为了节约和充分利用有限的插入件资源，目前世界上很多第三代同步辐射装置采用了将两个插入件光源呈一定夹角级联后放置于同一个直线节，然后用不同的光学元件将光束分别引出至各自实验站的方法^[1]，这样的两条光束线称之为canted光束线。国家蛋白质科学研究（上海）设施基于上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)波荡器插入件ID19首次建成canted双光束线：1) 蛋白质复合物晶体结构线站(BL19U1)，其目标是要实现晶胞尺寸超过100 nm的蛋白质复合物结构测定^[2]；2) 生物X射线小角散射线站(BL19U2)，以蛋白质在自然状态下的结构、动态变化和相互作用为主要研究方向，重点开展以时间分辨为主的动态过程等研究工作^[3]。2014年5月完成了专家组工艺测试验收后，两线开始试运行。2015年初，BL19U-canted双线已向用户正式开放。

BL19U1和BL19U2两条光束线的光源点相距2.542 m，在水平方向呈6 mrad的夹角引出锯齿墙，光束线整体布局如图 1所示。与常规的同步辐射光束线相比，canted光束线水平间距小，两条光束线在光学元件的空间布局上非常紧凑，需要共用部分光学设备的真空腔。

图 1

图 1 BL19U-canted光束线总体布局 Figure 1 Layout for BL19U canted beamlines.

BL19U1光束线基本光学元件设置：入射光经过距光源点19.6 m处的白光狭缝后被限制成发散角为0.1 mrad×0.05 mrad (H×V)的光束，因此不必采用前置准直镜对光束进行准直就能达到多波长反常散射法(Multi-wavelength Anomalous Dispersion,MAD)实验所需要的约10^-4能量分辨率。液氮冷却双晶单色器位于距光源点22.5 m处，采用一对Si(111)晶体衍射。超环面镜位于距光源点33.1 m，利用超环面镜可以同时对光束在水平和垂直方向进行聚焦，样品处光斑尺寸为106 mm×41 mm (H×V)。BL19U2光束线基本光学元件设置：入射光经过距光源点20.733 m处的白光狭缝限制成发散角为0.08mrad×0.05 mrad (H×V) 的光束。液氮冷却双晶单色器位于距光源点23.6 m处，采用一对Si(111)晶体衍射。利用大K-B镜组合分别对光束的水平和垂直方向进行聚焦，水平聚焦镜距光源点31.2 m，垂直聚焦镜距光源点34 m，样品处光斑尺寸为320mm×43 mm (H×V)。

为了在BL19U1的样品点处（距离光源点40.8m）能够放置Platus-M6探测器，在其单色器下游3.2 m处设置了水平双偏转镜，使得双线的水平夹角增大到20.6 mrad（两镜的掠入射角分别为3.5mrad、3.8 mrad），有效地增大了下游双线之间的距离，充分利用了光束线空间。

由于在单色器上游的空间非常紧张，出墙后两线的中心距最小只有113 mm。因此，双线的白光狭缝采用沿光束传播方向纵向错开的方式放置，如图 2所示。其机械结构沿用上海光源插入件的标准四刀白光狭缝^[4]。上（下）游吸收体内部形成L形刀口，上下游吸收体分别由二维精密滑台控制进行水平和垂直方向运动，实现通光口径大小的调节。

图 2

图 2 白光狭缝布局 Figure 2 Layout for preliminary slits on canted beamlines.

狭缝开口最大尺寸为10 mm×10 mm (H×V)，关闭时刀口可重叠2 mm。吸收体材料为Glidcop Al-15，刀口材料为Ta。由于第一吸收体刀口边缘变形较大，所以在第二吸收体尾端安装一块L形刀片，补偿第一刀片由于热变形对光斑孔径的影响，同时起到阻挡杂散光的作用。为了提高两者之间的导热性能，在两者之间垫有银片。吸收体承受的最大热负载为1 357 W，峰值功率密度为92 W∙mm^-2。根据有限元分析结果，如图 3所示，该白光狭缝吸收体的最高温度为188.8 ℃，最高等效热应力约180MPa，均在材料的热疲劳承受范围内，满足使用要求。

图 3

图 3 白光狭缝吸收体热分析结果 (a) 吸收体温度分布云图，(b) 吸收体热应力分布云图 Figure 3 Thermal analysis results for preliminary slits absorber. (a) Temperature distribution of absorber,(b) Thermal stress distribution of absorber

BL19U1和BL19U2均采用液氮冷却双晶单色器(Double Crystal Monochromator,DCM)，一对Si(111)晶体无色散排列，出入射光固定高差为25mm，其主要参数如表 1所示。两台单色器如图 4所示，顺序对向安装。一束光在晶体上发生衍射时，另一束光从其旁边直接穿过，互不影响。在单色器上游入口处两束光中心距为130 mm，在下游出口处两束光中心距为146 mm。单色器采用德国Bruker公司的成熟设计。Bragg主轴置于真空腔内，通过HUBER430真空测角仪驱动，采用Renishaw圆光栅RESR413配双读头T26差分系统闭环控制，最小分辨率为0.05″，重复精度0.2″。

表 1

表 1 液氮冷却双晶单色器主要参数 Table 1 Specifications of LN2 DCMs. 光束线Beamline BL19U1 BL19U2 衍射面Lattice plane Si(111) Si(111) 能量范围 Energy range / keV 5-18 7-15 最小能量步长 Minimum energy step 0.1 eV@15 keV 0.1 eV@12 keV 能量分辨率 Resolution 2×10-4 2×10-4 光斑截面尺寸 Beam size (H×V) / mm×mm 2.3×1.15 2.4×1.2 最大吸收功率 Maximum absorbed power on 1st crystal / W 200 200 最大热功率密度 Peak power density / W∙mm-2 25 25 真空度Vaccum / Pa <10-6 <10-6

表 1 液氮冷却双晶单色器主要参数 Table 1 Specifications of LN2 DCMs.

图 4

图 4 液氮单色器布局 Figure 4 Layout for LN2 DCMs on canted beamlines.

单色器的旋转中心置于一晶表面距其下游端30mm处。为了提高单色器的整体稳定性，根据实验需求简化晶体调节机构。滚角微调机构设置在一晶上，投角微调机构设置在二晶上，均采用步进电机推压柔性铰链的方式，为满足重复精度要求，均增加了光栅尺系统进行闭环控制。此外，二晶投角精调机构采用PI公司的低电压压电陶瓷闭环驱动，以满足投角精调时更高的精度和分辨率要求。在能量扫描过程中，为保持固定高差，二晶可沿其表面法向平移来补偿。

第一晶体吸收的最大热功率为200 W，峰值热功率密度为25 W∙mm^-2，晶体尺寸为100mm× 30mm×30 mm (L×W×H)，采用液氮间接边冷的方式。其1/2模型热分析结果如图 5所示，一晶表面最高温度为-168.5 ℃，热负载引起晶体表面的面形误差为1.21 μrad (Root-Mean-Square,RMS)。

实验证明，振动和温漂是影响液氮冷却单色器稳定性的主要因素^[5]。振源主要来自液氮系统和地面的振动。由于在能量扫描过程中，双晶之间有相对位移，因此液氮管路由不锈钢硬管和柔性管焊接而成，柔性管既可以补偿晶体间相对的位移，又能减小相对运动过程中管路对晶体调节机构带来的外力。而另一方面，柔性管内壁的褶皱和液氮管路径的弯转是改变液氮流态引起流体振动的主要因素。因此，在管路布置时要保持适当的柔性管长度；尽量减少管路小半径连续折弯的路径。在大理石台与单色器底板之间加阻尼隔振垫，能有效减小地面传来的振动。关于温漂的抑制，包括两个方面：1) 为了防止液氮冷却系统对晶体调节机构的“过冷”影响，保证晶体的调节机构能稳定在某个温度（30 ℃左右）下工作，同时晶体保持液氮的低温。采用特殊玻璃纤维材料G10做绝热件，能有效防止晶体调节机构在长时间内的温漂；2) 康普顿散射也会对调节机构造成温漂的影响，因此，将一、二晶的调节机构通过铜辫子连接到热平衡系统上。热平衡系统由冷却水管路与真空腔外的冷却水循环机组形成闭环，这样水循环机组可以稳定输出流量为2-6L∙min^-1的水流，其温度稳定性达±0.01℃，从而保持晶体调节机构温度的稳定。

图 5

图 5 单色器一晶热分析结果 (a) 一晶的温度分布云图，(b) 一晶表面的子午面形误差 Figure 5 Thermal analysis results for 1st crystal on DCM. (a) Temperature distribution of 1st crystal,(b) Meridional slope error of 1st crystal surface

在两台单色器下游3.25 m处是水平双偏转镜，两块平面镜(M1、M2)背靠背侧放于同一真空镜箱内，镜体尺寸均为800 mm×70 mm×40 mm (L×W× H)。M1、M2两镜的镀层材料为Rh，厚度50 nm。M1、M2的掠入射角分别为3.5 mrad、3.8mrad，为了能有效增大下游双线之间的距离，双偏转镜应尽量靠近上游的单色器放置。考虑到两镜子间距仅73mm，为方便镜子调节机构的设计和安装，镜子调节机构只保留投角和Z向（垂直光路水平方向）运动，而取消了滚角和X向（垂直光路竖直方向）的运动调节。因此，要求镜子的滚角安装精度好于0.1°。双偏转镜镜子姿态调节机构如图 6所示，调节机构主要参数如表 2所示。

表 2

表 2 偏转镜调节机构参数要求 Table 2 Adjustment parameters for double horizontal reflecting mirrors. 调节机构 Adjustment 参数 Specification BL19U1 BL19U2 投角Pitch 范围Range ±0.5o ±0.5o 最小步长Step size 0.2′′ 0.2′′ 重复精度 Repeatibility ±1″ ±1″ Z方向 Z direction 调节范围 Stoke / mm ±5 ±5 最小步长 Step size / µm 2 5 重复精度 Repeatibility / μm ±10 ±10 滚角Roll 安装精度 Installation accuracy ≤± 0.1°

表 2 偏转镜调节机构参数要求 Table 2 Adjustment parameters for double horizontal reflecting mirrors.

图 6

图 6 双偏转镜系统 (a) 俯视图，(b) 镜箱内部 Figure 6 Double horizontal reflecting mirrors system. (a) Top view of reflecting mirrors system,(b) Inside of the mirror chamber

BL19U1的超环面镜(M3)和BL19U2的水平聚焦镜(M4)、垂直聚焦镜(M5)均采用千斤顶式压弯机构^[6]，如图 7所示，其主要参数如表 3所示。

表 3

表 3 聚焦镜系统主要技术参数 Table 3 Specifications of three focusing mirror systems on canted beamlines. 光束线Beamline BL19U1 BL19U2 镜子 Mirror 超环面镜(M3) Toroidal mirror 水平聚焦镜(M4) Horizontal focusing mirror 垂直聚焦镜(M5) Vertical focusing mirror 镜体尺寸（长×宽×厚） Dimensions of mirror / mm×mm×mm 1 000×85×55 1 000×70×50 1 000×85×55 工作能区 Energy range / keV 7-15 7-15 7-15 子午半径Meridional radius / m 3 330 7 895 7 633 弧矢半径Sagittal radius / mm 43.5±0.3 ― ― 子午面形误差 Meridional slope error / µrad ≤1.5 ≤1 ≤1 掠入射角Grazing incidence / mrad 3.5 3.5 3.5 镀层Coating material Rh Rh Rh/Si 镀层厚度Thickness of the coating / nm 50 50 50 子午半径分辨率 Resolution of the meridional radius / m ≤30 (2 500-4 500) ≤80 (6 500-9 000) ≤80 (5 500-9 000) 子午半径稳定性 Stability for meridional radius / m∙8 h-1 ±30 ±150 ±150 注：*稳定性测试是在镜子工作半径下进行，时间超过8 h Note: *Stability test for meridional radius was carried out under nominal radius of the mirror over 8 h period.

表 3 聚焦镜系统主要技术参数 Table 3 Specifications of three focusing mirror systems on canted beamlines.

图 7

图 7 垂直聚焦镜(M5)整体结构 Figure 7 Mechanism of vertical focusing mirror (M5).

与常规的插入件光束线相比，canted光束线在布局时要注意以下几点：

1) 两条光束线水平间距小，在光学元件的空间布局上非常紧张，需要考虑共用部分光学设备的真空系统或者在光束传播方向上将其错开布置。

2) 为了满足下游光学元件的布局，需要采用水平偏转镜来增大两条光束线的间距，并尽量靠近上游放置。

3) 在共用真空系统的元件中，要保证其中一条线在调节操作的过程中，不影响另一条线正常工作。

2014年5月，BL19U-canted光束线组织进行了专家组工艺测试验收。测试结果如表 4所示，各项指标均优于设计指标。

表 4

表 4 BL19U-canted束线测试验收结果 Table 4 Test performance of BL19U canted beamlines. 测试指标 Test indexes BL19U1 BL19U2 光子能量范围 Photon energy range / keV 7-15 7-15 能量分辨率 Resolution (E/E) 1.85×10-4 (@11.936 keV) 2×10-4 (@12 keV) 聚焦光斑尺寸 Focal spot size (H×V) / mm×mm 106×41 320×43 光子通量Flux / phs∙s-1@240 mA 2.2x1012 (@12 keV) 5.7×1012 (@12 keV) 光束发散角 Divergence of the beam (H×V) / μrad×μrad 52×95 46.5×27

表 4 BL19U-canted束线测试验收结果 Table 4 Test performance of BL19U canted beamlines.

上海光源BL19U-canted光束线机械系统自2015年初开放以来，已经稳定运行超过6000 h。BL19U-canted光束线的建成，使得我们在canted光束线的设计、布局、调试和运行等方面积累了丰富的实践经验。在上海光源二期光束线站工程中，将大量采用canted共直线节方式进行设计，以充分利用珍贵的直线节资源。因此，BL19U-canted光束线的设计和这一年多的运行经验对于上海光源二期线站以及同类光源canted光束线的建设具有非常重要的参考价值。