同步辐射小角X射线散射数据批量预处理程序PreSAXS1.0

李小芸 李秀宏

1（中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源 上海201210）

2（中国科学院上海应用物理研究所 上海201800）

高分子、自组装体系的快速非动态平衡过程往往是一瞬间的过程，随着同步辐射技术及探测技术的发展，同步辐射时间分辨小角X 射线散射技术（Small-angle Scattering of X-ray，SAXS）可以实现高分子、纤维等材料的加工过程中10 ms 量级的内部微观结构演变实时追踪［1-4］。通过对材料结构形成及演化过程中多尺度结构的实时检测与跟踪，最终构建材料各尺度微观结构与宏观性能的关系［5-9］，可以为材料的性能优化提供参考。对于原位实验毫秒量级的采集读取速度，将产生海量的原始数据。若对海量数据单个逐一处理将耗费大量的时间。随着国内的高通量同步辐射表征及原位研究SAXS用户的迅速增多，对于海量批量处理自动化软件的需求十分迫切。

目前，对小角X 射线散射数据能实现海量批处理的软件在国外有NIKA［10］、FIT2D［11］以及RAW［12］等。但使用NIKA、RAW 进行批量处理针对的是各向同性的二维散射图，须对图形进行MASK，即将beamstop、Gap 等区域去除掉繁琐的步骤，且数据计算处理速度比较慢，数据量大时程序容易卡顿。而FIT2D 的批量处理对文件的命名有严格规定，一般需配合其他软件使用，操作繁琐。且这些软件基本属于封闭式软件，出现漏洞后，自动退出数据处理界面的频率较高。而国内的小角X射线散射实验站的数据处理分析平台仍在发展和完善之中［13-14］，国内自编的处理分析软件甚少。为此，编写了一个SAXS数据自动批量预处理软件PreSAXS1.0。作为第一版的PreSAXS 数据处理程序，PreSAXS 可完成小角X 射线散射实验数据背底扣除、二维散射图像中心定位、样品到探测器距离的校正，还可以实现海量数据的批量二维原始散射图转换成一维散射曲线。并且可以默认按照原文件名，也可以自定义文件名选择文件夹保存数据，其保存的数据可以供相关软件进一步分析使用。

一幅照片所讲述的故事是决定成败的关键。一个人的服饰颜色、眼神，哪怕是皮肤的褶皱，每一个细节都至关重要。在我的作品集中，就有关于蓝眼睛的越南女孩的照片，还有手上染满靛蓝染料的老妇人以及长胡子长者们的照片。参观我的画廊的人看到这些作品时，往往会产生强烈的情感。人们常说眼睛是通向灵魂的窗户，我认为此言不假，人的眼睛真的会讲故事。

1 程序功能与特点

PreSAXS1.0 程序是对探测器采集的二维图片进行预处理，数据预处理的流程如图1所示。

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图1 PreSAXS1.0 预处理数据流程图Fig.1 Pre-processing data flow chart of the PreSAXS1.0 package

PreSAXS1.0程序包主要包含两方面内容：其一为数据预处理前的数据校正；其二为二维图形转换成一维曲线。图2 为PreSAXS1.0 程序的GUI 界面，界面分为：数据选择区、功能选择区、数据显示区、实验参数设置区、积分区域设置区。

图2 PreSAXS1.0程序主界面Fig.2 Main interface of PreSAXS1.0 software

1.1 数据校正

式中：Isample、Ibackground分别为探测器收集到样品背底的散射强度；k1、k2分别为样品前后电离室的读数。在程序中，除了需输入背底散射图以外，还需输入吸收系数。对于单个文件只需要输入前后电离室的之比k系数即可。对于批量数据，我们只需要输入一个记录对应文件的k值的文本文件，程序就可以实现一键式扣除背底。需要注意，若在高q区间，通过前后电离室的值扣除背底，发现强度值出现了负值，这时需要寻找一个合适的k值。

SAXS 实验样品往往有衬底、支撑物质、溶剂等，会产生背底散射；另外，实验样品经常放置在空气中进行测试，样品和探测器之间的空气路径、真空管道密封膜等都会产生背底散射，只有正确扣除了背底散射才能得到样品内部真正散射体的散射信号。在此我们考虑的是质量的修正，则扣除背底的公式可表示为［15］：

在程序中可以实现单个图片和批量数据的预处理。在该程序中采用的是扇形区域积分，即需输入积分的内径、外径以及起始角。

1.1.1 背底扣除

1.1.2 定位光斑中心

常用的FIT2D 软件处理SAXS/WAXS 图像、定位散射图像光强中心时，有两种方法：其一是通过菜单powder diffraction 的距离校正同时对beamcenter的中心进行校正；其二是人为的选取同肉眼可观察到的一个散射环上强度值接近的若干个点来定位中心［11］。方法二是我们必须输入一个逼近实验站样品到探测器的距离值，因此给实际操作带来不便。方法二其明显的缺点是选取点时我们靠肉眼判断，其误差较大。而准确确定散射图像的中心对样品SAXS 数据的结构解析有重要意义。因此，为提高散射图像中心定位的准确性，PreSAXS 程序采用了圆拟合法对具有散射峰的标样进行中心定位。

该程序的样品到探测器距离（Sample-todetector Distance，SSD）校正采用的是标准样品。对WAXS实验，其校正理论依据是Bragg衍射原理，通过已知的晶面间距确定对应的衍射角，通过最小二乘法对衍射环拟合进而获取衍射角，从而拟合出SSD。在PreSAXS1.0 程序中，可采用标样CeO2、LaB6、Y2O3及Silver Behenate 来校正样品到探测器的距离。界面如图4所示，图4是对偏心情况下所测的LaB6进行样品到探测器距离的校正。

在江苏省南通全市范围内选择耕翻秸秆还田、耕翻无秸秆还田、浅旋秸秆还田、浅旋无秸秆还田、免耕秸秆还田共5种耕作方式的小麦田块，每种耕作方式至少5块田，每块田的面积不低于 1 333 m2。

圆拟合法适用于探测器沿着光路和垂直光路完全不倾斜的情况下收集到的有散射/衍射峰的SAXS/WAXS 图像。Wei 等［16］对探测器不同方向的倾斜，带来的衍射环峰位的拟合精确度以及距离的校正进行了详细的分析。因此实验之前，必须将探测器水平和垂直方向调平，以避免探测器倾斜带来的实验误差。圆拟合法其基本思想如下：首先在SAXS/WAXS图像上选取同一个散射/衍射环的8个点，然后程序将会在沿着鼠标点这个点上下左右5个像素内自动寻求散射强度最大的点，标记为该点的坐标值。最后，我们采用最小二乘法拟合出这8个点构成的散射圆环，从而确定出圆心（即光斑中心）并将其值返回界面。其操作界面如图3 所示。圆拟合法不仅适用于中心的SAXS/WAXS 图像，还适用于偏心的SAXS/WAXS图像。

图3 光斑中心位置求取用户图形界面Fig.3 Graphical user interface of beamcenter find

图4 WAXS实验样品到探测器距离校正界面Fig.4 Interface of sample to detector distance calibration forWAXS

2.1介入组术中出血量、手术时间、住院时间均显著低于腹腔镜组,各观察指标比较均存在统计学差异(p<0.05)。见表1。

式中：Δq为相邻两散射峰的间隔。牛筋Silver Behenate 对 应 的 长 周 期 分 别 是65 nm［17］和5.838 03 nm［18-19］。根据计算Silver Behanate 的长周期计算，只有当探测的q值大于1.08 nm-1才适用，若q小于1.08 nm-1，可选择牛筋校正距离。在此，以具有固定周期结构的牛筋为例来校正SSD，其校正界面如图5所示。

1.1.3 SSD校正

1.2 I-q曲线

2.2.3 教练员对运动员文化学习的监管情况 教练员与文化课老师就运动员的文化学习进行沟通、交流的情况，在一定程度上也会左右运动员的学习态度。调查发现，绝大多数教练员勤于与文化课老师进行沟通，这对于运动员的学习将会起到良好的监管和督促作用。只有个别教练员表示与文化课老师交流情况“一般”。显然，这不利于帮助运动员端正学习态度。这可能是由于教练员自身训练和比赛的压力较大，缺少时间，交通不便等，从而与文化课教师疏于沟通和配合。

对于SAXS 实验，采用具有固定长周期的样品做标样。长周期L与峰位对应间隔有如下关系：

图5 SAXS实验样品到探测器距离校正界面Fig.5 Interface of sample to detector distance calibration for SAXS

对于原位或者高通量SAXS表征的实验所产生的海量原始数据进行批量处理得出I-q曲线，目前的数据处理软件具有一定的局限性。常用的FIT2D软件首先要求所有数据文件命名需要统一，即文件名+编号，例如filename001、filename002，其次，FIT2D的批处理不能简单的选择区域，只能先进行MASK后进入批处理。相对FIT2D、PreSAXS 1.0的批处理具有：1）对文件名没严格要求；2）选择积分区域后，操作简单，一键式完成批处理。在此采用的是扇形积分，可以方便选择各向异性散射图像的积分区域，如图1 所示。批处理后数据默认以原文件名，也可自定义，选择文件夹保存数据。

2 应用实例

2.1 beamcenter、SSD计算

为了验证自编程序的精确性，下面以牛筋、Silver Behanate及CeO2为例。中心及距离SSD采用了PreSAXS 1.0、RAW 以及Fit2D 计算值如表1 所示，I-q曲线如图6所示。

进行分析时测度误差、解释变量以及被解释变量间存在内生性干扰，该种现象对分析结果产生不利影响。为提高分析结果的准确度，通过工具变量法对变量间的内生性现象进行有效处理，将企业中间品进口的行业—地区均值作为工具变量。表1中的第（3）列、第（4）列结果表示，企业中间品进口的系数和显著性未出现变化，其结果稳健可靠。因为企业出口行为的连续性和工具变量法不能解决控制变量中具有的多种内生性干扰的问题，本文使用两步系统动态GMM估计方法实行检验，分析表中（5）、（6）列结果可得，基于一致水平方程和差分方程的滞后期进行分析，全部检验结果都同GMM估计方法的要求一致，说明采用两种系统的动态GMM是可行的。

2.2 海量数据批处理

关于程序的海量数据批处理响应速度及稳定性在此以拉伸的聚丙烯为例加以分析说明。实验样品为不同条件注塑的聚丙烯，将聚丙烯样品采用制备成哑铃型，在SSRF的SAXS实验站进行原位拉伸实验 ，拉 伸 速 度 为1.25 μm·s-1，X 射 线 的 波 长 为1.24 nm，探测器为MarCCD 165，样品到探测器的距离为87.8 mm，为了测试程序计算速度和稳定性，我们对500张图进行扣除背底及获取I-q曲线批处理，全程程序稳定运行，从原始数据转换一维曲线每张散射图用时约为1 s。

表1 PreSAXS 1.0、RAW及Fit2D计算出的光斑中心、样品到探测器的距离Table 1 The result of Beamcenter and SSD from PreSAXS 1.0,RAW and Fit2D

图6 PreSAXS 1.0、Fit2D以及RAW程序计算得出的I-q曲线比较 (a)牛筋，(b)二十二酸银盐，(c)二氧化铈Fig.6 Comparison of the one-dimensional integrated intensity curves obtaining from PreSAXS 1.0,RAW,Fit2D software(a)Bull tendon,(b)Silver Behanate,(c)CeO2

3 结语

本文介绍了自行开发的小角X射线散射数据预处理PreSAXS1.0软件，简单总结如下：

输入数据为探测器上直接获取的二维散射图片。PreSAXS1.0对标样的二维数据进行定位中心、校正距离、扣除背底。可对数据进行扇形积分，可对海量数据进行快速批量处理，界面友好，操作方便简单。该程序建立了包含各向异性散射的标样数据库，并解决了非对称性散射图的距离校正问题。获取的一维曲线与其他程序获得的结果符合得较好。程序采用了MATLAB 的插值法提高了一定的计算效率。诚然，PreSAXS1.0 还有待改善和改进，如程序功能还需扩展，进一步提高数据批处理速度，用户界面要更为友好等。以后将从掠入射小角散射（Grazing Incident Small-Angle Scattering of X-ray，GISAXS）的数据预处理功能及界面友好方面努力。