆粒（直徑1.5 µm）的樣品，即使使用毛細(xì)管旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)仍出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。因此，對(duì)該樣品采用垂直透射光路，直接測(cè)量沉降物的USAXS數(shù)據(jù)。

如圖 2所示示例中，采用圍繞直射光束的對(duì)稱2theta掃描，同時(shí)涵蓋正負(fù)散射角。正如粒徑分布極窄的球形顆粒所預(yù)期的那樣，散射曲線中可清晰分辨出若干明顯的對(duì)稱干涉條紋。這些條紋的極窄間距隨顆粒尺寸增大而減小。在直射光束附近觀察到鐘形散射曲線，這是顆粒間無相互作用（或弱相互作用）體系的典型特征（遵循Guinier定律）。對(duì)于沉降顆粒（D=1550 nm）的樣品，在最小角度處可觀察到顆粒間相互作用（結(jié)構(gòu)因子）的影響。

圖 2 大尺寸二氧化硅顆粒的USAXS數(shù)據(jù)。黑色箭頭：直射光束。藍(lán)色箭頭：首個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，位于約0.0050 °2theta

在所有測(cè)量中，首個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)均略低于0.005 °2θ，對(duì)應(yīng)最小散射矢量qmin為0.00036 ??1，最大布拉格間距d_max可達(dá)1750納米。這充分證明了該實(shí)驗(yàn)裝置具有較好的分辨能力。