同步辐射光束线水平偏转压弯机构关键技术研究及性能测试

发布时间：2020-08-15 15:55

【摘要】：同步辐射装置是一种大科学装置，能同时容纳数百人进行科学和技术实验。主要由光源、光束线和实验站构成。根据实验站对光束的要求，光束线对同步辐射光源产生的同步辐射光进行偏转、准直、分光和聚焦等处理，并将同步光传输到实验站。第三代同步辐射光源具有很小的电子束发射度，使得光束以很小的掠入射角入射在光学元件上，导致成像镜面在光束传播方向的长度大幅增加，达到甚至超过1米。采用传统的磨制镜直接加工，很难得到高精度的面形。相比之下，压弯镜具有半径可调，表面精度高和易于制造等优点，从而得到广泛的应用。第三代同步辐射光源的主要特点是大量使用插入件，以波荡器为主。同步辐射装置上常规使用的压弯镜多是水平放置、光束垂直偏转，反射面朝上或者朝下。但是对于波荡器光源来说，从保持光源的横向相干性和亮度的角度看，水平偏转压弯镜更具优势，此外水平偏转压弯镜还可以在K-B聚焦镜装置中用作水平方向聚焦镜。第三代同步辐射光源对光束线的压弯准直聚焦镜提出了很高的要求，开展水平偏转压弯机构关键技术研究及性能测试，在提高压弯机构性能的同时，有助于提高光束线的通量和能量分辨率，具有极其重要的现实意义。本论文以上海光源建设中所需的水平偏转压弯镜为目标，重点研究了包括高性能水平偏转压弯机构压弯机理、补偿机制及热缓释技术等在内的关键技术，并对水平偏转压弯机构的性能测试方法进行了研究。具体研究内容如下： 1）水平偏转压弯机构的受力情况较为复杂，相对于镜子所要求的极小面形误差和定位误差，镜子的性能对受力的变化是非常敏感的。本论文在研究压弯机构压弯理论的基础上，根据水平偏转压弯机构的设计指标，确定了压弯方式及压力点，使用点槽面支撑系统来实现其空间位置调节，提出了针对压弯镜自重和压弯机构自身重力的平衡补偿装置，并进行了水平偏转压弯机构的设计。 2）水平偏转压弯镜压弯过程中，除了受到自身重力、平衡力和压弯力矩之外，还受到压弯机构本身结构、接触部分的摩擦以及局部变形产生的影响。这些因素导致工程分析结果与实际试验结果存在着较大的误差。为了提高分析精度，本文构建了从驱动机构、夹持机构到压弯光学元件的整体有限元分析模型，引入非线性分析的方法，模拟了水平偏转压弯机构的压弯过程，并针对压弯机构的压辊和镜面、驱动杆和动力轴等关键接触部位进行了分析，得到的模拟结果更接近实际情况。 3）第三代同步辐射光源的高亮度给光束线设备带来的问题是极高的辐射功率和极高的功率密度，如何保证光学元件不受损伤并且稳定地正常工作，是需要解决的关键技术之一。对水平偏转压弯镜在热负载下的变形进行系统的分析，将热传导、热对流及热辐射三种热传递方式进行综合考虑，最大限度地模拟了该结构在热载下的真实状态。在此基础上确定了冷却方案，不仅削弱了热载效应，水平偏转压弯镜达到热平衡的时间得到大幅缩短，在提高实验效率的同时能够获得稳定有效的实验结果。 4）水平偏转压弯机构的检测与安装是整个光束线安装调试的一个重要环节，而水平偏转压弯镜面形精度要求之高以及镜长的增加，都提高了检测的难度。使用上海光源自行研制的LTP-1200对水平偏转压弯镜在压弯状态下的面形进行测试，同时采用激光干涉仪、分光镜和反光镜等，搭建了一套离线检测方案对其运动精度进行精确的测量，运行稳定，各项指标均符合设计要求。本文重点针对提高水平偏转压弯机构性能的关键技术及性能检测方法进行了研究。在整个研究过程中，完成了水平偏转压弯机构的设计，对重力影响、压弯机构本身以及热载影响等做了具体的探讨和研究，并利用有限元软件模拟了系统的压弯过程与热力学过程。本文的研究成果对压弯机构的设计具有很好的参考价值，为后期光束线的工程设计提供了重要的理论依据。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL503
【图文】：

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图 1.1 同步辐射装置示意图代同步辐射光源是专门为了研究同步辐射而设计的，已经发子储存环中应用了新的磁聚焦结构单元，不仅减小了储存环光源的亮度和质量，极大地促进了科技研究和工业应用。代同步辐射光源为了降低储存环的发射度，大量使用插入件空间、时间及能量分辨率等。第三代同步辐射光源的亮度在高了100 多倍，比应用在通常实验室的最好的X光源要亮1亿代同步辐射光源之间既有共同之处，也有相当大的差异。最大的插入件数量的多寡，第一代同步辐射主要使用的是弯转磁铁装置在使用弯转磁铁的基础上，安装了几个插入件，数量很少步辐射装置就不同了，大量使用插入件，有十几个到几十个[1]，弯转磁铁引出的同步辐射光相比，由插入件引出的同步辐射光，而且具有更好的性能。因此，插入件使用的数量导致发光光电子束斑尺寸产生了很大的差异。三代同步辐射光源主要特

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又可分为三类，低能光源、中能光源、高能光源。上海光 Radiation Facility, SSRF）是一台高性能的中能第三和扭摆器插入装置为特征，是我国迄今为止最大的大步辐射装置中，上海光源的性能处于较为先进的地位、日本的SPring 8光源、欧洲的ESRF 光源，位居世被优化在用途最广泛的X射线能区，科学寿命大于开展自由电子激光等下一代光源的研究。上海光源同eV 电子直线加速器、3.5GeV 增强器、3.5GeV 电子储沿环外侧分布的同步辐射光束线和实验站组成。上海 1.2 所示。电子束由电子枪发出，进入到40 米长的电能量达到100MeV 后被传输到增强器中对其进一步加后，将其注入到电子储存环中。电子储存环周长为43与此相对应的20 个直线节组成，除一个直线节用于放高频腔外，其余直线节用来装备扭摆器、波荡器等

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m2pqRp q sin 焦半径 Rs直接加工成形，子午聚焦半径 Rm是在压弯机构面对常用的反射镜面的形状进行简要的介绍和说明。面镜曲方程（2-1），在镜子两端施加相等的力矩0M ，可以压制分别以柱面镜中心距源点和像点的距离表示。柱面镜只能聚焦，但与其它聚焦镜相比，柱面镜容易实现。Kirkpatr两个正交的柱面镜，聚焦精度较高。环面镜镜具有两个相互垂直的聚焦半径，能同时实现子午方向和长条形的柱面镜做基底，在四点压弯机构作用下，可以使表面的超环面。由式（2-1）可知，对垂直放置的柱面镜可以得到水平方向偏转的超环面镜，如图 2.1 所示。

【参考文献】