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一种优化型反射镜热变形控制方法
申请号	CN202410026623.X	申请日	2024-01-08	公开(公告)号	CN117937225A	公开(公告)日	2024-04-26
申请人	上海科技大学;			发明人	王震; 刘芳; 刘志;
摘要	本发明提出一种优化型反射镜热变形控制方法，能够优化设计硬 X射线自由电子激光中的高热负载下的光学元件，以更好地满足硬X射线传输模式的有效性、多样性和提升传输多模式硬X射线的性能。通过本方法设计的反射镜冷却结构在提升了硬X射线自由电子激光装置的整体性能的同时，更加促进硬X射线自由电子激光在更多学科领域内的应用，对硬X射线的发展和应用具有非常重要的意义。
权利要求	1.一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，应用于反射镜，反射镜设有应力槽、冷却槽和冷却结构，所述应力槽包括上下对称的上应力槽以及下应力槽；所述方法包括以下步骤：步骤1：根据待传输的X射线确定反射镜的外观尺寸；根据待传输的X射线以及外观尺寸，确定光学表面镀层的反射镜光学表面与应力槽之间的应力槽设计距离，根据应力槽设计距离分别在反射镜上、下表面设置上应力槽和下应力槽；根据待传输的X射线和应力槽的位置确定冷却结构的长度，用于控制反射镜在传输X射线时的反射镜中间段和两端的热膨胀程度；在上应力槽的中心位置开设冷却槽，冷却槽长度大于冷却结构长度；步骤2：在冷却结构的上部分开设预设直径的通孔，预设直径根据冷却管道的直径确定，将冷却管道设于通孔内部，并采用锡焊进行连接；步骤3：根据步骤1和步骤2的设计进行组装，冷却结构的最下端与冷却槽的壁面保持第一预设冷却距离，冷却结构的底面与冷却槽的底面保持第二预设距离；步骤4：在步骤3之后，在冷却槽中灌注液态铟镓合金，直至液态铟镓合金的液面低于第一应力槽的底面2mm。 2.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述冷却槽的长度大于冷却结构长度10mm。 3.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述反射镜的光学表面的高度残差小于2nm。 4.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述反射镜的材料为单晶硅。 5.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述预设直径为8mm。 6.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述冷却结构的下部分为阶梯结构。 7.如权利要求6所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述冷却结构为无氧铜块。 8.如权利要求1所述的一种优化型反射镜热变形控制方法，其特征在于，所述第一预设距离为0.5mm，所述第二预设距离为3mm。
说明书全文	一种优化型反射镜热变形控制方法技术领域 [0001] 本发明涉及硬X射线自由电子激光技术领域，具体涉及一种优化型反射镜热变形控制方法。背景技术 [0002] 在硬X射线自由电子激光技术领域中，硬X射线具有高亮度、高相干性、超短脉冲特点，利用硬X射线自由电子激光可以为更多领域展开更前端的科学实验。 [0003] 同时由于硬X射线的高亮度、高相干性、超短脉冲特点，也会给大科学装置建设带来极端物理设计挑战。比如光束线的光学元件，由于传输过程中光学元件需要承受高重频高热负载，所以在需要解决高热负载的同时，也需要确保光学元件能有效传输X射线。特别在硬X射线自由电子激光领域内，X射线在光学元件的光斑只有长度只有几十毫米，宽度只有几个毫米的光斑范围内，但是所需要承载的热量通常呈高斯分布，峰值可能达到每平方毫米几十甚至几百瓦热密度的热载荷。在这种情况下，作为束线站的第一面光学元件反射镜来说，其子午方向的热变形凹凸情况严重，严重影响硬X射线的传播。 [0004] 目前按照同步辐射领域内的通用设计，如图1所示，在反射镜上表面开冷却槽，冷却结构采用较长的冷却片来应对多种模式的X射线传输。而在硬X射线自由电子激光装置中，每个反射镜都需要满足多种模式的不同能量的硬X射线传输。如图2所示，一面反射镜就需要传输6种模式的X射线传输，每种模式的X射线的半高宽会有很大差异。特别是有的模式下的X射线的半高宽非常窄，峰值热通量密度非常高，从而导致了在该模式下的反射镜的子午方向的热变形的凹凸情况会非常严重，进而导致在该模式下X射线的有效传输效率会非常低。所以，目前同步辐射领域内的常规反射镜的设计很难满足硬X射线自由电子激光装置的技术要求。 [0005] 鉴于硬X射线自由电子激光装置的重要性和硬X射线自由电子激光技术的先进性，关键光学元件的性能指标在很大程度上限定了未来很多科学实验的先进性，直接影响着国内前沿尖端技术发展与国际相关科学水平的发展，所以如何高效控制反射镜热变形的方法，对大科学装置来说，是急需解决的关键性技术，同时也是为未来的硬X射线自由电子激光的技术提升起到保驾护航的作用，对硬X射线自由电子激光装置的整体发展性能具有决定性的意义。发明内容 [0006] 本发明的目的是：根据X射线模式的特征对冷却结构长度、应力槽位置和冷却槽位置进行针对性设计，从而实现一面反射镜可以有效传输多种模式的X射线，进而有效解决了硬X射线自由电子激光中的光学元件热膨胀和热变形面形控制问题。 [0007] 本发明的技术方案提供了一种优化型反射镜热变形控制方法，应用于反射镜，反射镜设有应力槽、冷却槽和冷却结构，所述应力槽包括上下对称的上应力槽以及下应力槽；所述方法包括以下步骤： [0008] 步骤1：根据待传输的X射线确定反射镜的外观尺寸；根据待传输的X射线以及外观尺寸，确定光学表面镀层的反射镜光学表面与应力槽之间的应力槽设计距离，根据应力槽设计距离分别在反射镜上、下表面设置上应力槽和下应力槽；根据待传输的X射线和应力槽的位置确定冷却结构的长度，用于控制反射镜在传输X射线时的反射镜中间段和两端的热膨胀程度；在上应力槽的中心位置开设冷却槽，冷却槽长度大于冷却结构长度； [0009] 步骤2：在冷却结构的上部分开设预设直径的通孔，预设直径根据冷却管道的直径确定，将冷却管道设于通孔内部，并采用锡焊进行连接； [0010] 步骤3：根据步骤1和步骤2的设计进行组装，冷却结构的最下端与冷却槽的壁面保持第一预设冷却距离，冷却结构的底面与冷却槽的底面保持第二预设距离； [0011] 步骤4：在步骤3之后，在冷却槽中灌注液态铟镓合金，直至液态铟镓合金的液面低于第一应力槽的底面2mm。 [0012] 优选地，所述冷却槽的长度大于冷却结构长度10mm。 [0013] 优选地，所述反射镜的光学表面的高度残差小于2nm。 [0014] 优选地，所述反射镜的材料为单晶硅。 [0015] 优选地，所述预设直径为8mm。 [0016] 优选地，所述冷却结构的下部分为阶梯结构。 [0017] 优选地，所述冷却结构为无氧铜块。 [0018] 优选地，所述第一预设距离为0.5mm，所述第二预设距离为3mm。 [0019] 本发明的技术方案提出一种优化型反射镜热变形控制方法，通过根据X射线模式的特征进行针对性的冷却结构长度，应力槽位置和冷却槽位置设计，从而实现一面反射镜可以有效传输多种模式的X射线，从而有效解决了硬X射线自由电子激光中的光学元件热膨胀和热变形面形控制问题。相对于同步辐射领域内的反射镜设计，通过本发明中的优化型反射镜热变形控制方法来优化设计硬X射线自由电子激光中的高热负载下的光学元件，以更好地满足硬X射线传输模式的有效性、多样性和提升传输多模式硬X射线的性能。通过本方法设计的反射镜冷却结构在提升了硬X射线自由电子激光装置的整体性能的同时，更加促进硬X射线自由电子激光在更多学科领域内的应用，对硬X射线的发展和应用具有非常重要的意义。附图说明 [0020] 图1为现有通用型反射镜设计图； [0021] 图2为现有不同入射角下不同能量点的热载荷分布情况图； [0022] 图3为本发明实施例提供的反射镜冷却结构设计中的冷却槽设计剖面图； [0023] 图4为本发明实施例提供的反射镜结构设计示意图； [0024] 图5为本发明实施例提供的反射镜冷却结构设计中的冷却槽设计示意图； [0025] 图6为本发明实施例提供的冷却长度对反射镜热变形的影响‑较宽半高宽； [0026] 图7为本发明实施例提供的应力槽对反射镜热变形的影响。 [0027] 附图标记： [0028] 1：反射镜；2：冷却结构；3：光学表面镀层；4：液态铟镓合金。具体实施方式 [0029] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 [0030] 如图3所示，在本实施例中提供一种优化型反射镜热变形控制方法，应用于反射镜，反射镜设有应力槽、冷却槽、光学表面镀层、液态铟镓合金和冷却结构，应力槽包括上下对称的上应力槽以及下应力槽；所述方法包括以下步骤： [0031] 步骤1：如图4所示，综合反射镜待传输的X射线特征和相关理论研究以及物理光学设计，限定反射镜的外观尺寸。根据待传输的X射线以及外观尺寸，确定反射镜在满足X射线传输要求的情况下，确定光学表面镀层的反射镜光学表面与应力槽之间的应力槽设计距离，根据应力槽设计距离分别在反射镜上、下表面设置上应力槽和下应力槽，从而确定应力槽所在反射镜的位置。根据待传输的X射线和应力槽的位置确定冷却结构的长度，用于控制反射镜在传输X射线时的反射镜中间段和两端的热膨胀程度。 [0032] 如图3和图5所示，在上应力槽的中心位置开设长条形的冷却槽，冷却槽长度大于冷却结构长度，例如冷却槽的长度应大于冷却结构10mm，宽度为4mm，深度为10mm。反射镜的光学表面的加工精度要求高度残差小于2nm，其他尺寸的加工精度为0.1mm，同时反射镜的应用材料为单晶硅。 [0033] 步骤2：如图3和4的冷却结构所示，冷却结构采用无氧铜块材料，在冷却结构的上部分开直径为8mm的通孔，通孔的直径根据冷却管道的直径确定，确保冷却管道可以较好贯穿冷却结构，并且两者之间采用锡焊方法来实现冷却结构和冷却管道之间的较好的连接性和导热性。在无氧铜块的下方采用两阶梯结构设计，中间段的截面宽度为8mm宽，深度为10mm，最下面段的截面宽度为2mm宽，深度为10mm。 [0034] 步骤3：根据步骤1和步骤2的设计进行组装，同时需要确保冷却结构的最下端与冷却槽壁面保持0.5mm的距离，并且冷却结构的最下端要与冷却槽的底面有3毫米的间距，冷却结构的两端面与冷却槽两端的端面保持5mm距离。至此冷却结构被冷却槽锁定，使其的振动不会干扰反射镜的稳定性。 [0035] 步骤4：在步骤3之后，即安装好之后，在冷却槽中开始灌注液态铟镓合金，直至液态铟镓合金的液面低于应力槽的表面2mm。 [0036] 本实施例通过对反射镜的冷却结构的长度和应力槽的位置针对性设计，可以有效控制反射镜的光学表面的热变形。如图6所示，图6为反射镜在子午方向的热变形结果，对于半高宽较宽的模式X射线，如入射角为1.9mrad的12.4kev和15kev的X射线模式，通过改变反射镜的冷却结构长度，可以直接影响该模式下反射镜的热变形的凹凸情况。主要是通过改变冷却结构的长度，控制反射镜中间段和两端的热膨胀程度，进一步利用反射镜自身刚性来优化和改善光学表面热变形面形的凹凸状态和热变形面形。 [0037] 同时通过改变冷却结构长度，以及应力槽和冷却结构在反射镜上表面的位置，可以实现对X射线半高宽较窄的模式下的反射镜热变形的有效改善，其中冷却槽位于应力槽的中心位置，如图3和图5所示。如图6和图7所示，对于入射角为4mrad的7kev能量点的X射线模式，通过改变冷却结构长度，以及应力槽和冷却结构在反射镜上表面的位置，从而可以进一步优化反射镜的光学表面在子午方向的热变形面形，实现半高宽较窄的X射线工况下的反射镜的光学表面热变形面形的有效控制。 [0038] 综合上述的论述，对于硬X射线自由电子激光装置中的反射镜，需要满足多种模式X射线传输的情况下，并且还要根据多种X射线的功率分布特点进行多工况进行综合设计，改变采用冷却结构的长度、改变应力槽和冷却结构在反射镜上表面的位置来实现有效控制反射镜的热变形面形。 [0039] 相对于同步辐射领域内的反射镜设计，通过本发明实施例中的优化型反射镜热变形控制方法来优化设计硬X射线自由电子激光中的高热负载下的光学元件，以更好地满足硬X射线传输模式的有效性和多样性和提升传输多模式硬X射线的性能。在提升了硬X射线自由电子激光装置的整体性能的同时，更加促进硬X射线自由电子激光在更多学科领域内的应用，对硬X射线的发展和应用具有非常重要的意义。

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