3.6.1 总体布局
光束线站的总体布局见图3-59，在环大厅1号门附近，线站周围有附属实验室。
3.6.2 真空系统
光束线中的许多光学部件，要求在真空系统中工作，以避免污染影响其性能。因此，真空系统对光束线的性能起着重要的作用。
前端真空以溅射离子泵作为主泵，无油分子泵作为粗抽泵，装有残余气体分压强计和冷阴极真空规。只有当前端气体分压和全压强达到一定要求时，环出口阀门V1才能打开。
前端真空设计要保证在V1打开时，储存环与V1衔接处的真空不受影响。前端区的真空分布如图3-60所示，其中pi01是无束流时的静态真空，pi02是有同步光照射时的动态真空。
为满足储存环超高真空的全压、分压要求，前端区必须能经受原位250℃、48 h的烘烤。
图3-59 线站的总体布局（彩图见图版第5页）
要求储存环静态真空达到10-10 Torr，允许运行时真空度达到10-9 Torr。从图3-60可以看出，束线与前端区接口处的真空度达到10-7 Torr量级，已能够满足储存环的真空要求；若真空度达到10-8 Torr，则能很好地满足环的真空要求。
图3-60 生物大分子光束线前端区的真空分布图（彩图见图版第5页）
SIP：溅射离子泵（sputter ion pump）。曲线上标注符号PreM、PS1、M1、M2、SS，含义与63页图3-4相同。
3.6.3 辐射防护
同步辐射光束线附近的辐射，有4种来源。①储存环电子束被剩余气体散射，或者电子束撞击储存环部件而产生初级轫致辐射；②初级轫致辐射被光束线部件散射，产生次级轫致辐射；③初级轫致辐射和次级轫致辐射引发中子辐射；④插入件和相邻的弯铁产生同步辐射，以及同步辐射在光束线部件上发生散射。
上海光源采用国际上通行的辐射防护标准，即工作人员每年允许的累计照射剂量为5 mSv。按年平均工作时间2 000 h估算，要求平均照射剂量率小于2.5μSv／h。
光束线站的辐射防护，主要由安装在光束线上的轫致辐射吸收器和线站棚屋提供。辐射防护的设计遵循如下原则：利用γ准直吸收器和光束线安全光闸，阻挡初级轫致辐射；利用棚屋墙防护初级轫致辐射在光束线部件上的散射所引起的次级轫致辐射，以及次级同步辐射。不允许初级轫致辐射直接照射在棚屋墙上的任何地方。γ准直吸收器和安全光闸的径向长度，应可以防护最大流强在最低真空度（10 n Torr）情况下所产生的气体轫致辐射。棚屋铅屏蔽厚度应可以防护在正常运行情况下（1 n Torr）初级辐射所可能产生的最大次级辐射（由初级辐射在光学部件上的散射而产生）。
为了保证光束线、实验站的运行，还需要配置冷却水、压缩空气、供配电、接地、通排风、低温液氮管道等。在上海光源的一期工程建设中，已经考虑了后续线站建设相关公用设施的需求。在实验大厅各线站的引出区域，都铺设有液氮、冷却水、压缩空气、供配电、通排风等管道。只要对光束线有需求，很方便就能够把相应的管道引入光学棚屋和实验棚屋。此外，在实验大厅周边的实验室，也已为每个线站预留了1～2个实验准备间，用于样品的准备及辅助实验等。
3.6.4 控制系统
光束线与控制系统的布局如图3-61所示。
图3-61 光束线及实验站的控制系统
PC、PCs：电脑；PLC：可编程控制器（programmable logic controller）；VME：通用计算机总线（Versa Module Eurocard）。
①运动控制：应用VME机柜的运动控制器，实现光学区光学元件、实验站运动部件（比如狭缝、单色器、样品测角仪、束流衰减器）的刻度校正、运动控制和检测。
②真空监测：应用VME插件VIPC616／IP-Octal-232，通过RS-232协议，对整条光束线包括前端区、光学区所有真空规的真空度进行监测。
③状态监测：通过PLC模块对前端区、光学区上的设备状态进行监测，包括对水流／气流流量、温度、阀门气压等的监测。
④设备保护：当发生异常情况时，应用预先设定的连锁顺序，由PLC关闭相关的部件。
实验站控制以及数据获取系统，是实验站的重要组成部分。上海光源的光束线广泛采用EPICS[8]进行运动控制、状态数据获取，并使用相应的工具进行光束线的状态配置。因此，上海设施蛋白质晶体学线站也采用EPICS控制系统。工程人员可以使用该系统进行开发、调试，以及完成各项工作。为了设备安全、用户数据安全及用户操作方便，上海设施的蛋白质晶体学3条线站均采用了由斯坦福同步辐射光源（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource，SSRL）T.M.McPhillips等开发的Blu-Ice[17]控制系统，以满足用户的实验需求和结构生物学的研究需求。Blu-Ice系统也是在国际上各大光源的生物大分子光束线上得到广泛应用的控制系统。(www.xing528.com)
EPICS是用于建立分布式控制的工具集，该系统给光束线应用程序以及分布于光束线局域网络上的设备之间的通信，提供了便捷的开发工具。EPICS包括3个基本组成部分：操作界面（operator interface，OPI）；输入输出控制器（input／output controller，IOC）；连接OPI与IOC的网络（图3-62）。IOC可运行于Vx Works或者RTERMS等实时操作系统，硬件为VME机柜中的主板，也可运行于PC机的Windows、Mac OS或者类UNIX系统，甚至可以运行在嵌入式LINUX系统中。IOC层主要包括：设备驱动；分布式动态数据库（database，DB），数据库中包括多个进程变量（process variable，PV），或称记录（record）；通道访问服务器（channel access server，CA server）。设备驱动（driver）将设备（board）的状态映射到动态数据库中，动态数据库中的记录域是抽象化的设备状态，按指定的规则命名并且独一无二，而通道访问服务器允许客户端软件通过网络访问动态数据库，进而对设备进行读写操作。
图3-62 EPICS系统结构
Blu-Ice用于晶体学线站控制与数据采集系统。对于生物大分子晶体学光束线站，SSRL的Blu-Ice系统是一套完整的控制与数据采集系统，能够满足蛋白质晶体衍射实验的各种需求，包括样品的上样与对中、荧光谱的采集、衍射数据的获取、光束线的控制和优化。Blu-Ice可分为3层结构（图3-63）：用户图形界面（graphic user interface，GUI）；分布式控制系统服务器（distributed control system server，DCSS）；分布式硬件服务器（distributed hardware server，DHS）。上层GUI以标签形式排列（Hutch、Collect、Sample、Scan[11]等）；底层DHS完成对具体硬件的控制封装，如对电动机的控制和对各种探测器的数据获取。DHS在控制网络中的设备专用控制计算机上运行。中间层DCSS有2个主要功能：一是存储和更新光束线状态，如所有电机的位置；二是负责把来自GUI的命令转发给相应的DHS，并且把来自DHS的应答广播至GUI。GUI和DHS都只跟DCSS通信。
图3-63 Blu-Ice软件结构
通过EPICS网关（EPICS gateway）将EPICS和Blu-Ice两个系统进行整合，就获得了蛋白质设施晶体学线站正在使用的系统结构。光束线、实验站所有能够被EPICS控制的设备，都通过EPICS网关进行通信。实验中必不可少的样品对中（sample centering），由视频硬件服务器程序完成对图像的获取；上样机械手硬件服务器程序当中，包含对机械手状态的获取，完成用户使用机械手上下样品的指令；探测器的硬件服务器，负责监测探测器的状态，获取衍射图像，并写入指定的用户目录。为保证用户数据的隐私性及衍射图像的实时更新，在整个系统中使用http协议完成此类功能。该系统结构在完成控制及数据获取的前提下，会对用户数据处理部分作进一步的拓展，提供数据采集的策略，从而更大程度地提高自动化程度。该系统支持多图形界面的客户端，但只允许一个活动客户端。基于TCP／IP协议的DCS协议，使得该客户端可以很容易地在多个地方运行，从而也能够很容易地实现远程实验。Blu-Ice系统的构成，见图3-64。
尽管DCSS和一些DHS必须使用C／C++语言进行开发，但Tcl／Tk提供了快速开发用户图形界面的环境。Tcl／Tk同时也支持跨平台的兼容性，可以支持类UNIX、Windows、MacOS系统。Itcl／Itk更是提供了面向对象编程的环境。图像界面以标签（tab）的形式组合排列，给用户提供直观的操作界面。
图3-64 完整的Blu-Ice系统结构
图3-65 Blu-Ice图形界面的Hutch标签（详见下载图3-65，下载网址见31页脚注）
图3-65是3条晶体学线提供给用户的操作界面中的Hutch标签，可用于用户设置实验参数，如能量、光斑大小，根据能量和衍射质量选择合适的衰减片厚度；通过显微镜对中样品；衍射分辨率的计算可帮助用户根据实验需求调整相应的参数。图3-66所示的Sample标签，用于机械手上样。用户通过点击就可完成样品的上样，且集成了网络视频，以观察上样的全过程。图3-67所示的Collect，用于采集单张衍射数据，以评估晶体质量和收集整套衍射数据。衍射数据的采集，是生物大分子晶体学线站数据采集的核心部分。单张衍射图由面探测器CCD来记录衍射数据。样品置于测角头上，测角头从起始角度A转到指定角度B。对于单张衍射数据的采集，典型的转动范围为0.1～1.0°，采集时间为0.1～5.0 s；快门的开关、测角头的转动与探测器数据的采集同步，由控制器硬件来实现，从而保证数据的质量。在衍射图像的采集过程中，自动命名衍射图像，并存入用户指定的数据目录，而且动态地更新显示衍射图像。用户可在这一界面上根据其晶体样品，设定衍射图的名称前缀、数据保存目录、探测器工作模式、挡光器的距离、采集策略等。数据采集时设置的参数，自动写入衍射图像的头文件，从而保证数据处理软件正确地得到相关参数。图3-68是Log（日志）标签界面，用于记录实验过程中的设备状态和用户操作。
图3-66 Blu-Ice图形界面的Sample标签（详见下载图3-66，下载网址见31页脚注）
图3-67 Blu-Ice图形界面的Collect标签（详见下载图3-67，下载网址见31页脚注）
图3-68 Blu-Ice图形界面的Log标签（详见下载图3-68，下载网址见31页脚注）
3.6.5 安装与调试
蛋白质晶体结构分析系统的3条光束线站，主要依靠研制设备，并将其按要求组装，以达到整体的目标，因此各设备的安装调试是一个重要的环节。经过上海光源首批束线建成及投入运行，已经在束线的安装和调试方面积累了丰富经验，这为制定行之有效的安装调试方案提供了基础。
3.6.5.1 部件的离线安装与调试
保证各部件自身的可靠性，这是发挥部件性能的基础。对于光束线适用的各关键部件，在离线组装之前，按照系统工程的要求，再细化为各个子系统。每个子系统预先验收，尤其对于关键设备，分为光学子系统的测试、精密机械子系统的测试、真空子系统的测试、准直子系统的测试，以及控制软硬件子系统的测试。在验收通过的基础上组装成一个设备，再测试验收设备的整体指标。
3.6.5.2 部件的在线安装
线站的安装分为机械部件的安装、安全连锁系统的安装、控制系统的安装（含强电系统的安装）和公用设施的安装。对于机械部件的安装，上海光源已经建立了三级准直安装控制网络，利用该网络可以准确地给出诸如光学元件等部件在该网络中的空间坐标，因此安装可以在理论坐标的指导下进行。各关键部件的总体安装误差，可以控制在0.1 mm之内。安全连锁和控制系统的安装，主要是根据各部件的位置、控制量的多少、信号的性质等，合理排布各类专用设备和走线方式。安装完成后，对束线整体需要进行不带光测试，确保各系统工作流畅，相互没有干扰。
3.6.5.3 在线调试
在线调试主要是完成光束线的光路调试，目标是寻找最佳的光学元件姿态参数，预测试束线的关键参数，如能量范围、能量分辨率、聚焦光斑尺寸、光束发散角等。
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