一种同步辐射单色器热变形原位测试方法及装置

本发明属于同步辐射光学工程，涉及一种同步辐射单色器热变形测试方法，具体涉及一种基于串联插入件的同步辐射单色器热变形原位测试方法及装置，适用于第四代同步辐射光源中高热载光学元件的性能评估。

背景技术：

1、同步辐射光源是一种产生高亮度、宽波段、连续光谱x射线的重大科学装置，广泛应用于材料科学、生命科学、凝聚态物理等前沿基础研究领域。从同步辐射白光中提取特定波长的单色光，是大多数实验站开展定量分析的基本前提，这一功能由光束线上的核心光学设备--单色器（对于硬x射线波段，通常为双晶单色器）承担。在光束线运行过程中，单色器第一晶体承接插入件（波荡器或扭摆器）光源产生的高功率x射线束流，沉积巨大的热负载，进而使晶体表面产生热变形（凹陷、凸起或扭曲）。该热变形会直接降低单色器的衍射效率、能量分辨率和光束指向稳定性等，严重影响光束品质。尤其对于第四代同步辐射光源，其发射度更低、功率密度呈数量级提升，热变形效应更为剧烈。因此，准确测试单色器在真实工作条件下的热变形，对于优化冷却方案、评估晶体性能以及设计光束线至关重要。

2、目前，单色器热变形的测试方法主要分为两类。一类是通过改变储存环中的束流流强来整体改变入射到单色器上的热负载，在不同流强下测量单色器性能参数的变化，从而评估热变形程度。然而，该方法必须在加速器专用运行时间内进行，涉及全局束流参数的大幅调整，测试成本极高、周期长、灵活性差，无法满足单色器例行测试或快速评估的需求。另一类是在单色器外部使用高功率激光器模拟同步辐射热源进行加热测试，该方法虽不依赖加速器运行时间，但其本质缺陷在于：激光入射方向与真实同步辐射光路难以保持同轴，导致晶体表面的热源功率分布（包括光斑形状、能量密度梯度等）与实际插入件产生的特征分布存在显著差异；同时，激光加热窗口和光路通道需在单色器设计阶段预先集成，无法用于已建成的单色器，且外加光路往往与探测光路、冷却结构产生空间冲突，造成测试视场和角度受限；此外，激光加热的热量仅沉积于晶体表层，而x射线具备一定的穿透深度，二者在晶体内部的能量沉积分布（体吸收与面吸收）存在本质不同。因此，现有测试方法在热源几何路径和能量沉积物理机制两个层面均难以实现低成本、高度灵活、且与真实工况等效的单色器热变形原位测试。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种同步辐射单色器热变形原位测试方法及装置。本发明解决了现有技术难以兼顾低成本、高灵活性且贴近实际工况的单色器热变形原位测试问题。

2、本发明的技术方案为：

3、一种同步辐射单色器热变形原位测试方法，其步骤包括：

4、对于同步辐射储存环一直线节上沿电子束流方向依次设置的第一插入件、第二插入件，将待测的双晶单色器设置在所述第二插入件下游的光束线上；在所述双晶单色器的第一晶体前设置可移动的束流阻挡器，用于调整入射至第一晶体的光束尺寸；在所述双晶单色器的第二晶体后设置探测器；

5、关闭所述第一插入件（磁间隙调至最大），调整所述第二插入件的磁间隙，使其产生使所述第一晶体无热变形的探针光；使用所述探测器测量所述探针光入射至所述第一晶体不同位置时所述第二晶体的摇摆曲线，根据各摇摆曲线的衍射峰位角度得到无热变形状态下第一晶体晶面的角度分布；然后根据无热变形状态下第一晶体晶面的角度分布得到无热变形状态下第一晶体晶面的高度分布h(x,y)-0；

6、调节所述第一插入件的磁间隙，逐级增加入射到所述第一晶体上的热负载；在第一插入件调节后的每一磁间隙值下使用所述探测器记录所述第二晶体的摇摆曲线，根据当前热负载下的各摇摆曲线得到当前热负载下第一晶体晶面的高度分布h(x,y)-i；

7、通过计算h(x,y)-i- h(x,y)-0得到第一晶体在对应热负载下的热变形分布。

8、优选的，所述探测器为二维探测器，在第一插入件调节后的每一磁间隙值下使用所述二维探测器获取一个摇摆曲线成像，根据所述摇摆曲线成像获得当前热负载下第一晶面的角度分布。

9、优选的，所述探测器为一维探测器，在第一插入件调节后的每一磁间隙值下使用所述一维探测器分别测量第一晶面上多个不同位置对应的衍射峰位角度；然后根据第一晶面上多个不同位置处对应的峰位角度计算得到当前热负载下第一晶面的角度分布。

10、优选的，所述第二晶体的下游设置一单色光狭缝，当采用所述一维探测器逐点扫描第一晶体表面不同空间位置以获取热变形分布时，通过所述单色光狭缝选取所述探针光经所述第一晶体衍射后出射光束的空间位置，实现对所述第一晶体表面不同衍射点的空间分辨测量。

11、优选的，所述单色光狭缝的水平方向和垂直方向的开口宽度独立可调。

12、优选的，所述束流阻挡器的通光孔径连续可调。

13、优选的，综合考虑探针光的衍射光通量、能量带宽及其对应的动力学衍射宽度，调整所述第二插入件的磁间隙，使其产生使所述第一晶体无热变形的探针光。

14、一种同步辐射单色器热变形原位测试装置，其特征在于，包括位于同步辐射储存环一直线节上沿电子束流方向依次设置的第一插入件、第二插入件，束流阻挡器，探测器，控制系统与数据采集系统；

15、所述第一插入件的磁间隙可调，通过改变磁间隙的大小来调控输出的同步辐射功率，向待测双晶单色器的第一晶体施加可控的热负载；

16、所述第二插入件的磁间隙可调，用于产生使所述第一晶体无热变形的探针光；

17、所述束流阻挡器设置于所述第二插入件的下游、待测双晶单色器上游的光路上，用于调整入射至所述第一晶体的光束尺寸；

18、所述双晶单色器设置于所述第二插入件下游的光束线上，第一晶体用于承接第一插入件产生的加热光束和第二插入件产生的探针光束，第二晶体用于对经第一晶体衍射后的探针光进行角度扫描，以实现摇摆曲线的测量；

19、所述探测器用于记录第二晶体不同角度下的衍射光强度，从而获得摇摆曲线；

20、所述控制系统与数据采集系统，分别与所述第一插入件的磁间隙驱动机构、所述第二插入件的磁间隙驱动机构、所述束流阻挡器的驱动机构、所述第二晶体的转动机构以及所述探测器连接，用于统一调控所述第一插入件的磁间隙、所述束流阻挡器的通光孔径、所述第二晶体的角度扫描，以及同步记录所述探测器在各扫描角度下的衍射强度信号，并根据采集到的摇摆曲线数据计算第一晶体晶面的角度分布；然后根据无热变形状态下第一晶体晶面的角度分布得到第一晶体晶面的高度分布；然后根据无热变形状态下第一晶体晶面的高度分布h(x,y)-0和第i个热负载下第一晶体晶面的高度分布h(x,y)-i得到第一晶体在第i个热负载下的热变形分布。

21、本发明的优点如下：

22、1.低成本、高灵活性：无需改变储存环流强，不占用宝贵的专用加速器运行时间及用户专用机时，可在常规用户运行间隙随时进行测试，大幅降低测试成本。

23、2.更接近真实情况的模拟加热方式：第一插入件产生的热负载与第二插入件产生的探针光完全同轴，且均沿真实同步辐射光路传播。热源的空间分布（特别是水平/垂直方向的功率密度分布）由插入件参数真实决定，与外置激光加热方式相比，模拟保真度高。更重要的是，本发明采用x射线作为加热源，其热量沉积于晶体内部具有一定穿透深度（体吸收），与真实服役工况完全一致；而激光加热的热量仅沉积于晶体表层（面吸收），二者在晶体内部的温度梯度分布和热应变演化机制存在本质差异。本发明从热源几何路径和能量沉积物理机制两个层面均实现了与实际工况的等效，模拟保真度远超外置激光加热方式。

24、3.独立可控的加热功率：通过改变第一插入件的磁间隙，可实现热负载从零到最大值的精细、稳定、重复调节，无需改动任何其他光学元件或束流参数。

25、4.无额外光路干扰：无需在单色器外部引入激光器、反射镜等附加光学元件，避免了光路遮挡、视野受限及冷却结构干涉问题。

26、5.适用于现有设备：该方法可直接应用于已建成的、具备双插入件串联条件的储存环光束线，无需对单色器本身进行任何硬件改造。