4.2.1.1 科学目标
红外光谱作为分子光谱的重要组成部分，是一种确定物质组成和分子结构的重要工具，已被广泛应用于化学、生物、材料等领域。分子内能够引起化学键偶极矩发生变化的振动模式，均是有红外活性的。红外光谱技术能够通过检测这些振动模式，得到每种物质独特的红外光谱，用以分析物质成分、分子结构和动力学等信息。自从20世纪50年代珀金-埃尔默（Perkin-Elmer）公司生产制造出第一台低成本的商业化双光束红外光谱仪之后，红外光谱技术不断发展升级，各种新型的谱学方法、附件和技术也越来越成熟[29]。到如今，红外光谱技术已成为各大科研院所及企业科研技术部门非常普及的一种分析技术。使用红外光谱，可以对多种状态的样品进行快速分析，包括固体、液体和气体等样品；并可根据测得的红外光谱，对其成分进行定量和定性的分析[30]。
傅里叶变换红外光谱技术，在生命科学领域具有十分重要的应用，尤其是针对蛋白质二级结构、细胞生物学和组织学疾病诊断等方面的研究越来越广泛。生物样品在红外光谱中最重要的区域在600～1 700 cm-1（波数）范围内，其中包含典型的蛋白质的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带（1 500～1 700 cm-1）以及指纹区（600～1 450 cm-1）。高波数区域的红外峰（2 550～3 500 cm-1）主要包含脂质等物质的C—H、S—H、N—H和O—H等键的伸缩振动。这些峰一起组成了生物样品的红外光谱，反映了生物样品的组成和分子结构信息[31]。生物样品内蛋白质、多肽、核酸、磷脂和糖类均是红外光谱重要的研究对象。几十年的发展使得红外光谱成为检测二级结构、动力学、生物分子溶剂化作用等信息的有力手段。
随着傅里叶变换红外光谱技术的普及，传统红外光谱的技术局限性也越来越明显。红外光按波长可分为近红外、中红外和远红外3个波段，要覆盖整个红外波段的光谱，对光源的要求非常高。目前，多数的中红外光源使用碳硅棒光源（globar），它们光谱范围窄。通常，如果需要测量近红外或远红外波段的光谱，就需要切换其他的光源；而且光源亮度低，尤其在对细胞及组织进行显微成像研究时，难以进行高分辨率的红外谱学研究。而同步辐射红外光源弥补了传统光源的这些局限，它不仅亮度高、光谱范围宽和具有脉冲特性，而且它的能量、聚焦性能、偏振性和可调谐性能也都是其他光源所不可比拟的。同步辐射红外光的亮度是传统红外光源的100～1 000倍，光谱范围的覆盖从近红外到远红外，甚至到太赫兹波段。
同步辐射红外光的优异特点与传统的傅里叶变换红外分析方法结合到一起的同步辐射傅里叶变换红外光谱技术（synchrotron radiation Fourier transform infrared spectroscopy，SR FTIR），是一种相对新颖的实验手段[3236]。实验证明，在研究具有特征红外吸收的分子及化学键信息时，尤其是在研究有机物、生物物质、浓度较低或者微小的样品时，同步辐射红外技术能够提供更高信噪比、更高分辨率的红外光谱。SR-FTIR还能够进行时间分辨动力学研究，研究者可以精确检测溶液样品中的化学键以及变化过程，如通过时间分辨实验可以监测进行中的化学反应，研究溶液中蛋白质构象变化的动态过程等。SR-FTIR显微与成像技术也是一种无损检测生物样品、有机物及活细胞的有效手段，可以用来研究非均相样品中化合物的分布，并且具有较高的分辨率以及较高的信噪比。
同步辐射红外光由于其高亮度特性，与红外显微镜结合以后，能够达到更高的空间分辨率。这使得同步辐射红外显微与成像技术，成为研究人体及动植物细胞和组织的理想工具。这方面的应用也已经取得诸多成果，例如区分正常和异常的细胞或组织，或者探讨化学和物理激发过程的光谱反应等。这项技术也已经应用到了许多疾病的诊疗当中，包括癌症的诊断和详细分析，以及对大量慢性和退行性状况的研究，例如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等[37，38]。
自从1993年美国国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source，NSLS）的世界上第一条同步辐射红外显微光谱实验线站建成以来，目前世界上多数国家的同步辐射装置，均建设有同步辐射红外线站，共计数十条。建立时间分辨与谱学显微红外线站，能够充分结合高亮度的同步辐射红外光源和传统红外光谱技术的优点，满足生命科学、化学、药物科学、材料科学、地球科学和高压科学等领域的需求，使国内外用户得以进行高分辨的时间分辨与红外显微谱学研究，促进蛋白质科学、细胞生物学等多个学科领域的发展。
4.2.1.2 建设目标
上海同步辐射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）也即上海光源，是中国第一台第三代同步辐射光源装置，设计指标居于国际前列，电子能量为3.5 Ge V，流强200～300 m A，波长范围从远红外直到硬X射线，弯转铁磁场强度1.272 6 T[39]。基于此条件设计的红外光束线站，既是蛋白质研究上海设施又是上海光源的首条红外线站，也是目前为止唯一的一条红外线站。建设目标瞄准国际同类光束线的先进水平，红外光源覆盖1～1 000μm的波长范围（对应的波数为10～10 000 cm-1），以满足用户对各个波段范围的实验需求。
同步辐射红外谱学光束线共设计和建设2个实验站，分别为时间分辨红外光谱实验站和红外显微谱学与成像实验站。
1.时间分辨的红外光谱实验站
同步辐射红外光光子的相干性，极易受到电子束团尺寸、储存环内束团总数、束团能量和束团间隔变化的影响。所以，控制同步辐射电子束团，有助于进行时间分辨的傅里叶变换红外谱学研究。同步辐射红外光可调的光子性能，可达到十分灵敏的时间分辨，用于诸如精确控制脉冲的时间间隔、光子的波长、脉冲的频率和宽度。每个电子束团之间，间隔约为2 ns。储存环的大小决定了环中可储存的电子束团数量。理论上，储存环可以保持任意尺寸和不同组合的电子束团，因此可针对生物和化学系统的超快过程，进行特定间隔和持续时间的纳秒级动力学研究。传统的光源缺乏足够的通量和对脉冲控制的精准性，所以无法进行同步辐射红外谱学级别的时间分辨研究。同步辐射红外光源配合尼高力（Nicolet）品牌先进的步进扫描（step-scan）系统和高灵敏度的检测器等模块，时间分辨率可达到10 ns。
应用时间分辨红外谱学，已研究了多种时间尺度内的生物物理现象。时间分辨红外谱学已经成了生命科学中研究蛋白质结构与功能之有力工具，比如蛋白质中的质子转移机理、溶液中蛋白质构象变化的动力学过程等。建立同步辐射时间分辨红外光谱实验站，将能够进一步促进该方法的改善和应用。
基于上述因素以及结合国际上同类线站的参数，本实验站的主要设计目标如下。
①光谱范围：10～10 000 cm-1。
②最好光谱分辨：0.1 cm-1。
③样品处光子通量：1.0×1013（phs／s／0.1%BW）@1μm@300 m A（光谱仪入口处）。
④最小时间分辨：10 ns（步进扫描傅里叶变换红外光谱）。
2.红外显微谱学与成像实验站
传统的红外光源由于亮度低，当光阑孔径设到20μm以下时，光子通量便会大大降低，采集到的红外谱图的信噪比很差；而同步辐射红外光源的发散性很小，亮度很高，所以即使将光阑孔径降到5μm，也可以得到信噪比较好的谱图。理论上，使用同步辐射光源能够达到衍射极限的分辨率。另外，传统光源在一定程度上会对样品造成损伤，所以同步辐射红外显微谱学与成像技术在针对小样品区域的表征方面，具有传统红外光谱所不具备的优势。这主要体现在空间分辨率更高，微小区域内的谱图有更高的信噪比，以及可进行无损伤检测等方面。建立同步辐射红外显微谱学与成像实验站，可以开展研究的方向包括：动植物细胞及亚细胞结构；动植物组织的切片；组织医学诊断；蛋白质二级结构及动力学；药物成分及分布；土壤矿物质；高分子材料及文物鉴定等。
综合上述的因素及要求，本实验站的设计目标如下。
①光谱范围：600～10 000 cm-1。
②最好光谱分辨：0.2 cm-1。
③样品处光子通量：1.0×1013（phs／s／0.1%BW）@1μm@300 m A（光谱仪入口处）。
④聚焦光斑尺寸：30μm@1 000 cm-1。
在上海设施红外线站上，利用多种方法对各类形态的样品进行研究分析，如透射模式、反射模式、衰减全反射模式等。
作为上海设施和上海光源首条以及目前唯一的红外线站，所确定的指标位于国际上同类线站的先进行列[3134]，见表4-10。
表4-10 国际上同类红外光束线的典型指标
*本表行列出国外不同光源名称。
（续表）
4.2.2 光源与前端区
4.2.2.1 光源
上海光源是第三代中能同步辐射光源，波长范围从远红外直到硬X射线。储存环与红外线站设计相关的主要参数如表4-11所示[40]。
表4-11 储存环主要参数
*表示另一种条件下。
*rms即均方根，参见88页脚注，在这里是束团长度的一种表示方法。
红外线站的光源需要尽量大地引出辐射椎。因为长波段处的光子通量受接收角的影响较大，所以在光源处需要通过较大的立体角接收，来获得较高的光子通量[33，34]。国际上同类红外光束线所采用的光源，主要有常规弯铁光源和弯铁边缘引出光源2类[32，35，36]。边缘辐射红外光的发散角较小，故边缘辐射的亮度比弯铁光源的亮度要高。
使用表4-11中上海光源储存环的相关参数，对距离辐射光源点1.77 m（设计期间）处的常规弯铁辐射（bending magnet，BM）和边缘辐射（edge radiation，ER）光斑的空间分布进行计算。如图438所示，常规的弯铁辐射在波长10和100μm处的红外光束，其特点是垂直发散角较大，尤其对于波长较长的远红外光，须开大接收角才能够获得更高的光子通量；而边缘辐射的发散角较小，从图中可以看到光斑成环形，中间是一暗斑。边缘辐射红外光源因发散角非常小，所以弯铁辐射的亮度更高；对于波长较长的远红外光，由于发散角较大，仍难以收集整个立体角上的光。
图4-38 弯铁辐射（BM）与边缘辐射（ER）分别在10和100 μm处的光斑（彩图见图版第11页）
BL01B红外光束线采用弯铁边缘引出（0°角引出）。光源的引出立体角为水平方向40 mrad（-15～25 mrad），垂直方向20 mrad（-10～10 mrad）。引出的同步辐射红外光除了边缘辐射，还包括部分弯铁辐射。边缘辐射在束斑的中心位置存在一个暗区，束斑为环形对称。较大的水平引出角可保证弯铁和边缘辐射都能通过。红外线站与其他同步辐射X射线线站的辐射引出方法有很大不同，须对储存环真空室进行改装，安装引出镜，获得更高的光子通量。
利用上海光源的储存环参数和SRW（synchrotron radiation workshop）软件，计算流强为300 m A（具体流强以上海光源实际运行计划为准，以下计算除非特别说明，均为流强在300 m A时的计算结果），设计期间使用的引出立体角为50 mrad（-15～35 mrad），垂直方向为20 mrad（-10～10 mrad）时，1～1 000μm范围内的常规弯铁辐射（BM）、边缘辐射（ER）的光子通量，并与传统的黑体辐射（black body）进行比较。如图4-39所示，在较小发散角的情况下，利用边缘辐射可以得到更高的通量。另外，与国际上同类的红外光束线相比，上海设施BL01B红外光束线的通量基本相当，如图4-40和表4-10所示。
图4-39 常规弯铁辐射（BM）、边缘辐射（ER）和黑体辐射（black body）的通量比较（彩图见图版第12页）
图4-40 国际同类红外光束线的通量[35]
（a）SOLEIL（法国，2.75 Ge V，500 m A，ER+BM，20 mrad×78 mrad）；（b）Diamond（英国，3 Ge V，500 m A，BM，30 mrad×35 mrad）；（c）U10B，Brookhaven（美国，0.8 Ge V，500 m A，BM，40 mrad×40 mrad）；（d）ALS，Berkeley（美国，1.5 Ge V，500 m A，BM，10 mrad×40 mrad）；（e）ESRF（欧洲，6 GeV，500 m A，ER，8.5 mrad×16 mrad）。（图片引自[35]）
4.2.2.2 前端区
蛋白质设施的红外光束线，在储存环的弯铁真空室引出口安装平面引出镜，将红外光束转离高度为1 300 mm的电子束轨道，再经过一系列平面反射镜、超环面聚焦镜和二向色镜，将红外光束引至2个实验站。高能的X射线和紫外光经引出镜的中央狭缝透出。红外线的前端区相对简单，在整条束线上设置好隔离阀等真空保护系统，在开有高能引出缝隙的引出镜后装有固定光子吸收器。光斑形状探测器放置在系统中合适的位置，用于调试及监测。前端区真空部分设计的技术指标如下：与环连接处静态真空为5×10-8 Pa；动态真空为5×10-7 Pa；漏率[11]：≤5×10-8 Pa·L／s。
4.2.3 光束线
4.2.3.1 光学系统
束线光学系统与澳大利亚等光源建设的红外光束线站，有一些类似之处。建设期间需要解决以下几个问题。①尽量以最大的接收角引出，这在实施过程当中受到真空腔的限制，所以需要对真空盒进行改造，才能达到所需的最大引出立体角。②同时，红外光束线的建设还要保证维持储存环内固有的超高真空。③由于同步辐射还包含有高能的X射线和紫外线，因此需要降低引出镜上的热负载。④由于系统对振动十分敏感，因此需要在最大程度上降低各光学镜的振动，同时对各光学元件的位置进行精确控制。这些问题都对光束线的设计和建设提出了较高要求。
束线光学结构布局如图4-41所示。为保证在所需波长范围内红外光的通量，减小气体吸收损耗，整个光束线设计在超高真空和高真空中。其中，光学系统中的第一面镜为平面引出镜M1，距离光源点1.815 m。它的作用是将红外光束引出，所以称为引出镜。M1镜与入射光的方向成45°夹角，所以M1镜将光束线水平偏转90°，入射到M2镜上。M1的材料为glidcop材料，表面镀铝。glidcop是一种氧化铝颗粒弥散的强化铜，导热性能优良，具有较高的耐高温强度，很适合作为热负载较高的元件材料。
图4-41 红外线站光束线的布局示意图
由于从光源出射的高能段的光子都打在平面镜上，因此引出镜M1的热负载非常大，初步估算的总热负载达到3 000 W，镜面处的最大功率密度达到205 W／mm2。除选用上述能承受较高热负载的材料以外，还须对引出镜M1进行特殊处理。在M1引出镜的中央开一狭缝，使得高能X射线和紫外线透过，可以有效地减小热负载。关于此的具体设计，详见下一页“4.2.3.2 关键光学元件的热分析”。另外，引出镜的尺寸须匹配光源的出射角。光束线中其他各面镜的尺寸也要设计得足够大，使得由于衍射引起的通量损耗足够小。
红外光束经引出镜M1水平偏转90°之后，入射到第二块平面镜M2上。M2和M1相距0.65 m，两者在同一水平面上。光束线经过M2垂直偏转90°，入射到第一块超环面聚焦镜T1上。
T1距M2镜1.00 m，它的作用是使发散的同步辐射红外光聚焦，通过防护墙上的一个通光孔，汇聚到W1金刚石真空隔离窗口上。它的子午曲率半径（R t）为4.9 m，弧矢曲率半径（R s）为2.45 m。方位角精确可调。红外光束的引出口在防护墙侧面，离地面2.3 m的高度。束线通过T1镜后，光束方向变为水平方向，从防护墙的侧墙出射。
金刚石窗口W1主要是起到光束线和实验站之间的高低真空隔离的作用，可透过红外光。它的有效直径为25 mm。本光束线采用人造CVD[12]金刚石作为窗口。虽然它在某些波段的透明度不如金刚石窗，但是价钱比较便宜。它具有很高的隔离强度和可靠性，可在本设计中覆盖完整的红外波段，只对有些波段有轻微的吸收，但是影响不大。为避免窗口材料的多重反射，金刚石窗口被加工成1.0～1.5°的楔形结构。
在金刚石窗后面设置有一个可调的狭缝，其目的是限制光束大小，起到阻挡杂散光，同时兼作准直的作用。狭缝的调节精度为亚毫米级。为防止光束打到狭缝表面而形成干涉条纹，狭缝的安装与光轴形成一个微小的角度，一般在1～3°之间。
狭缝后的下一个光学元件为一超环面镜T2，它距离金刚石窗0.75 m。它的作用是使光束平行出射，并且使光束在高真空管道中偏转90°，从水平方向变为垂直向下传播。它的子午曲率半径（R t）为2.121 m，弧矢曲率半径（R s）为1.061 m。
由于光束线和实验站对光束抖动十分敏感，为提高谱仪的信号，须尽可能减少光束的抖动。在T2后放置一套美国“ALS先进光源”发明的主动平面镜反馈系统，用来减少红外光束的抖动，并校正远红外区域的噪声来源。M3和M4镜即用来校正光束的抖动，它们被放置在一个二维精确可调的压电陶瓷平台上。后面还有2个二向色镜分束器，用于反射红外光，同时透射可见光。使用2个位置灵敏探测器（position sensitive detector，PSD）来监测可见光束的位置。透射的可见光入射到PSD后，如果光束的位置发生变换，则PSD的信号经反馈控制电路，传送到压电陶瓷平台上，实时调节薄平面镜的两维倾角来控制光束，以保证光维持在PSD的中心位置。
分束器BS2的作用是选择将红外光束入射到不同的实验站。将BS2放置于红外光路中时，可以使红外光束水平偏转90°，然后经过平面镜M8进入实验站1——时间分辨谱学实验站。将BS2从光路中移出之后，红外光束沿原方向传播，然后经过BS3和M9入射到实验站2——红外谱学显微实验站。
4.2.3.2 关键光学元件的热分析
引出镜M1的主要作用，是将同步辐射红外光源引出，并反射到平面镜M2上。同时，将高能量的X光、紫外光跟束线所需的红外光分离，实现热隔离。如果M1镜吸收了包含X光、紫外辐射等在内的所有光，它将承受很高的热负载，并升至很高的温度，这必然会引起M1镜严重变形，进而影响束线的光学性能。根据表4-11中储存环的相关参数，使用SRW软件对M1上的热负载分布进行模拟理论计算，所得结果如图4-42所示[33]。引出镜M1镜上A部分的热负载主要来源于下游弯铁，B部分热辐射主要来源于上游弯铁。M1镜上垂直方向和中央水平方向上的热分布曲线如图4-43所示。从图中可以看出，在垂直方向上，大多数的热负载集中在一个很窄的平面内。解决M1镜的热负载问题，主要从M1的制作材料、在M1中开设狭缝以及加入冷却水系统这三方面出发。
图4-42 上游弯铁和下游弯铁及引出镜M1上的热负载分布
图4-43 M1镜垂直方向和水平方向的热分布曲线
图4-44 引出镜M1的结构示意图
首先，平面引出镜M1的基底材料使用导热性能优良的glidcop材料，表面镀一层Al，大小为140 mm×70 mm×20 mm（长×宽×高）。然后，通过在M1镜中开一个很窄的狭缝，使高能的X射线和紫外辐射透过，便可有效降低M1镜上的热负载。这种开狭缝的方法，也是目前许多第三代同步辐射光源红外线站所采用的方案。在狭缝的尺寸设计上，引出镜的狭缝越大，M1镜所须承受的热负载越小。但是，狭缝的增大会使红外光的光子通量损失增大。表4-12是开不同狭缝时M1的热负载及通量损失情况。须通过协调热负载和光子通量2个参数，来确定狭缝的大小，最终确定宽2.6 mm、长110 mm（图4-44）的狭缝最为合适。因狭缝靠近电子束的一端暴露在高能辐射中，所以必须在M1前面放置一个光掩模。同时，在M1后面使用一个X射线吸收器，将透过M1的能量处理掉。为了维护方便，M1镜可通过一个电控平移台，在垂直方向移动。
表4-12 开不同狭缝时M1的热负载和通量损失情况
另外，进一步通过间接冷却水系统来降低M1镜的温度，减少直接水冷的振动对光束线带来的影响。冷却方法是利用一个单独的水冷却体，镜子和水冷却体通过柔软的铜片相连，避免直接水冷所带来的可能的振动问题。
为进一步保护M1镜，如图4-44所示，在M1镜的背面、中央狭缝的边缘处，共放置6个（1—6）温度传感器，深入狭缝0.5 mm，用于监控和反馈镜子的温度变化以及热负载状况。它们对电子束轨道的变化十分敏感，并且接入安全连锁系统中。当检测到的温度超过设定的阈值之后，便会进行踢束[13]，保证高能光子不会损伤M1引出镜。
综上所述，最终引出镜M1的主要参数如表4-13所示。
4.2.3.3 光束性能分析
光学追迹能够模拟实际光线传输过程，对光束线性能进行全面评估，其计算结果可作为实际光学性能之重要参考。根据上述的光束线布局和相应的关键光学元件参数，以及表4-13中的部分数据，利用SRW软件，可以对主要光学元件处的光子通量和10及100μm红外光空间分布进行计算。
表4-13 引出镜M1的主要参数
根据计算结果，开狭缝的引出镜M1和超环面镜T2上的光斑空间分布，如图4-45和图4-46所示。从图445可以看出边缘辐射和弯铁辐射所在的不同位置和不同分布，边缘辐射为环形对称分布。波长100μm的分布说明，随着波长的增加，垂直立体角限制了所接收的光子通量。这也说明，随着波长增加，由于真空腔体对立体角垂直方向的限制，远红外区域的光子通量会进一步降低。
图4-45 引出镜M1上光斑的空间分布（彩图见图版第12页）
图4-46 超环面镜T2上光斑的空间分布（彩图见图版第12页）
使用SRW对4个波长（1、10、100、1 000μm）的同步辐射红外光通过各主要光学元件后的通量进行计算，结果如图4-47所示。整体来说，100μm以下的红外光通过各光学元件之后，通量损失较小。远红外光通过金刚石窗之后，通量明显降低。具体而言，M1镜开狭缝之后，近红外区域的通量损失比远红外区域大。波长为1μm的近红外光由于狭缝而损失了高于30%的光子通量；而在远红外区域，如波长为1 000μm的红外光，通量几乎不受影响。但是，波长为1 000μm的远红外光在通过CVD金刚石窗之后，由于衍射和窗片尺寸的限制，光子通量大大降低。
图4-47 红外光通过各主要光学元件后的通量（彩图见图版第13页）
光谱仪入口的光子通量如图4-48所示，计算中考虑了所有镜子和CVD金刚石窗的尺寸、引出镜的狭缝损耗、真空管道的尺寸，以及衍射效应损耗的影响。引出镜M1的狭缝为2.6 mm，反射损失2%，假定CVD窗的透过率为60%。对于波长为10μm的红外光，同步辐射光的通量在2.0×1013 phs／s／0.1%BW以上。对于波长较长的远红外光，同步辐射光的通量也比黑体辐射大约高102以上。
图4-48 谱仪入口处不同波长的光子通量
根据模拟结果，对时间分辨红外光谱实验站谱仪样品处的光子通量进行了估算，采用金刚石CVD窗片。预估谱仪内的通量损耗若为70%（包括谱仪窗口及分束器等的损耗），则波长为10μm的红外光在样品处的光子通量约为6×1012 phs／s／0.1%BW，这满足设计指标。对红外谱学显微与成像实验站谱仪样品处的光子通量进行预估时，采用KBr（溴化钾）作为谱仪窗片，考虑到谱仪的分束器损耗和KBr的90%透过率等。预估谱仪内的光子通量损耗若为45%，则波长为10μm的红外光在谱仪内样品处的光子通量约为9×1012 phs／s／0.1%BW。这也满足设计指标。
4.2.3.4 主要光学元件的技术参数
1.平面镜M2
平面镜M2采用Zerodur微晶玻璃为基底，热膨胀系数极低，表面镀金（Au），距离光源点2.465 m，其主要参数见表4-14。光束以45°角入射M2，从水平方向偏转90°转为垂直方向，向上反射1 m到达T1超环面镜。
表4-14 平面镜M2的主要参数
2.超环面镜T1
超环面镜T1位于隧道内。材料采用Zerodur微晶玻璃作为基底，表面镀Au，其主要参数见表4-15。光束以45°入射，T1使得光束从垂直方向偏转为水平方向，通过防护墙，并汇聚到真空窗上。
表4-15 超环面镜T1的主要参数
3.金刚石CVD窗口
光束线分为超高真空和高真空2部分，CVD窗口的主要作用便是隔离光束线的超高真空和高真空部分。金刚石窗口具有很高的隔离强度和可靠性，透光范围可覆盖本设计中的红外波段。CVD窗前面的前端区为超高真空部分，在CVD窗前放置一个全金属快阀，用于保护真空，引出镜后放置一个真空隔离阀。CVD窗后为高真空区，真空管道采用CF200尺寸。
如图4-49所示，除了CVD窗的吸收之外，CVD窗对于波长小于500μm以下的红外光基本没有损耗。在大部分红外光的范围内，CVD透过率都在70%以上。增加CVD窗的尺寸，可以使远红外光的通过量得到提升，但同时会增加CVD窗的厚度。结合两者间的关系，选择有效直径Φ25 mm的CVD窗最为合适。
图4-49 金刚石窗透过率
4.可调狭缝
可调狭缝主要用于阻挡来自上游光学元件的杂散光和反射光，其主要参数见表4-16。
表4-16 可调狭缝的主要参数
5.超环面准直镜T2
超环面准直镜T2距离光源点7.68 m，采用Zerodur微晶玻璃作为基底材料，表面镀Au，其主要参数见表4-17。以45°角入射，使得光束偏转90°，垂直向下出射平行光束。
表4-17 超环面镜T2的主要参数
6.反馈镜平面镜M3和M4
反馈平面镜M3和M4在防护墙外部，处在真空度较低的环境中，用于改变及调整光路方向。把它们放置在二维转动的压电陶瓷转动平台上，用作光束位置抖动的反馈和调节，要求薄而轻。M3和M4分别距离光源点8.43和9.283 m，光束以45°入射，使光束方向偏转90°，其主要参数见表4-18。
表4-18 反馈镜M3和M4的光学参数
7.二向色镜BS分束器的光学参数
分束器BS以45°角入射，基底材料是一种专用的双色镀膜玻璃，可以使部分可见光透过，入射到探测器上，以反馈光束位置（表4-19）。主要的红外光束反射到光谱仪中。
表4-19 分束器BS的光学参数
8.平面镜M8和M9
平面镜M8和M9，主要用于分别将红外光束反射到2个实验站的光谱仪入口处，并可用来调节红外光进入谱仪的方位和角度。它们与光源点的距离分别为10.933和13.433 m，它们的基底材料为Zerodur微晶玻璃，表面粗糙度≤30 nm，直径为Φ60。在红外线站建成之后的升级改造期间，由于与北京高压科学研究中心合作建造高压低温实验平台，将BS3和M9镜箱沿光束线方向移动了1.5 m，因此M9与光源点的距离也增加1.5 m。
9.真空隔离窗
在光束线的末端放置一个真空隔离窗，用于把光束线的真空和常压下的谱仪入口处隔离开来。此真空隔离窗选择可承受一个大气压并且红外透过率高的材料。隔离窗被制作多个，材料不同，包含CaF2、KBr和聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PE）窗片，分别应用于近红外（CaF2）、中红外（KBr）和远红外（PE）波段，其适用的光谱范围如表4-20所示。根据实验站所需的红外波段不同，替换使用。
表4-20 真空隔离窗的光学参数
10.位置灵敏探测器
在分束器BS1和BS3的后面，分别放置2个位置灵敏探测器（PSD），以接收透过分束器的可见光。PSD放置在大气中，通过可见光斑的位置来确定光束的位置。
由于光束线和实验站对机械振动十分敏感，因此需要有关光斑位置和尺寸的有效检测手段，同时尽可能简化相关调节机构，并减少调节维数。一方面，所有重要的光学镜箱，均须设计有必要的观察窗，安装可见光的图像传感器CCD，用来监测光学元件上的光斑状况。另一方面，在聚焦镜的焦点附近安装光斑位置探测器BPM，用来对聚焦情况以及聚焦镜的姿态进行观察与判断。可以利用可调光阑加光电二极管，对光斑的尺寸进行检测；也可使用靶加可见光CCD，来直接观察光斑。在准直镜之后安装BPM，其作用是检测光斑尺寸，以判断光束的平行性与准直镜的姿态。还可采用CCD监测的方法。
4.2.4 实验站
4.2.4.1 实验方法概述
传统的傅里叶变换红外光谱（FTIR）法，是一种比较成熟的实验手段。当红外光源与样品分子相互作用时，样品分子会对红外光产生特征性的红外吸收。检测器检测到未被吸收的光，到达检测器的光信号经过模数转换以及傅里叶变换，即可得到样品的单光束光谱；从中扣除背景的单光束光谱，即可得到样品的红外光谱。每种样品分子的吸收峰位置以及强度，均有各自的特征，可以用来对样品进行定性及定量的分析。
本光束线站采用同步辐射红外光源，引入傅里叶变换红外光谱仪中，进行时间分辨红外谱学以及红外显微与成像的实验研究。时间分辨红外光谱实验站，主要利用步进扫描技术和同步辐射的时间结构特性，使用傅里叶变换红外光谱仪进行实验，以研究生物、化学和物理等的各类动力学过程。时间分辨红外光谱实验站可通过更换光束线末端的窗片，来进行远红外、中红外和近红外各波段的红外谱学研究。红外显微谱学与成像实验站，主要利用同步辐射红外光高亮度的特性，来进行微小样品的显微与成像研究，并结合红外显微镜系统和傅里叶变换红外光谱仪来开展实验。
4.2.4.2 时间分辨红外光谱实验站的设备配置
时间分辨红外光谱实验站的关键设备，是一台赛默飞世尔（ThermoFisher）公司的Nicolet8700傅里叶变换红外光谱仪（图4-50）。它放置于光学隔振平台上，并配置步进扫描（step-scan）时间分辨测量系统。Nicolet8700谱仪的指标如表4-21。
图4-50 Nicolet8700傅里叶变换红外光谱仪
图片引自ThermoFisher公司的相关产品手册。
表4-21 Nicolet 8700光谱仪的参数
峰-峰值：peak-to-peak value。
分束器是红外光谱仪的重要部件，其作用是将光线分成2束，其中一部分光束透过分束器射向动镜，另一部分光束在分束器表面反射而射向定镜。射向动镜和定镜的光束再反射回来，在分束器界面上透射和反射，组成一束干涉光。在不同的红外波段，须使用不同材料的分束器。本实验站可选用的分束器，包括用于近红外、中红外和远红外的分束器，分别是CaF2、KBr和PE的分束器，可根据实验需要选择使用。其中，CaF2分束器的使用范围为15 500～4 000 cm-1，KBr分束器的使用范围为7 800～350 cm-1，PE分束器的使用范围为680～30 cm-1。
不同波段的红外光谱实验，所需的检测器也不同。检测器一般由光敏元件构成，光敏元件的材料不同，其工作范围也不相同，这就决定了仪器的检测波长范围。本实验站可使用的探测器包括氘代硫酸三苷肽（deuterated triglycine sulfate，DTGS）检测器、汞镉锑（mercury cadmium telluride，MCT）检测器和Si测辐射热仪（Si-bolometer）探测器，其参数如表4-22所示。其中Si测辐射热仪探测器的灵敏度用噪声等效功率（noise equivalent power，NEP）表示。(www.xing528.com)
表4-22 各检测器的参数
D*表示探测器的探测率。
其中，DTGS检测器属于热电型，它的波长特征为曲线平坦，对各种频率的响应几乎一样。使用不同窗片的DTGS检测器，可检测不同的波段，室温下即可使用，价格低。缺点是响应速度较慢，灵敏度较低。
MCT检测器属于光电导型检测器，具有较高的灵敏度，响应速度快，适于高速测量，但需液氮冷却。MCT比DTGS的检测灵敏度高得多。使用MCT检测器时，扫描速度比DTGS检测器快4倍，信噪比提高2倍。MCT检测器的噪声比DTGS检测器低，这主要是由于检测灵敏度的不同所致。从理论上讲，如果对分辨率的要求不高，可以用DTGS检测器，在室温下就可以实现测量，比较方便。而如果需要测量高分辨率的样品，那就要采用灵敏度较高的MCT探测器，以达到理想的效果。
但MCT检测器不能够用于远红外检测，而Si测辐射热仪是一种辐射热的测量检测器，采用美国IRLabs公司的产品。后一种探测器的基本单元是一个超高灵敏的热敏电阻。将该热敏电阻冷却到液氦温度，从而减小背景热噪声。任何热辐射照射到探测器上，会导致探测器温度上升，致使热敏电阻的阻值发生改变，通过放大电路的放大之后，可测量电压的变化。该检测器主要用于远红外波段的检测，在液氦冷却下使用，工作温度低，灵敏度更高。
实验站配备的步进扫描系统，主要包括①光伏MCT检测器；②慢扫描、步进扫描；③时间分辨选项及软件包等部分。光伏MCT检测器不仅灵敏度高，而且响应时间快。该检测器的光传感面积为1 mm2，光谱范围4 800～850 cm-1，采样速率16 MHz，内置放大器和数字化单元，在液氮冷却下使用。时间分辨选项有200 MHz／100 MHz的采样速率，在单通道模式下的时间分辨率达到5 ns，在双通道模式下的时间分辨率达到10 ns。
除上述Nicolet8700傅里叶变换红外光谱仪、时间分辨步进扫描系统、检测器和分束器等关键设备外，本实验站还配置有各类红外光谱实验所需的附件，包括衰减全反射（attenuated total reflection，ATR）附件、高温高压池、固体池、液体池、气体池。ATR附件为谱仪主样品仓所用的附件，使用衰减全反射的方法，测量样品红外光谱。
4.2.4.3 红外显微谱学与成像实验站设备配置
红外显微谱学与成像实验站的关键设备为ThermoFisher公司的Nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪和Continuμm红外显微镜（图4-51），放置于光学隔振平台上。
图4-51 Nicolet6700傅里叶变换红外光谱仪和Continuμm红外显微镜
图片引自Thermo Fisher公司的相关产品手册。
Continuμm红外显微镜的具体参数如表4-23。该显微镜可同时安装4个物镜镜头，旋转切换；10×超微聚焦玻璃物镜；15×超微校正带可变厚度样品补偿的物镜；32×超微校正带可变厚度样品补偿的物镜；带有接触保护功能的Tip高灵敏度晶体显微ATR附件。并且安装有高灵敏度MCT检测器和近红外检测器，可进行点扫描显微成像。
表4-23 Continuμm红外显微镜参数
红外显微谱学与成像实验站主要用于中红外和近红外区域红外谱学研究，可选的分束器有CaF2和KBr的分束器，分别用于近红外和中红外研究。红外显微镜可选的检测器为用于中红外检测的MCT-A检测器，以及用于近红外检测的TEC InGaA检测器。本实验站除上述可选的分束器和检测器之外，还可使用时间分辨红外光谱实验站所配备的各类通用样品池附件，另外还配备有Linkam冷热台、金刚石压池，用于谱仪主机内的ATR附件，以及带有接触保护的压力感应型显微ATR附件。Linkam冷热台为显微镜用冷热台，可用于研究液体或者固体样品在不同温度下的红外透射光谱。金刚石压池可用于固体样品、糊状样品或黏稠样品的透射光谱测量，使样品平整，并且方便用于显微镜下样品的微区测量。线站内还配备有除湿机，以保证实验室所需以内的70%相对湿度（relative humidity，RH）。
4.2.4.4 实验站数据采集及处理系统
红外光谱仪控制和数据采集处理的系统，使用ThermoFisher公司配置的OMNIC软件。时间分辨红外光谱实验站还专门配备有步进扫描时间分辨的（step-scan timeresolved，SST）软件模块，用于时间分辨实验的控制及数据的采集和处理分析。红外显微谱学与成像实验站使用配备有Atlus模块的OMNIC软件控制，并进行数据的采集与分析，其中Atlus主要用于红外显微镜的控制和数据的采集分析。
4.2.4.5 其他辅助设施
实验站还配备有样品准备和保存所需的多种设备，包括徕卡（Leica）冷冻切片机、生物组织包埋机、常温切片机、压片机、磨片机、干燥柜、小离心机、4℃及-20℃冰箱、光学显微镜、干燥器等辅助设施。
红外傅里叶变换光谱仪及红外显微镜，对实验室的温湿度有一定要求：1 h内的温度变化≤1℃；1 d内的温度变化≤2℃。实验站棚屋可满足此要求。实验室的湿度要求控制在70%RH以内，所以实验室配备有除湿机，以保证实验室的湿度控制。
4.2.5 线站总体
4.2.5.1 总体布局
时间分辨与谱学显微红外线站从BL01B单元以0°角引出，线站棚屋布局如图4-52所示，光束线站总体布局如图4-53所示。引出镜M1距离光源点1.815 m，红外光引出口在防护墙侧面2.3 m的高度。实验站棚屋长度约14 m，宽度约4.3 m。光源二期建设开始后，实验站棚屋被重新改造。实验站的棚屋主体长度变为约9.2 m。另外附加一段2.1 m×15.5 m的区域，可用于样品准备，以及放置各类辅助设施和光束线控制计算机。红外线站的实验棚屋无需辐射防护。
图4-52 时间分辨与谱学显微红外线站的棚屋布局示意图（彩图见图版第13页）
图4-53 时间分辨与谱学显微红外线站的总体布局（彩图见图版第13页）
4.2.5.2 真空
光束在进入谱仪之前，须经过前端区的超高真空和金刚石窗之后的高真空2个区域。储存环需要维持原有的超高真空环境，这与红外光束线的光学元件位置需求，共同决定了光束线的起点在超高真空室中。超高真空区域与储存环的真空腔连接，利用2个离子泵维持超高真空。金刚石窗之后光束线所处的高真空区域前级泵[14]的真空度＜100 m Torr。这段区域始于金刚石窗，到光束线管道末端结束，主要作用是除去空气中的水汽和CO 2对红外光谱的干扰。光束线的末端，也就是光谱仪的入口前，放置一个可透红外光的真空隔离窗，用于隔离束线部分和光谱仪的真空。
4.2.5.3 束线控制系统
光束线与实验站的控制系统如图4-54所示，主要有光束线部件控制、实验站仪器设备控制以及数据采集部分。其中有关实验站的数据采集和处理部分，具体见195页“4.2.4.4 实验站数据采集及处理系统”。
图4-54 红外线站控制系统
M1、M2、M3、M4、M8、M9：平面偏转镜；T1、T2：超环面镜；BPM：位置探测器；S：分束器；G、V：真空计及阀；OPI：操作员计算机；IOC：输入输出控制器；VME：VME 64×总线的嵌入式系统。
上海光源储存环的电源控制系统，是基于EPICS系统开发运行的分布式控制系统[41]。对于红外光束线中位于防护墙之前的光学元件，一般情况下用户不会进行调节，与储存环同样使用EPICS进行控制。该电源控制系统为3层结构，包括操作员计算机（OPI）、输入输出控制器（IOC）和连接计算机与输入输出控制器的计算机网络。电源控制的IOC控制器是VME 64×总线的嵌入式系统。对储存环内各光学元件的马达位置，也会进行实时反馈，并可以在计算机上通过摄像头，实时观看储存环内各个元件的状态。实验站常用元件使用可与EPICS系统交互的程序控制。
实验站控制主要包括实验站与束线控制系统的接口、线站硬件控制加速器接口、实验站网络及实验站控制计算机等。实验站电子学控制系统，包括各种电机控制器、驱动器和控制计算机的硬件与软件系统。以上系统用于调节跟谱仪匹配的镜箱和镜子系统，通过调节光束线中各个镜子的方位角，对实验站检测器的信号进行优化调整。
4.2.5.4 束线安装与调试
光束线的安装和测试，主要分为两部分。第一部分是真空部件的安装与测试，第二部分是关键光学元件的安装与测试。在束线安装和调试工程实施的最后阶段，为保证达到光束线设计的理论指标，首先要使机械设计和加工精度达到技术指标，进而在安装和调试中也必须使用相应的技术手段，才能真正实现这些技术指标。在安装阶段还可以克服图纸设计和加工中出现的一些意料不到的问题，使光束线能够按照设计意图完成装配。调试是通过测量和观测的结果，来调节驱动机构，或者光学元件的位置与姿态，使各部件达到设计指标的要求。整个阶段将包括多个部分的工作：对运动机构的重复性和精度进行测试，对部件进行装配和对不符合装配要求的部件加以修改优化；对真空部件进行真空清洗；对系统进行极限真空测试；对关键光学元件进行准直安装；标定光谱的波长和分辨率，进行通量测试等。
其中涉及真空方面的调试，主要是在加工厂家的协助下，由真空技术人员完成的，技术难度处理及工艺已经成熟。关于部件的检测和测试方法以及仪器的使用方法基本成熟，而安装调试则是一个比较烦琐和复杂的过程。考虑到光学元件的污染，以及安装好光学元件以后的烘烤温度不能高于120℃，在光束线的调试中大致要经过真空调试、部件机构调试、安装准直到位、真空烘烤、安装光学元件和低温真空烘烤等过程，以避免光学元件被污染，或者因高温烘烤导致元件变形等安全事故。
4.2.5.5 公用设施
实验大厅的公用设施系统，将为光束线站提供冷却水、压缩空气、供配电、接地、通排风、低温液氮管道等，以确保光束线、实验站的正常运行。
1.供配电系统
同步辐射实验大厅的公用供配电系统，可以为光束线站和辅助实验室提供动力电和照明电。线站的电站设置在环周边一层辅助实验室的区域内，总容量为2 000 kW，并将总用电量均匀分配到实验大厅线站的8个供电区域，每个区域设置1个低压配电间。光束线实验站的动力电直接从线站的低压配电间，输送到各个线站。每一个线站设置独立的供配电开关箱，然后再分配到光束线和实验站。光束线站的最大允许用电量，按40 kW设计。
公用供配电系统只提供普通电源，用于光束线站的一般设备用电、真空烘烤、棚屋空调及照明等。干净电源由普通电源加不间断电源（UPS）获得，用于光束线站精密仪器、设备和控制系统的用电。
2.冷却水系统
线站冷却水的进水温度为30±0.5℃，光束线站水分配器进水口的水压为8 kg／cm2，极限水压≤10 kg／cm 2。冷却水管从分支水管的接口接入，沿线站光学棚屋侧墙的桥架敷设，并在适当的位置通过棚屋迷宫窗口接入光学棚屋内。在需要冷却的束线设备附近，设置冷却水分配器，用铜管、不锈钢管或者软管，将分配器中的冷却水接到被冷却的光学部件上。冷却水分配器安装在棚屋的内侧墙上，在进水端和回水端安装水压表。
3.压缩空气
本光束线站的真空阀门、挡光板等，都需要压缩空气驱动。实验站光谱仪需要24 h不间断的干燥空气吹扫。实验大厅光束线站所需的压缩空气，来自上海光源动力中心的压缩空气总站。线站压缩空气管道系统由总管、20个干管系统和40个支管系统组成。线站压缩空气分支管道沿光学棚屋和实验棚屋的侧墙敷设，通过棚屋的U形迷宫窗口进入棚屋内，与安装在棚屋侧墙上的气体分配器相连，并用耐辐射的尼龙管或紫铜管将压缩空气输送到光束线上需要驱动的部件上。压缩空气的工作压力要求为6～8 kg／cm 2，极限压力＜10 kg／cm2。
4.排气、排风和空调
光束线站的真空系统设置有真空泵废气排气管道，线站棚屋预留棚屋的排风管道接口和棚屋空调的冷冻水接口。全环分8个区域，设置真空泵废气排气管道、线站棚屋排风管道和棚屋空调冷冻水管路。排气、排风管道和冷冻水管路由总管、干管和支管组成。真空泵废气排气干管，沿线站棚屋敷设，支管分别接入光学棚屋和实验棚屋。棚屋排风管道和冷冻水管路预留了干管接口，需要时可再接入线站棚屋。
5.接地和通信
上海光源的接地系统为实验大厅的光束线站提供了公共接地与弱信号接地。接地系统沿实验大厅外的技术走廊，设置20个公共接地盒与20个弱信号接地盒。弱信号接地盒采用编码和色标，以示区别。接地电阻＜0.2Ω。光束线站的公共接地铜排[15]和弱信号接地屏蔽电缆，沿线站综合桥架和棚屋桥架敷设，通过棚屋迷宫口接入棚屋内，与需要接地的设备相连。
光束线站的通信网络接口，设置在实验大厅外技术走廊辅助实验室的外墙上。线站的网络线沿综合桥架和棚屋桥架敷设，分别接入相关的系统。
4.2.6 测试与验收
束线调试完成后，红外线站的各项指标均达到验收要求。对各项验收指标指定测试方法，测试条件为电子束能量E＝3.5 Ge V，束流强度I＝240 m A。对时间分辨红外光谱实验站和红外显微谱学与成像实验站的测试大纲，见表4-24和表4-25。
4.2.6.1 时间分辨红外光谱实验站的测试与验收
时间分辨红外光谱实验站的测试大纲见表4-24。
表4-24 BL01B时间分辨红外光谱实验站的验收测试大纲
（续表）
该实验站的验收指标如下。
①光谱范围：10～10 000 cm-1。
②光谱分辨率：0.1 cm-1。
③光子通量：1×1013（phs／s／0.1%BW）@1μm@300 m A（谱仪入口处）。
④最小时间分辨：10 ns。
依据测试大纲，对实验站各项验收指标的测试结果如下。
1.光谱范围
由于不同波段范围的红外实验须在不同的窗片下进行，因此对近中红外和远红外波段的光谱分布，分开进行测试。
在测试近红外和中红外波段的光谱分布与强度时，在谱仪与光束线的接口处采用6 mm厚的KBr窗片。通过Nicolet8700红外谱仪入光口处引入同步辐射红外光源，分束器使用KBr，探测器使用MCT-A。测试的光谱范围如图4-56所示，光谱范围在10 000～600 cm-1的范围内均满足要求，在400 cm-1处亦满足强度要求。
图4-56 近中红外光谱范围的测试结果
测试远红外波段时，在谱仪与光束线的接口采用6 mm厚的PE窗片，分束器为用于远红外波段的固态分束器（solid substrate），检测器为DTGS PE。测试的光谱范围如图4-57所示，有效的光谱范围在600～10 cm-1。
以上测试表明，时间分辨红外光谱实验站的光谱范围，满足10 000～10 cm-1的验收指标。
2.光谱分辨率
通过测量CO气体分子在中红外区域的吸收光谱，测试本实验站的光谱分辨率。在Nicolet8700红外谱仪上，引入同步辐射红外光源，分束器使用KBr，检测器使用MCT-A。将CO气体密封在10 cm气体池内，压强约为400～500 Pa，测试CO气体的吸光度。测试时的光谱分辨率设为0.125 cm-1，函数选boxcar。测试结果见图4-58，选取2 196.440 cm-1处的吸收峰，得到它的半高宽（FWHM）为0.087 cm-1。
3.光子通量
图4-57 远红外光谱范围的测试结果
图4-58 时间分辨实验站CO气体的吸收光谱
依据时间分辨红外光谱实验站的验收测试大纲所示的原理与方法，测量并计算得出Nicolet8700傅里叶变换红外光谱仪入口处的光电流为I sum-I DK＝0.65μA。经计算求得光子通量为1.0×1013 phs／s／0.1%BW@230 m A，换算到300 m A下的光子通量为1.3×1013 phs／s／0.1%BW@300 m A@1μm。
4.最小时间分辨率
使用Nicolet8700光谱仪，分束器选择KBr分束器，检测器使用光伏MCT探测器，并使用激光二极管（ThermoFisher公司提供）、远程信号附件（remote signals accessory）、时间分辨数字转换控制板（100 MHz采样速率，10 ns响应时间）。根据测试大纲所示的原理，得到测试结果如图4-59abc所示。
图4-59 时间分辨红外光谱实验站的时间分辨率测试结果（彩图见图版第14页）
图4-59a为OMINC软件中SST模块使用步进扫描时间分辨方法采集得到的数据示意图。图4-59b的横坐标代表文件数，一共200个文件，纵坐标代表总共的时间2μs（327.0～329.0μs），说明每个文件的时间间隔为10 ns。激光二极管的脉宽为90 ns，测量步进扫描实验得到的文件数为10个（高斯拟合），结果如图4-59c所示，则每个文件的时间间隔为9 ns。考虑到实验误差，可以认为测得的系统最小时间分辨（即时间步长）和系统设置的时间分辨相符。
4.2.6.2 红外显微谱学与成像实验站的测试与验收
红外显微谱学与成像实验站的测试大纲见表4-25。
表4-25 BL01B红外显微谱学与成像实验站的验收测试大纲
红外显微谱学与成像实验站的验收指标如下。
①光谱范围：600～10 000 cm-1。
②光谱分辨率：0.2 cm-1。
③光子通量：1×1013（phs／s／0.1%BW）@1μm@300 m A（谱仪入口处）。
④聚焦光斑尺寸：30μm@1 000 cm-1。
依据测试大纲，对该实验站各项验收指标的测试结果如下。
1.光谱范围
本实验站应用中红外波段，在红外显微镜上进行测试，采用KBr分束器、MCT-A检测器。如图4-60所示，光谱范围达到400～10 000 cm-1。
图4-60 红外显微谱学与成像实验站的光谱范围测试结果
2.光谱分辨率
按照测试大纲中所述的原理和方法，使用KBr分束器、MCT-A检测器。测量封闭在10 cm气体池内的CO气体的吸收谱。如图4-61所示，在2 176.25 cm-1处，可测量到的吸收峰FWHM值为0.082 cm-1。
图4-61 红外显微谱学与成像实验站的CO红外吸收光谱
3.光子通量
同4.2.6.1小节所述时间分辨红外光谱实验站的测试方法（见200—201页表4-24），测量并计算得出红外显微谱学与成像实验站谱仪入口处的光电流为I sum-I DK＝0.94μA，求得光子通量为1.5×1013 phs／s／0.1%BW@230 m A，换算到300 m A下的光子通量为1.9×1013 phs／s／0.1%BW@300 m A@1μm。
4.聚焦光斑尺寸
使用Continuμm红外显微镜对5μm小孔进行面成像，观测1 000 cm-1处的光斑形状。使用32×物镜，进行Mapping扫描成像。OMINC软件设置中，x、Y方向扫描步长均为2μm，扫描次数16次，光谱分辨率4 cm-1。所测得的三维图如图4-62所示。
得到波数1 000 cm-1处的图像后，在光斑中心处分别在x方向和Y方向提取线扫描数据谱图，根据图463得到对应的全宽值约为18μm。结果表明，聚焦光斑尺寸为18μm@1 000 cm-1。
根据以上测试结果，BL01B红外线站、时间分辨红外光谱实验站和红外显微谱学与成像实验站的所有指标，均达到或者超过束线的验收指标。
图4-62 扫描5μm小孔成像得到的三维图（彩图见图版第14页）
图4-63 1 000 cm-1处图像沿x方向和Y方向提取的光强分布图
4.2.7 实验站升级改造
蛋白质设施红外线站运行至2017年7月以后，由于光源二期线站的建设，暑期开始进行棚屋改造。改造后，放置实验站的棚屋主体面积约为9.2 m×4.3 m。2个实验站位于棚屋主体内，另外附加2.1 m×15.5 m的区域可用于样品准备，放置各类小型设备以及备品备件等辅助设施和光束线控制计算机等。
红外线站与北京高压科学研究中心合作，在BL01B线站内搭建了高压低温平台，所以对光束线进行了改造。所建设的高压低温平台，位于时间分辨红外光谱实验站和红外显微谱学与成像实验站的中间。高压低温平台的光学隔振台尺寸为1 500 mm×2 100 mm×203 mm。在BS2镜箱和BS3镜箱之间添加一段1.5 m长的真空管道，法兰口尺寸及管道直径均与现有管道相同，连接原管道与BS3镜箱。在1.5 m长的新管道两端放置2个支架，规格与现有支架相同。同时沿原光束线方向，往外平移BS3、M9镜箱和红外显微谱学与成像实验站1.5 m。由于红外光束是以准直光束入射，因此延迟1.5 m对于光路没有大的影响，不会对显微性能有明显影响。安装完成后的调试工作，主要包括光束线的准直、真空检漏、控制线缆的重新布局、红外显微谱学与成像实验站的光路和信号调试，以及高压平台的设备调试。平台开放后，可用于高压科学的同步辐射红外研究。使用同步辐射红外来研究高压科学课题，优势十分明显，能够与硬X射线等多种方法形成互补，是一种在极限状态下研究材料物理与化学性能的重要手段，可用于探讨地球科学等领域的诸多课题。
目前，红外显微谱学与成像实验站在进行显微成像时，使用的是单点MCT-A检测器，采样模式是逐点扫描绘图（mapping）成像。这种方法的成像速度与面探测器相比，较慢且耗时较长。比如对100μm×100μm大小的区域进行显微成像，如果采用扫描次数64次，步长10μm×10μm，光谱分辨率4 cm-1，所需逐个扫描的点100个，则进行成像的时间约为50 min。目前国际上多个同步辐射设施的红外线站显微成像实验室，采用焦平面阵列检测器（focal plane array，FPA）。该种探测器能够大幅度提高成像效率和缩短成像时间，可在单次数十秒的时间内，达到上千个数据点（64×64或256×256）的测试，但是单张谱图的信噪比相对较差。上海设施红外线站在建设期间由于各种原因，没有选择购买和安装FPA检测器，而这种技术是红外成像技术发展的重要方向，也是红外显微谱学与成像实验站以后升级改造的一个重要方向。
4.2.8 同步辐射红外线站的运行开放成果
4.2.8.1 运行概况
时间分辨与谱学显微红外线站自开放以来，2015年度用户机时4 055 h，2016年度用户机时4 756.5 h，2017年度用户机时4 067.5 h。目前用户来自全国各大高校和研究所，所应用的领域包括生命科学、高分子材料科学、药物化学、环境科学、高压科学等。
4.2.8.2 用户成果介绍
脂肪细胞分化，是脂肪组织发育中的一个关键过程。脂肪发育异常有可能导致新陈代谢疾病，比如肥胖症、Ⅱ型糖尿病和异常血脂症。间充质干细胞是一种用来研究人类脂肪生成的理想体外模型。对早期分化过程的研究不足，导致了人们在脂肪形成过程机理上的认识困难。与一些简单的基因分析方法相比，同步辐射傅里叶变换红外光谱技术（SR-FTIR）能够提供更丰富的生物大分子变化信息。借助BL01B线站，上海应用物理研究所的吕军鸿研究组使用同步辐射傅里叶变换红外光谱技术，对此进行了研究。同步辐射红外光谱技术可以对间充质干细胞中的主要生物大分子，进行高分辨的无损红外检测[42]。
如图4-64所示，通过对SR-FTIR结果的分析，可以在单细胞水平上，根据间充质干细胞的光谱特征，判定它们在脂肪生成过程中所处的不同阶段。研究表明，在间充质干细胞的决定阶段，脂质的影响很大；SR-FTIR光谱中的特征峰，可以作为判断细胞早期分化阶段之细胞状态的一个潜在标志物。此研究再次证明，在研究亚细胞标本中结构的微小变化时，SR-FTIR是一种高灵敏度的方法，也是研究干细胞命运决定及分化的有力手段。
同步辐射红外光谱技术，在研究蛋白质二级结构方面起重要作用，同时在研究微小样品的成分方面具有高分辨率的优势。在研究再生丝蛋白方面，复旦大学的陈新课题组利用BL01B时间分辨与谱学显微红外线站，取得了诸多成果[43]。如图4-65所示，通过使用同步辐射傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术结合X射线衍射技术，检测了各类再生丝蛋白纤维的结构差异，并阐释了它们的内在微观结构与宏观机械性质的关系。
图4-64 用同步辐射红外技术研究间充质干细胞（彩图见图版第15页）
图片引自[42]。
图4-65 使用同步辐射红外显微技术研究再生丝蛋白纤维（详见下载图4-65，下载网址见31页脚注）
图片引自[43]。
动物丝蛋白的机械性质及其深层机理，一直是研究者十分关注的领域。陈新课题组在实验室中使用湿法纺丝的方法，控制生产条件，研究了多种再生丝蛋白（regenerated silk fiber，RSF）纤维的结构与性质之间的关系。蜘蛛牵引丝蛋白具有优异的强度和弹性，比现存大多数人工合成的聚合物丝纤维更好。但是，天然蜘蛛丝难以被大规模地商业化生产。该项研究的主要目的，是人工生产出与天然蜘蛛牵引丝性质相当或者更优的人工丝蛋白纤维。天然动物丝纤维和人工再生丝蛋白纤维的微观结构和性质，与丝蛋白的二级结构息息相关。傅里叶变换红外光谱技术，已经多次被用来表征蛋白质和多肽的构象。同步辐射红外光谱技术，通过运用高亮度的同步辐射红外光源，在研究单根丝蛋白纤维的构象方面有着不可替代的优势。该课题为研究材料微观结构与宏观性质之间的关系，提供了重要的信息，有利于启发科研工作者设计和制备更高性能的丝纤维以及其他聚合物材料。
上海药物研究所张继稳课题组使用BL01B红外线站，研究了渗透泵型控释片剂薄膜中的水合诱导材料转移过程[44]。渗透泵片是基于半透膜涂层的一种良好的口服给药系统。该研究组使用同步辐射红外技术，研究了微小区域的药物薄膜中不同组分的化学分布，为研究半透膜控制的渗透泵片系统的药物释放机制，提供了有价值的信息。
如图4-66所示，该项研究让药片薄膜经过不同时间的水合，使用同步辐射结合扫描电镜和原子力显微镜技术，研究了其微结构和化学分布的变化。使用同步辐射红外技术的研究结果表明，薄膜中醋酸纤维素和聚乙二醇的分布，均随着水合时间的变化，发生了重大改变。又通过分析两者的比例，阐释了早期阶段由于聚乙二醇快速地转移到液体介质中，触发了药物释放的过程。
图4-66 使用同步辐射红外技术研究药物膜中的化学分布（彩图见图版第15页）
图片引自[44]。
南京大学余光辉研究组使用BL01B红外线站，并结合微电子探针等技术对土壤样品进行原位表征，解释了土壤中Cu的高度异质性以及Cu在土壤中的络合机制[45]。研究Cu与土壤有机质中各类官能基团的络合机制，对研究元素Cu在环境中的毒性和迁移等问题有重要意义。如图4-67所示，该研究组对比研究了使用有机肥、无机肥和不使用肥料的土壤，并采用同步辐射红外光谱技术等手段，研究了微米级尺寸土壤颗粒中Cu、黏土矿物、铝铁氧化物和碳官能基团在有机肥处理红壤颗粒中的分布及其高度异质性，为农田土壤重金属污染的修复机理和技术措施，提供了理论指导。该项研究也表明，同步辐射红外光谱技术结合二维相关光谱，是研究重金属、矿物和土壤中有机组分之间相互作用的有效手段。
图4-67 使用同步辐射红外光谱和电子探针技术分析处理后的土壤切片（彩图见图版第16页）
图片引自[45]。
有机-无机杂化钙钛矿，已经发展成为一种应用前景广阔的新型光伏材料。它具有低成本、高效能的优点。北京高压科学研究中心毛河光课题组，在对此材料的研究工作中使用了红外线站。应用有机杂化钙钛矿的光伏技术，具有高效的能量转化效率。但是，如果不能使得能带变窄，或者同时延长载流子寿命，此类技术便难以得到提升。该研究提供了一个有效的方法，能够在更低的压力条件下（约0.3 GPa），使得有机-无机杂化钙钛矿的能带变窄，同时使载流子寿命延长，两者达到协同提升的效果。此项成果为该领域的材料研究提供了一种新的实验方法和理论指导，如图4-68所示[46]。
图4-68 用同步辐射红外光谱技术研究高压下的有机-无机杂化钙钛矿光谱（彩图见图版第16页）
图片引自[46]。
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