国家蛋白质微晶体结构线站

BL18U1由三大部分构成：①光源点与前端区；②光束线；③实验站。

3.3.1　光源

辐射光源的性质与光束线最终所能提供束流的品质密切相关，束线设计首先要选择合适的光源。对于3.5 Ge V的电子能量，要在5～18 keV能区获得高亮度的同步辐射光，须采用短周期波荡器，并利用波荡器产生的高次谐波，来覆盖所需要的能量范围。

上海光源储存环的电子轨道设计所允许的最小间隙为6 mm。若要得到连续的光子能量（波长）覆盖范围5～18 keV，波荡器的周期长度要求不小于2.4 cm。

3种不同周期长度的波荡器（U26、U25、U24），其亮度与通量曲线如图3-2所示。从图中可以看出，在相同的总长度条件下，周期长度越短，整个能区的平均亮度越高，但是调谐能力下降，光子能量连续可调范围在低能端受到限制。综合各方面因素，选取U25波荡器作为束线光源。U25波荡器朝低能端可较为容易地覆盖5 keV，并具有进一步延伸到4 keV的潜力，能很好地满足基于元素S反常散射的单波长反常散射（SAD）^[3]法对光子能量的要求，并可包括Cr（铬）和Mn的K吸收边以及I、Xe（氙）、Cs（铯）和Ba的L吸收边，且具有较高的亮度和相对较低的最大热功率。因此，我们选用U25波荡器作为光源。光源和波荡器的参数见表3-2。

图3-2　U24、U25、U26波荡器的亮度和通量曲线^[4]（彩图见图版第2页）

其中波荡器总长度均为2 m，最小磁隙为6 mm。（a）利用XOP程序计算得到的不同周期长度的波荡器的亮度；（b）利用内部程序计算得到的通量曲线。

表3-2　光源和U25波荡器参数

利用XOP程序计算得到的U25波荡器辐射功率密度角分布，如图3-3所示。

图3-3　U25波荡器辐射功率密度角分布（彩图见图版第2页）

3.3.2　前端区

前端区上连电子储存环，下接光束线，是两者的连接纽带。安全、可靠和稳定地运行，这是其最基本的设计要求。其作用主要如下。

①同步光束的尺寸限制：将储存环提供的同步光，按束线的要求进行质和量的取舍，并输送至束线。

②高热负载吸收：在满足束线要求基础上，处理掉多余的热功率，以减少束线中光学元件所承受的热负荷。

③元件的安全保护：保证光束不会打在未加保护和冷却的元件上。

④真空保护、过渡：为储存环、束线提供双向真空连锁保护，并且过渡从束线到储存环之间一系列不同的真空状态。

⑤人身保护：为实验大厅的工作人员及仪器设备，提供可靠的辐射屏蔽。

⑥光束位置测量：可以实时精密地监测X光光束的位置与方向。

上海光源的首批线站，已经分别对弯铁和插入件的前端区进行了标准化设计。蛋白质微晶体光束线站（也简称微晶线站）的前端，将直接使用插入件的前端区设计方案。前端区内主要部件的布局如图3-4所示。考虑到储存环隧道内的辐射损伤，前端区的元件主体均采用全金属材料，而且是超高真空环境下所选用的不锈钢或无氧铜。

3.3.2.1　总体布局（图3-4、图3-5）

自弯铁真空室出口法兰（flange）后依次为：储存环接口阀门（V1）；前置光阑（PreM）；四刀光位置探测器1（XBPM1）；活动光子挡光器1（PS1）；固定光阑1（FM1）；荧光探测器（M1）；气动阀2（V2）；快阀（FS）；四刀光位置探测器2（XBPM2）；固定光阑2（FM2）；荧光探测器（FM2）；活动光子挡光器2（PS2）；铅准直吸收器1（CLM1）；安全光闸（SS）；铅准直吸收器2（CLM2）；气动阀3（V3）。其中气动阀也称阀门。

3.3.2.2　工作模式

前端的工作模式分为3种：正常通光运行状态；用户停光进入光学棚屋的待机状态；前端因故障停止运行状态。如图3-5所示。

（1）运行状态：所有能切断光束的元件处于打开状态，即所有阀门、活动光子挡光器、安全光闸等都处于打开状态，使光束能够顺利传至下游光束线实验站。

（2）待机状态：用户欲进入光学棚屋时，如果不动易发生真空泄漏的部件，可仅放下活动光子挡光器2（PS2）和安全光闸（SS）；如要进入光学棚屋调节上述元件，为确保储存环真空安全，在放下活动光子挡光器（PS2）和安全光闸（SS）的同时，关闭阀门（V3）。此时，储存环、插入件（insert device，ID）处于供光状态，前端处于待机状态。

（3）停机状态：前端与储存环直接相连，而且运动部件较多，如果真空、气路、水路等的任一系统发生故障，该前端及整条光束线必须停止运行。为避免使储存环及其他束线也同时停止运行，在这种情况下，如果是ID前端，则ID间隙拉开，活动光子挡光器1（PS1）及阀门2（V2）落下、关闭；如果是弯铁（bending magnet，BM）前端，则活动光子挡光器1（PS1）及阀门2（V2）落下、关闭，储存环及其他束线继续运行。

图3-5　蛋白质微晶体结构线站的前端区工作模式图

在束线突发真空泄漏事故时，联锁保护系统会快速反应，剔除束流，关闭快阀（FS），与此同时前端所有阀门（V2、V3）、活动光子挡光器（PS1、PS2）和安全光闸（SS）会落下关闭。此时如果前端阀门（V1）可以打开，则储存环可视自身情况决定运行与否。而在这两种情况下，前端都要停止运行，等待维修和恢复，即处于停机状态。

3.3.2.3　辐射追迹

1.同步光追迹

第三代同步辐射的高热负载，是前端区首要且须着重解决的问题，前端区应尽可能消除不必要的热负载，减轻对下游光学元件的压力。束线对通过前端区的同步光张角，要求为0.3 mrad×0.15 mrad。

同步光追迹主要是模拟光束在各个位置的束斑大小，根据光源的功率分布，按束线的要求进行合理的分配与取舍，同时结合束流联锁阈值，模拟束流漂移时光束的极限运动，最终确定各主要受光元件的位置、孔径、长度等。如图3-6和图3-7所示。按图示的几何布局，经前端区限束后的同步辐射光最大张角为0.3 mrad×0.15 mrad。

图3-6　蛋白质微晶体结构线站前端区的同步光追迹（水平方向）（详见下载图3-6，下载网址见31页脚注）

2.轫致辐射^[5]追迹

辐射屏蔽保护设计，需要进行轫致辐射的计算、追迹，以确保安全光闸落下时，工作人员在屏蔽墙外所接收到的剂量处于安全范围内。其中铅准直吸收器主要用于阻挡除中心锥以外的辐射，而安全光闸在放下状态要能够挡住铅准直吸收器无法挡住的中心锥轫致辐射。以掠入射^[6]进入铅准直吸收器的轫致辐射，则用附加的铅块阻挡。最后确定安全光闸、铅准直吸收器的尺寸，以及进入束线（incident beam）需要束线屏蔽的辐射范围。追迹结果如图3-8和图3-9所示。按照目前的设计，通过前端区传到光束线区域的最大轫致辐射张角为23 mrad×5 mrad（H×V）。

图3-7　蛋白质微晶体结构线站的同步光追迹（垂直方向）（详见下载图3-7，下载网址见31页脚注）

图3-8　蛋白质微晶体结构线站前端区的轫致辐射追迹（水平方向）（详见下载图3-8，下载网址见31页脚注）

图3-9　生物大分子光束线前端区的轫致辐射追迹（垂直方向）（详见下载图3-9，下载网址见31页脚注）

3.3.3　光束线

3.3.3.1　光学系统

U25波荡器中心锥的辐射张角很小，约为60μrad×30μrad。中心锥以外的辐射弥散，对样品处的光强几乎没有贡献，但热功率很高，要尽可能加以阻挡吸收。从波荡器产生的辐射，经前端区的限束光阑后，其出射光束发散角为0.3 mrad×0.15 mrad（H×V），再经光束线水冷狭缝，限制成发散角为0.10 mrad×0.05 mrad（H×V）的光束。所以，不必采用前置准直镜对光束进行准直，就能够达到多波长反常散射（multi-wavelength anomalous dispersion，MAD）实验所需的约10-4的能量分辨。

经过前端区限束的光束，入射到双晶单色器晶体上。光束经过单色器晶体选取所需要的波长后，经由一个侧向放置的柱面镜在子午方向反向压弯形成的超环面镜（即马鞍面镜），在垂直方向进行聚焦，在水平方向进行散焦；最后经由一个压缩比较大的柱面镜，对光斑进行水平方向的聚焦，聚焦的焦点在实验站样品处。束线光学结构原理如图3-10和图3-11所示。目前国际上类似光束线的设计，一般采取大压缩比的K-B镜聚焦，以获得小光斑。由于光束线的总长度有限制，这种大压缩比的聚焦模式通常像距（聚焦镜距样品点的位置）很短，不便于实验站内设备的安装和调节。这条束线所采取的这种光学设计，在水平方向的聚焦模式与光学显微镜的放大原理类似。它巧妙地利用二级放大原理，在实现微小光斑的同时，很好地兼顾了聚焦镜与样品点的距离。同时，这种设计很好地利用了超环面镜弧矢方向面形误差对聚焦光斑的尺寸影响不大，以及波荡器光源垂直方向尺寸较小的特点，即压缩比不用太大，垂直方向的光斑尺寸就能达到6μm左右。

图3-10　蛋白质微晶体光束线的光学设计原理示意图（彩图见图版第3页）

图3-11　微晶线站的聚焦模式示意图（彩图见图版第3页）

在束线设计中，将超环面聚焦镜侧向放置，即利用超环面镜的弧矢弯曲，来实现光束的垂直聚焦；利用反向压弯的超环面镜（马鞍面镜）凸起的子午曲面，来实现光束的水平发散。在距光源点43 m的地方，侧向放置一块压缩比较大的柱面镜，在水平方向对光束进行聚焦。采用这样的几何光学布局，不仅可大大降低聚焦镜面形误差^[7]对垂直方向聚焦光斑尺寸的影响，而且使最终的出射光束平行于水平面。这对于束线安装、准直、调试以及实验站的布局，会带来很大方便。

束线光学设置（不包括前端区）如图3-12所示。

图3-12　微晶线站的束线光学设置

0：防护墙；1：γ准直吸收器；2：白光水冷狭缝；3：白光荧光靶组件；4：双平晶单色器；5：铍窗；6：精密四刀狭缝；7：单色光的光束位置监测器（BPM）及荧光靶组件；8：超环面聚焦镜；9：柱面镜；10：光闸；11：实验站。

在如上所述的光学系统中，直接影响光束性能的主要参数有，单色器晶体的热形变误差、聚焦镜的面形误差、铍窗的透射率等。下面将分别对这些参数的要求进行计算分析，并介绍主要光学设备。

1.双晶单色器

单色器采用无色散排列、固定出口高度的结构^[8]，其主要参数与指标的要求列于表3-3。单色器运动机构的原理是：布拉格转轴位于第一晶面中心（也可选择使布拉格转轴位于第二晶体表面或者其他地方，但是对单色器结构须作相应的调整）。做布拉格扫描时，第二晶体可沿着Y轴和Z轴方向运动，使得出射光位置不变。单色器采用间接液氮冷却，用同一个冷却回路对第一晶体和第二晶体进行串联冷却。第二晶体接收的热负载远小于第一晶体（主要是散射光），对第二晶体进行冷却主要是为了使2块晶体保持在基本相同的温度。对双晶单色器运动机构的技术要求，见表3-4。

表3-3　双晶单色器的物理参数及性能指标

**布拉格角：Bragg angle。
***Torr（托）为常用非法定真空度单位。1 Torr＝1 mm Hg＝133.32 Pa。

表3-4　双晶单色器运动机构的主要技术指标要求

*5″／平直度是指在单色器第二晶体运动过程中保持晶面与起点处晶面之间的平直度小于5″。

2.聚焦镜

本线站用到的2个聚焦镜——超环面镜和柱面镜，是侧向放置的。主要的物理参数和性能指标见表3-5。精密压弯机构是聚焦镜的技术关键，本系统采用的是四点压弯技术。聚焦镜方位调节分为位置与角度调节两部分，镜体方位角（T x，T Y，T Z）由镜箱内的微调机构加以实现。调节机构的技术指标，列于表3-6。

表3-5　聚焦镜物理参数及性能指标

（续表）

表3-6　聚焦镜调节机构的技术指标要求

3.白光狭缝和光束位置监测器

在光束线上，采用1个水冷白光狭缝和2个单色光狭缝。水冷白光狭缝位于单色器之前，用于限定入射光束张角和减轻单色器上的热负载。水冷白光狭缝需要承受的热功率接近2 kW，功率密度也很高（正入射时约90 W／mm2）。束线采用水冷掠入射四刀结构^[9]，受光面上的功率密度约为5 W／mm2。单色光狭缝位于单色器之后，用于阻挡杂散光及限定出射光束的张角。当必要时，利用该狭缝减小出射光束的发散角，还能进一步提高能量分辨率，降低相应的光子通量。单色光狭缝采用四刀口结构，不冷却。束线中安装一个白光荧光靶，位于白光狭缝之后，用于检测入射白光束的形状和中心位置，便于白光狭缝开口和中心位置的设定。由于入射白光束的功率密度高，白光荧光靶采用掺杂（掺有杂质的）金刚石膜产生荧光，配以CCD相机（电荷耦合器件摄像机）进行在线观察。白光荧光靶需要冷却。

光束线中采用了3个单色光光束位置监测器（beam position monitor，BPM），分别用于监测单色器、超环面聚焦镜和柱面聚焦镜的出射光束位置。这3个BPM也是单色器和聚焦镜调试及束线反馈调节所需要的。监测聚焦镜出射光束的BPM，距离聚焦镜越远越灵敏，可以安装在实验站内近光束线的末端处。单色光BPM拟采用金属膜四象限光电二极管型BPM，并配以单色光荧光靶组件，用以实时监测光束的位置和在必要时检测光束的形状。光束照射在Ti（钛）、Al等金属膜上，薄膜会散射部分X射线。在薄膜后面用4个高灵敏度的光电二极管阵列，接收被散射的X射线。对所产生的光电流信号进行相应的差分计算，可得到同步光束入射在薄膜上的位置信息。通过测量光电流总强度，还可得到入射光强信息，因此这类BPM同时可用于光强监测。所选取的金属膜很薄（约1μm），对光束几乎没有任何影响。狭缝与BPM的主要参数与指标要求，列于表3-7。

表3-7　狭缝与BPM的主要指标要求

4.铍窗

整个光束线上采用2个铍窗组件，分别安装在聚焦镜前面和光束线末端。前一个铍窗厚度为50μm，用于隔离聚焦镜的超高真空和单色器的高真空；第二个铍窗厚度为250μm，将光束线管道真空与外界大气环境隔开。为避免铍膜的氧化，铍窗另加Kapton膜（聚酰亚胺薄膜，厚度约20μm）隔离，以免直接暴露在大气中。铍窗和Kapton膜之间充氦气（He），长度2～3 cm即可，其对光束的吸收可以忽略。对光束线上不同部分的真空，有不同要求，采用真空差分系统来保证。光束线上晶体单色器真空室的真空度最低，为10-7～10-8 Torr。前端区上游部分靠近储存环，真空度要好于10-9 Torr，单色器下游聚焦镜处的真空度须达到10-9 Torr。由于束线较长，束线设计上已留有足够的空间，以安装差分泵。利用简单的差分，就可以满足前端区和聚焦镜的超高真空及其他区域的高真空要求。避免采用高功率水冷铍窗，不但简化了束线结构，也降低了造价。

3.3.3.2　光束性能分析

光线追迹软件SHADOW，能较好地模拟实际的光传输过程。其计算结果可作为实际光学性能的参考。用SHADOW追迹软件对光源点及束线的性能进行了模拟，模拟计算中已包括图3-12（69页）所示的各个光学部件的影响与贡献，并已考虑了单色器热形变和聚焦镜面形误差的影响。追迹结果表明，通过调节超环面聚焦镜在水平方向上的压缩比和狭缝开口大小，可使样品处聚焦光斑的尺寸在10μm×5μm～25μm×15μm之间变化，相应的样品处光子通量在2×1011～1012 phs／s（12 keV@300 m A）的范围内。下面只介绍在聚焦光斑尺寸为10μm×5μm条件下光束线的各项指标。

1.光源点特性

SHADOW模拟得到的光源点大小约为0.38 mm×0.024 mm（图3-13），光源点中心光锥的发散角约为60μrad×28μrad（图3-14）。(www.xing528.com)

图3-13　微晶线站光源点尺寸

图3-14　微晶线站光源点中心光锥发散角

2.能量分辨率和光子通量

利用SHADOW模拟计算了在12 keV时的谱分布曲线（图3-15）。由△E／E计算出12 keV处的能量分辨率为1.74×10-4。

图3-15　微晶线站单色器设置为12 keV时的能谱曲线

图3-16　微晶线站晶体热形变对单色器分辨率的影响（12 keV）

单色器第一晶体的热形变，会对能量分辨率有较大影响。在光束性能的模拟计算中，对于晶体的热形变误差均采用球形凸起近似，按不利的情形（热凸起）来分析能量分辨率的变化情况。利用SHADOW软件计算得到的不同晶体的热形变面形误差对能量分辨率的影响，如图3-16所示。由此图可以看出，当晶体的热形变面形误在20μrad以内时，能量分辨率均小于2×10-4。用SHADOW模拟计算的样品处光子通量约为5×1011 phs／s。

3.聚焦光斑尺寸

用SHADOW模拟得到的能量为12 keV时，最优化的聚焦光斑大小约为10μm×5μm（如图3-17所示），此时样品处的光子通量为2×1011 phs／s。当聚焦光斑尺寸放宽到25μm×15μm时，样品处的光子通量可达1×1012 phs／s。

由于聚焦光斑在垂直方向上的尺寸已经很小，而且对光斑进行垂直方向聚焦的是聚焦镜的弧矢曲面，聚焦镜弧矢方向的面形误差对聚焦光斑的性能不会有明显影响，因此聚焦光斑在垂直方向的尺寸能够控制得很好。

对光束水平方向进行聚焦的是柱面镜，柱面镜的面形误差主要对聚焦光斑水平方向的尺寸有影响。图3-18是能量为12 keV时，聚焦光斑水平方向的尺寸随着柱面镜的面形误差而增大的变化曲线。当聚焦镜子午方向的面形误差控制在1.5μrad以内时，水平方向的光斑尺寸均小于13μm（通量均大于5×1011 phs／s）。

图3-17　微晶线站的聚焦光斑尺寸

图3-18　微晶线站聚焦光斑水平方向尺寸随柱面镜面形误差的变化曲线

4.光束发散角

用SHADOW模拟得到能量为12 keV时聚焦光束发散角约0.46 mrad×0.16 mrad（如图3-19所示），光束发散角基本上不随能量而变化。

利用设置在聚焦镜前面的精密狭缝进行限束，可以进一步减小光束的发散角。但是，样品处的光子通量也会随之下降。

3.3.4　实验站

图3-19　微晶线站的聚焦光斑发散角

实验站处于光束线的末端，是用户进行生物大分子晶体衍射实验的地方。生物大分子晶体学研究的是如何利用X射线晶体衍射的方法，求解生物大分子的三维空间结构。在生物大分子晶体学的实验中，常用的实验方法是单轴旋转法。晶体围绕着某一个垂直于X光入射方向的轴，小角度地旋转或者回摆。而入射到晶体上的X光会发生衍射，每个衍射强度通过面探测器（如图3-20所示）被记录下来。这样最终得到的实验结果，是一帧帧衍射图。然后，运用数学方法计算电子密度图，通过电子密度图将蛋白质分子的三维空间结构构建出来。

图3-20　旋转阀实验示意图

微聚焦光束线主要是针对微晶体样品的（20μm以下）。与其他生物大分子晶体学实验站相比，它具有一些特殊之处。微聚焦光斑在5～25μm之间。为保证在数据采集过程中，实验站光斑及样品的位置保持稳定，必须尽可能减少环境的影响，比如温度、振动等。要精确定位微小的蛋白质晶体样品，就需要高放大倍数的显微镜。要保证晶体样品在旋转过程中始终处于X光路中，对测角仪φ轴的偏心率（sphere of confusion，SOC）就有极高要求，至少要在1μm以下。微聚焦光束线的光强极高，很容易造成晶体的辐照损伤。为采集一套完整的衍射数据，还须对微晶体样品作一些精确的位置移动，从而能够从同一颗晶体的不同位置，采集一套完整的数据。微晶体的一般衍射能力比较弱，因此还须配备一台高性能探测器，以便采集较高分辨率的微弱的衍射数据。所有这些都要求微聚焦实验站的各种仪器设备具有更高的性能。

3.3.4.1　实验站硬件设备

生物大分子晶体的晶胞一般比较大，相应地能够产生的衍射点也较小分子晶体多得多。所以，要采集一套完整的数据，必须采集许多帧（frame）衍射图。为提高数据的精确性，必须保证每帧衍射图的曝光时间及旋转角度相等。为此，要配备高精度的衍射仪及快门。就微晶体而言，由于其体积非常小，而且必须在旋转过程中位置始终保持不动，因而对衍射仪的要求就远较常规晶体为高。

从衍射图中得到的是衍射强度，而要得到三维结构，还需要相位信息。目前常用的解相位方法包括分子置换法（MR）[1，2]、同晶置换法（MIR／SIR）[3，4]、反常散射法（MAD／SAD）^[10][57]、直接法（direct method），以及这几种方法的结合等。除了反常散射法，其他几种方法并不需要特殊的处理，而反常散射法由于是利用反常散射效应所产生的结构因子F（＋）和F（-）之间的微小差异来求解相位，故需要通过扫描反常散射原子荧光谱，来寻找反常散射信号的最大能量。高强度的X射线照射到生物大分子晶体样品上，会造成辐射损伤，使得晶体衍射能力降低甚至消失，因此需要采用晶体样品的低温冷却装置，以降低晶体温度，使之能够承受住较长时间的X射线照射，以便采集到完整的数据。

同步辐射机时非常宝贵，尤其在国内生物大分子光束线很少的情况下。因此，必须高效地利用机时。在生物大分子晶体衍射实验的过程中，筛选合适的晶体样品是一个非常耗时的过程，因此配置自动上样机器人以提高实验效率，是目前国际上生物大分子晶体学光束线站的主流趋势。对于微聚焦光束线站来说，配置了机械手以后还可以减少实验人员进出实验棚屋的次数，减少实验棚屋内的环境变化及振动。此外，实验站还包括样品观察系统、狭缝、电离室、探测器支撑、强度衰减器等设备。实验站的配置图见图3-21。

3.3.4.2　实验站控制及数据处理

图3-21　微晶线站实验站设备配置图

控制系统是实验站的重要组成部分。好的控制系统能够最大限度地发挥光束线及实验站的性能。实验站的控制系统是高度集成的，应该能够与光束线控制系统通信，完成束线设备调试，还必须能够控制实验站内的大部分设备，完成晶体衍射数据采集的过程。控制系统需要有荧光扫描功能，以满足反常散射实验的能量选择。控制系统需要集成自动上样机器人的控制，便于更换样品，进行样品刷选。上海光源所采用的光束线控制系统是EPICS软件[8]。所以，实验站的控制系统需要有与EPICS控制系统的接口。对控制系统来说，最重要的是实现快门与测角仪旋转轴的同步，这关系到每张衍射图曝光时间的控制，对实验数据的质量具有非常重要的影响。图3-22是实验站控制和数据采集系统的结构框图。操作员接口（OPI）层的监测、控制和数据采集的计算机，选用基于LINUX的PC机，输入／输出控制器（input／output controller，IOC）选用VME／MVME5500，运动控制器选用美国OMS公司的MAXv-8000。由于CCD的读出数据量很大，因此配备一台专用的服务器，以保存CCD的实验数据。

图3-22　实验站控制和数据采集系统结构框

OPI：操作员接口（operator interface）；DHS：分布式硬件服务器（distributed hardware server）；VME：通用计算机总线（Versa Module Eurocard）；ADC：应用交付控制器（application delivery controller）。

对生物大分子晶体衍射数据的处理，主要包括以下几个步骤：衍射数据简化；相位计算；建立分子模型；修正。相应于不同的数据处理方法，有很多晶体学软件，而且不断地有新软件推出。生物大分子实验站为方便用户的使用，会安装比较常用的部分生物大分子晶体学软件，包括几个大的晶体学软件包，如CNS、PHENIX及CCP4等。还有数据简化的HKL2000、XDS、Mosflm等，解相位的软件SHELXD、SHARP、SnB、OASIS等。具体流程及各步骤所用的软件，见图3-23。

图3-23　生物大分子晶体衍射数据的分析流程以及各步骤所需的软件

图3-24　MD2衍射仪外观

图片引自Bruker公司的相关产品说明书。

3.3.4.3　实验站主要设备

1.衍射仪和快门

本条光束线针对小晶体（5～20μm），因此需要测角仪具有非常高的精度。考虑使用空气轴承的旋转轴，以提高转速及旋转精度。晶体在旋转过程中必须位置始终保持不动，这要求旋转轴的偏心率（SOC）须小于1μm。可以沿转轴方向平移，以便将晶体移到X光束里面。在转轴顶端须有x-Y移台，可将晶体样品移至转轴上。由于现在针对的是微晶体，因此要求测角仪在各个方向移动的精度都达到1μm（测角仪的参数见表3-8）。快门是用于控制曝光时间的设备。快门与衍射仪转轴之间的同步，对衍射数据的质量影响非常大。为提高同步的精确性，同步过程的控制被做到硬件中。最终的曝光时间误差要小于5 ms。本实验站采用MD2衍射仪（图3-24）。

表3-8　MD2衍射仪的主要参数

图3-25　Pilatus3 6M探测器图片

图片引自Dectris公司相关产品说明书。

2.CCD探测器

对于生物大分子的三维结构研究来说，分辨率的推进是非常重要的。就微小晶体样品而言，对衍射分辨率和探测器面积的要求不是非常高，但值得注意的是，微小晶体的衍射能力通常较弱，因此一个高性能的CCD探测器是必需的。探测器和样品之间的距离必须可调，误差小于5μm。由于大面积CCD探测器的整体重量比较大，因此CCD的支撑台和轨道系统必须足够稳定。

本线站采用Pilatus3 6M探测器（图3-25），探测器的主要参数见表3-9。

表3-9　探测器的主要参数

（续表）

*B：bit（比特）。
**PSF：point-spread function（点扩散函数）。

3.样品冷却系统

高强度的X射线照射，会导致样品的辐照损伤、热变形以及样品活性的降低等，会导致收集的数据质量和完整度降低。因此，样品冷却系统是光束线站必备的设施。目前，使用低温液氮气体持续地保护样品，这是生物大分子晶体学常用的冷却手段。采用通用的液氮冷却系统，可在100 K至室温的范围内调节样品温度。目前，世界上大多数生物大分子实验站采用的是Oxford Cryosystem（Oxford冷却系统），本实验站选用其最新产品Oxford700系列。冷却系统构成的示意图见图3-26，参数见表3-10。

表3-10　Oxford700样品冷却系统参数

图3-26　Oxford700样品冷却系统

图片引自Oxford Cryosystems公司相关产品说明书。

图3-27　Rigaku Actor自动上样机器人

图片引自Rigaku公司相关产品说明书。

4.自动上样机器人

在晶体的生长过程中，存在着很大的随机性。因此，很多晶体需要仔细加以筛选，以找到一个合适的高质量晶体，用于数据的收集。这个过程包括：在显微镜下用纤维环挑晶体，将晶体放上衍射仪，收集衍射图像并且查看衍射质量。如果没有自动上样机器人，实验人员需要重复开启和关闭实验站的安全保护系统，以便进入实验棚屋人工更换样品，然后重新开始实验。整个过程会浪费大量的实验时间。而且频繁开启和关闭实验站棚屋，会导致实验站内温度和湿度频繁变化，开关棚屋门的振动会导致样品和一系列精密设备的轻微位移。使用自动上样机器人，每小时可检测的样品可以增至15～20个。本实验站采用的是Rigaku Actor自动上样机械手（也称自动上样机器人），其外观见图3-27，参数见表3-11。

表3-11　Rigaku Actor自动上样机器人参数

（续表）

5.样品观察光学系统

本实验站的光斑和样品都非常小，因此对样品的准确定位和对X光的准确聚焦，就显得尤为重要。只有采用同轴显微镜，才能够避免视差。样品观察光学系统不仅需要有足够的精度，还要能够明确地区分晶体、溶液和尼龙环。因此，需要配置具有偏振光的可调节、高精度显微镜，该设备会和测角头设备安装在一起。

6.狭缝和其他设备

狭缝用于控制入射光的光斑大小，并且阻挡X射线在空气中的散射。电离室可用于检测入射X光的光强。衰减器可用于降低入射光强度，以避免高能量X光导致样品的辐射损伤。这些设备沿着X射线的光路安装，并且随着X射线的入射方向而可调。

7.数据存储和数据处理软件

100 TB（terabyte）容量的数据存储系统，能够存储大约2个月的数据实验所产生的用户数据。多台高性能工作站，被安装在实验站上，用于实验数据的处理。大多数常用的晶体学软件包，被提供给广大用户使用，例如HKL3000[9]、MOSFLM[10]、CCP4[8]、HKL2MAP[11]、SHELX[12]、PHENIX[13]、Solve／Resolve[14]、Coot[15]、Pymol[16]等。这些软件会定期升级，还可以根据用户的需求安装软件。

8.其他辅助设施

其他辅助设施包括单独的样品准备间，以便用户准备生物大分子样品，以及一些晶体生长设施等。另外，生物大分子样品要能够在上海光源长期保存。