高热负载水冷弧矢聚焦双晶单色器研究

论文摘要

随着上海第三代同步辐射光源(SSRF)光束线工程的建设,作为光束线关键设备之一的高精度晶体单色器需求数量将达到几十台。而涉及诸多关键技术的高精度晶体单色器,目前还主要依赖从国外进口,所以自行研制高精度的晶体单色器势在必行。本论文将在上海光源X射线衍射光束线(BL1481)和小角散射光束线(BL1681)中的水冷弧矢聚焦单色器研制过程中,主要从以下几个方面对高精度晶体单色器的若干关键技术进行了研究。1.探讨了高热负载热缓释技术中不同冷却介质和不同冷却结构,分析了晶体热载变形对单色器的能量分辨影响,归纳总结了各自的优缺点,提出了第一晶体高精度定向切槽、扩散焊接特殊加工技术,降低了晶体热载变形,提高了晶体的衍射面面形精度及衍射性能。2.为提高实验站样品处光斑的通量,深入分析了晶体压弯聚焦机构的特点,提出了柔性铰链传递弯矩进行晶体弯曲聚焦技术,实现了光束的水平聚焦,使单色器能够接收较大发散度的入射光束,提高了样品处的光子通量。3.针对光束线对单色器的高可靠性和高稳定性要求,分析了晶体偏离理想位置给Bragg衍射带来的影响,提出了晶体投角、滚角和摆角精密微调及固定出口技术,以获得高精度的光斑位置。4.在前面几章的理论研究基础之上,将理论成果应用到水冷弧矢聚焦单色器的工程实践中。以线站对单色器性能指标要求为设计目标,采用有限元分析软件对晶体结构参数进行了优化设计,解决了晶体直接水冷却、弧矢压弯聚焦、固定光束出射口和精密微调机构等关键技术问题,研制成功了国内第一台运用于工程中的水冷弧矢聚焦双晶单色器,其主要技术指标达到或超过国际同类设备的水平,已在上海光源调试成功,投入使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 同步辐射
• 1.1.1 同步辐射发展状况
• 1.1.2 同步辐射光源的应用
• 1.2 同步辐射光束线
• 1.2.1 软X射线/真空紫外光束线
• 1.2.2 硬X射线光束线
• 1.3 光束线中的单色器
• 1.3.1 光栅单色器
• 1.3.2 晶体单色器
• 1.4 硬X射线光束线中的晶体单色器关键技术
• 1.4.1 晶体的热缓释与冷却技术研究
• 1.4.2 晶体弧矢压弯聚焦技术
• 1.4.3 固定光束出射口技术
• 1.4.4 精密机械微调机构
• 1.4.5 异形晶体加工和焊接技术
• 本章小结
• 参考文献
• 第二章 单色器晶体的高热负载与面形研究
• 2.1 晶体高热负载的研究
• 2.1.1 弯转磁铁光源热负载
• 2.1.2 高热负载对晶体的影响
• 2.1.3 晶体热变形与能量分辨
• 2.2 高热负载热缓释方式
• 2.2.1 晶体材料的选择
• 2.2.2 冷却介质的选择
• 2.2.3 晶体冷却结构
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 晶体单色器的关键技术研究
• 3.1 高精度异形晶体的焊接技术研究
• 3.1.1 晶体的扩散焊接
• 3.1.2 影响晶体扩散焊接质量的因素
• 3.2 单色器晶体压弯聚焦原理
• 3.3 晶体的压弯机构研究
• 3.3.1 晶体压弯结构研究
• 3.3.2 晶体压弯机构
• 3.4 晶体机械压弯模型的研究
• 3.4.1 基于柔性铰链的压弯模型研究
• 3.4.2 基于四点压弯原理的压弯模型
• 3.5 晶体的精密微调机构
• 3.5.1 第一晶体微调机构
• 3.5.2 第二晶体微调机构
• 3.6 固定光束出射口技术理论研究
• 3.6.1 刚性结构型
• 3.6.2 补偿运动型
• 3.6.3 出入射光束高差的误差分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 水冷弧矢聚焦双晶单色器的研制
• 4.1 设计参数和目标
• 4.1.1 工程背景及意义
• 4.1.2 主要性能指标
• 4.1.3 单色器的总体布局及系统组成
• 4.2 水冷却晶体
• 4.2.1 晶体冷却结构设计
• 4.2.2 晶体结构参数分析
• 4.2.3 晶体的扩散焊性能检测
• 4.3 弧矢压弯晶体装置
• 4.3.1 压弯装置系统设计
• 4.3.2 晶体压弯机构的分析
• 4.4 晶体微调机构
• 4.4.1 水冷晶体多维精密微调装置
• 4.4.2 二晶多维精密微调装置
• 4.5 单色器的性能检测
• 4.5.1 Bragg轴系精度检测
• 4.5.2 弧矢压弯半径的测量
• 4.5.3 能量分辨和摇摆曲线的在线测试
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 晶体单色器研制的总结与展望
• 5.1 研制总结
• 5.2 特点和创新性
• 5.3 发展与展望
• 攻读博士学位期间发表的文章
• 致谢