秦宏亮 趙 雁 王 楠 祝萬錢 徐中民

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

上海光源BL19U-canted光束線布局及運(yùn)行

秦宏亮 趙 雁 王 楠 祝萬錢 徐中民

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū) 上海 201204）

上海光源在BL19U波蕩器直線節(jié)首次建成了canted光束線。由于canted雙線的水平夾角僅為6 mrad，在束線光學(xué)元件的空間布局上非常緊張。順序錯(cuò)開放置、共用真空腔體以及采用偏轉(zhuǎn)鏡是canted光束線布局的主要方式。本文主要討論了上海光源canted光束線在白光狹縫、單色器以及偏轉(zhuǎn)鏡等關(guān)鍵部件進(jìn)行束線布局時(shí)的設(shè)計(jì)方案和指標(biāo)。BL19U-canted光束線機(jī)械系統(tǒng)自2015年初開放運(yùn)行以來，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過6 000 h。

同步輻射，canted光束線，束線布局

為了節(jié)約和充分利用有限的插入件資源，目前世界上很多第三代同步輻射裝置采用了將兩個(gè)插入件光源呈一定夾角級聯(lián)后放置于同一個(gè)直線節(jié)，然后用不同的光學(xué)元件將光束分別引出至各自實(shí)驗(yàn)站的方法[1]，這樣的兩條光束線稱之為canted光束線。國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施基于上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)波蕩器插入件ID19首次建成canted雙光束線：1) 蛋白質(zhì)復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)線站(BL19U1)，其目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)晶胞尺寸超過100 nm的蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)測定[2]；2) 生物X射線小角散射線站(BL19U2)，以蛋白質(zhì)在自然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)、動態(tài)變化和相互作用為主要研究方向，重點(diǎn)開展以時(shí)間分辨為主的動態(tài)過程等研究工作[3]。2014年5月完成了專家組工藝測試驗(yàn)收后，兩線開始試運(yùn)行。2015年初，BL19U-canted雙線已向用戶正式開放。

1 光束線布局

BL19U1和BL19U2兩條光束線的光源點(diǎn)相距2.542 m，在水平方向呈6 mrad的夾角引出鋸齒墻，光束線整體布局如圖1所示。與常規(guī)的同步輻射光束線相比，canted光束線水平間距小，兩條光束線在光學(xué)元件的空間布局上非常緊湊，需要共用部分光學(xué)設(shè)備的真空腔。

BL19U1光束線基本光學(xué)元件設(shè)置：入射光經(jīng)過距光源點(diǎn)19.6 m處的白光狹縫后被限制成發(fā)散角為0.1 mrad×0.05 mrad (H×V)的光束，因此不必采用前置準(zhǔn)直鏡對光束進(jìn)行準(zhǔn)直就能達(dá)到多波長反常散射法(Multi-wavelength Anomalous Dispersion, MAD)實(shí)驗(yàn)所需要的約10-4能量分辨率。液氮冷卻雙晶單色器位于距光源點(diǎn)22.5 m處，采用一對Si(111)晶體衍射。超環(huán)面鏡位于距光源點(diǎn)33.1 m，利用超環(huán)面鏡可以同時(shí)對光束在水平和垂直方向進(jìn)行聚焦，樣品處光斑尺寸為106 μm×41 μm (H×V)。BL19U2光束線基本光學(xué)元件設(shè)置：入射光經(jīng)過距光源點(diǎn)20.733 m處的白光狹縫限制成發(fā)散角為0.08mrad×0.05 mrad (H×V) 的光束。液氮冷卻雙晶單色器位于距光源點(diǎn)23.6 m處，采用一對Si(111)晶體衍射。利用大K-B鏡組合分別對光束的水平和垂直方向進(jìn)行聚焦，水平聚焦鏡距光源點(diǎn)31.2 m，垂直聚焦鏡距光源點(diǎn)34 m，樣品處光斑尺寸為320μm×43 μm (H×V)。

圖1 BL19U-canted光束線總體布局Fig.1 Layout for BL19U canted beamlines.

為了在BL19U1的樣品點(diǎn)處（距離光源點(diǎn)40.8m）能夠放置Platus-M6探測器，在其單色器下游3.2 m處設(shè)置了水平雙偏轉(zhuǎn)鏡，使得雙線的水平夾角增大到20.6 mrad（兩鏡的掠入射角分別為3.5mrad、3.8 mrad），有效地增大了下游雙線之間的距離，充分利用了光束線空間。

1.1白光狹縫

由于在單色器上游的空間非常緊張，出墻后兩線的中心距最小只有113 mm。因此，雙線的白光狹縫采用沿光束傳播方向縱向錯(cuò)開的方式放置，如圖2所示。其機(jī)械結(jié)構(gòu)沿用上海光源插入件的標(biāo)準(zhǔn)四刀白光狹縫[4]。上（下）游吸收體內(nèi)部形成L形刀口，上下游吸收體分別由二維精密滑臺控制進(jìn)行水平和垂直方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)通光口徑大小的調(diào)節(jié)。

圖2 白光狹縫布局Fig.2 Layout for preliminary slits on canted beamlines.

狹縫開口最大尺寸為10 mm×10 mm (H×V)，關(guān)閉時(shí)刀口可重疊2 mm。吸收體材料為Glidcop Al-15，刀口材料為Ta。由于第一吸收體刀口邊緣變形較大，所以在第二吸收體尾端安裝一塊L形刀片，補(bǔ)償?shù)谝坏镀捎跓嶙冃螌獍呖讖降挠绊?，同時(shí)起到阻擋雜散光的作用。為了提高兩者之間的導(dǎo)熱性能，在兩者之間墊有銀片。吸收體承受的最大熱負(fù)載為1 357 W，峰值功率密度為92 W·mm-2。根據(jù)有限元分析結(jié)果，如圖3所示，該白光狹縫吸收體的最高溫度為188.8 oC，最高等效熱應(yīng)力約180MPa，均在材料的熱疲勞承受范圍內(nèi)，滿足使用要求。

1.2單色器

BL19U1和BL19U2均采用液氮冷卻雙晶單色器(Double Crystal Monochromator, DCM)，一對Si(111)晶體無色散排列，出入射光固定高差為25mm，其主要參數(shù)如表1所示。兩臺單色器如圖4所示，順序?qū)ο虬惭b。一束光在晶體上發(fā)生衍射時(shí)，另一束光從其旁邊直接穿過，互不影響。在單色器上游入口處兩束光中心距為130 mm，在下游出口處兩束光中心距為146 mm。單色器采用德國Bruker公司的成熟設(shè)計(jì)。Bragg主軸置于真空腔內(nèi)，通過HUBER430真空測角儀驅(qū)動，采用Renishaw圓光柵RESR413配雙讀頭T26差分系統(tǒng)閉環(huán)控制，最小分辨率為0.05″，重復(fù)精度0.2″。

圖3 白光狹縫吸收體熱分析結(jié)果(a) 吸收體溫度分布云圖，(b) 吸收體熱應(yīng)力分布云圖Fig.3 Thermal analysis results for preliminary slits absorber.(a) Temperature distribution of absorber, (b) Thermal stress distribution of absorber

表1 液氮冷卻雙晶單色器主要參數(shù)Table 1 Specifications of LN2 DCMs.

圖4 液氮單色器布局Fig.4 Layout for LN2 DCMs on canted beamlines.

單色器的旋轉(zhuǎn)中心置于一晶表面距其下游端30mm處。為了提高單色器的整體穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求簡化晶體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。滾角微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在一晶上，投角微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在二晶上，均采用步進(jìn)電機(jī)推壓柔性鉸鏈的方式，為滿足重復(fù)精度要求，均增加了光柵尺系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。此外，二晶投角精調(diào)機(jī)構(gòu)采用PI公司的低電壓壓電陶瓷閉環(huán)驅(qū)動，以滿足投角精調(diào)時(shí)更高的精度和分辨率要求。在能量掃描過程中，為保持固定高差，二晶可沿其表面法向平移來補(bǔ)償。

第一晶體吸收的最大熱功率為200 W，峰值熱功率密度為25 W·mm-2，晶體尺寸為100mm× 30mm×30 mm (L×W×H)，采用液氮間接邊冷的方式。其1/2模型熱分析結(jié)果如圖5所示，一晶表面最高溫度為-168.5 oC，熱負(fù)載引起晶體表面的面形誤差為1.21 μrad (Root-Mean-Square, RMS)。

實(shí)驗(yàn)證明，振動和溫漂是影響液氮冷卻單色器穩(wěn)定性的主要因素[5]。振源主要來自液氮系統(tǒng)和地面的振動。由于在能量掃描過程中，雙晶之間有相對位移，因此液氮管路由不銹鋼硬管和柔性管焊接而成，柔性管既可以補(bǔ)償晶體間相對的位移，又能減小相對運(yùn)動過程中管路對晶體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶來的外力。而另一方面，柔性管內(nèi)壁的褶皺和液氮管路徑的彎轉(zhuǎn)是改變液氮流態(tài)引起流體振動的主要因素。因此，在管路布置時(shí)要保持適當(dāng)?shù)娜嵝怨荛L度；盡量減少管路小半徑連續(xù)折彎的路徑。在大理石臺與單色器底板之間加阻尼隔振墊，能有效減小地面?zhèn)鱽淼恼駝?。關(guān)于溫漂的抑制，包括兩個(gè)方面：1) 為了防止液氮冷卻系統(tǒng)對晶體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的“過冷”影響，保證晶體的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定在某個(gè)溫度（30 oC左右）下工作，同時(shí)晶體保持液氮的低溫。采用特殊玻璃纖維材料G10做絕熱件，能有效防止晶體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在長時(shí)間內(nèi)的溫漂；2) 康普頓散射也會對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)造成溫漂的影響，因此，將一、二晶的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過銅辮子連接到熱平衡系統(tǒng)上。熱平衡系統(tǒng)由冷卻水管路與真空腔外的冷卻水循環(huán)機(jī)組形成閉環(huán)，這樣水循環(huán)機(jī)組可以穩(wěn)定輸出流量為2-6L·min-1的水流，其溫度穩(wěn)定性達(dá)±0.01oC，從而保持晶體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)溫度的穩(wěn)定。

圖5 單色器一晶熱分析結(jié)果(a) 一晶的溫度分布云圖，(b) 一晶表面的子午面形誤差Fig.5 Thermal analysis results for 1st crystal on DCM.(a) Temperature distribution of 1st crystal, (b) Meridional slope error of 1st crystal surface

1.3水平偏轉(zhuǎn)鏡

在兩臺單色器下游3.25 m處是水平雙偏轉(zhuǎn)鏡，兩塊平面鏡(M1、M2)背靠背側(cè)放于同一真空鏡箱內(nèi)，鏡體尺寸均為800 mm×70 mm×40 mm (L×W× H)。M1、M2兩鏡的鍍層材料為Rh，厚度50 nm。M1、M2的掠入射角分別為3.5 mrad、3.8mrad，為了能有效增大下游雙線之間的距離，雙偏轉(zhuǎn)鏡應(yīng)盡量靠近上游的單色器放置。考慮到兩鏡子間距僅73mm，為方便鏡子調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝，鏡子調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)只保留投角和Z向（垂直光路水平方向）運(yùn)動，而取消了滾角和X向（垂直光路豎直方向）的運(yùn)動調(diào)節(jié)。因此，要求鏡子的滾角安裝精度好于0.1°。雙偏轉(zhuǎn)鏡鏡子姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖6所示，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表2所示。

表2 偏轉(zhuǎn)鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)要求Table 2 Adjustment parameters for double horizontal reflecting mirrors.

圖6 雙偏轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng) (a) 俯視圖，(b) 鏡箱內(nèi)部Fig.6 Double horizontal reflecting mirrors system. (a) Top view of reflecting mirrors system, (b) Inside of the mirror chamber

1.4聚焦鏡

BL19U1的超環(huán)面鏡(M3)和BL19U2的水平聚焦鏡(M4)、垂直聚焦鏡(M5)均采用千斤頂式壓彎機(jī)構(gòu)[6]，如圖7所示，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 聚焦鏡系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Specifications of three focusing mirror systems on canted beamlines.

圖7 垂直聚焦鏡(M5)整體結(jié)構(gòu)Fig.7 Mechanism of vertical focusing mirror (M5).

2 canted光束線布局要點(diǎn)

與常規(guī)的插入件光束線相比，canted光束線在布局時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1) 兩條光束線水平間距小，在光學(xué)元件的空間布局上非常緊張，需要考慮共用部分光學(xué)設(shè)備的真空系統(tǒng)或者在光束傳播方向上將其錯(cuò)開布置。

2) 為了滿足下游光學(xué)元件的布局，需要采用水平偏轉(zhuǎn)鏡來增大兩條光束線的間距，并盡量靠近上游放置。

3) 在共用真空系統(tǒng)的元件中，要保證其中一條線在調(diào)節(jié)操作的過程中，不影響另一條線正常工作。

3 束線測試

2014年5月，BL19U-canted光束線組織進(jìn)行了專家組工藝測試驗(yàn)收。測試結(jié)果如表4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表4 BL19U-canted束線測試驗(yàn)收結(jié)果Table 4 Test performance of BL19U canted beamlines.

4 結(jié)語

上海光源BL19U-canted光束線機(jī)械系統(tǒng)自2015年初開放以來，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過6000 h。BL19U-canted光束線的建成，使得我們在canted光束線的設(shè)計(jì)、布局、調(diào)試和運(yùn)行等方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在上海光源二期光束線站工程中，將大量采用canted共直線節(jié)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以充分利用珍貴的直線節(jié)資源。因此，BL19U-canted光束線的設(shè)計(jì)和這一年多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對于上海光源二期線站以及同類光源canted光束線的建設(shè)具有非常重要的參考價(jià)值。

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Layout and operation of the undulator canted beamlines on BL19U at SSRF

QIN Hongliang ZHAO Yan WANG Nan ZHU Wanqian XU Zhongmin
(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Zhangjiang Campus,Shanghai 201204,China)

Background:BL19U canted beamlines whose light sources were located at the same straight section in the storage ring were built at Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) as the first canted beamlines.Purpose:The space is very limited for the layout of canted beamline components, because the horizontal angle between the two beamlines is only 6 mrad.Methods:In order to achieve the layout for canted beamlines, it is essential to put the key components in succession, share the same chamber and set reflecting mirrors on the beamlines. Complicated layout and detailed specifications for the key components on canted beamlines are presented and discussed.Results & Conclusion:They have been operated more than 6 000 h without any mechanical failure since the beginning of 2015.

Synchrotron radiation, canted beamlines, Beamline layout

QIN Hongliang, male, born in 1981, graduated from Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences with a master’s degree in 2009, focusing on beamline technology development on synchrotron radiation facility

ZHU Wanqian, E-mail: zhuwanqian@sinap.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.110101

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所青年學(xué)者發(fā)展協(xié)作組(No.Y329051061)資助

秦宏亮，男，1981年出生，2009年于中國科學(xué)院高能物理研究所獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)橥捷椛涔馐€技術(shù)

祝萬錢，E-mail: zhuwanqian@sinap.ac.cn

Supported by Youth Scholar Development Collaborations of Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences (No.Y329051061)

2016-07-21，

2016-09-20