一种高精度多段冷却式偏转镜的制作方法

1.本发明涉及一种能够在硬x射线自由电子激光光束传输过程中使用的高精度偏转镜，属于先进光源技术领域。


背景技术：

2.在先进光源领域中，高精度光学元件对光束传输起到决定性影响。特别是对于国内首套硬x射线自由电子激光装置项目中的高精度高重频高热负载光学元件，提出非常极端的技术要求。
3.在硬x射线自由电子激光光束传输过程中，高精度光学元件由于受到高热负载高重频的超快x射线照射，其光学表面会产生热变形而影响出光质量，尤其是光斑聚焦问题，甚至导致整个大科学装置无法有效传递硬x射线自由电子激光光束。所以为了保证硬x射线自由电子激光能确保正常传输，光学元件的面形误差必须控制在几个纳米范围内。
4.在欧洲自由电子激光装置中，其光学元器件在正常工作时的面形误差小于2纳米，相当于一米长的偏转镜，其工作时光学表面面形误差不能超过人的发丝直径的1/10，其面形误差包含多个因素，如热变形面形误差、加工工艺面形误差以及低应力夹持产生的面形误差等。
5.目前国内首套硬x射线自由电子激光装置正在建设中，该项目建设一台能量8gev连续波超导直线加速器，能产生0.4
‑
25kev光子能量范围的3条自由电子激光波荡器线，构建3条光束线；超高峰值亮度和平均亮度x射线自由电子激光脉冲的重复频率可达1mhz、超快脉冲小于10飞秒，从而使实验站具备纳米级超高空间分辨能力和飞秒级超快时间分辨能力，所以项目中的光学元件必须满足类似欧洲自由电子激光装置中的高精度光学元件的面形质量要求。
6.对于现有的国内同步辐射光源中的光学元件，要达到硬x射线自由电子激光装置中的光学元件设计要求，具有非常极端的技术挑战。特别是硬x射线自由电子激光装置中光束线中的第一面偏转镜的设计，一面偏转镜结构设计，要满足多种模式的超快光束对面形误差要求，实现多种模式光束的有效传输。但是目前在国内同步辐射光源中常规的偏转镜，其设计基本上采用单一冷却块对偏转镜进行冷却，单一冷却块与偏转镜之间采用的是硬接触。无法实现冷却模式多样性，导致了单块偏转镜无法满足多种超快光束传输模式的兼容性。其次同步辐射光源中的偏转镜的面形误差基本上控制在在微米级别。但是对于硬x射线自由电子激光装置，其关键光学元件的面形误差基本上都是控制在几个纳米的级别。最后，由于单一冷却块与偏转镜之间采用的是硬接触，因此，冷却块通入冷却介质后产生的振动会给偏转镜带来一定的振动干扰。而偏转镜对振动特别敏感，若有振动干扰，则会影响偏转镜对超快光束的有效传输，最后导致光斑抖动，影响超快光束的聚焦。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：在国内首套硬x射线自由电子激光大科学装置项目
中，对于光束线中的第一面偏转镜，要满足两种入射角下五个能量点共计6种模式(入射角为1.9mrad时的7kev、12.914kev、15kev能量点和入射角为4mrad时的为3kev、5.5kev、7kev能量点)的高热负载高重频的超快光束脉冲的有效传输，高精度偏转镜的面形误差必须满足6种模式下的超快光束几个纳米级别的面形误差要求，而现有的偏转镜无法满足上述要求。
8.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种高精度多段冷却式偏转镜，其特征在于，包括偏转镜主体，偏转镜主体上设有冷却块，冷却块被冷却介质冷却后利用液态合金对偏转镜主体进行有效冷却，从而有效控制偏转镜主体的光学表面在承受超快光束脉冲的热变形，冷却块由n个子冷却块组成，n≥3，每个子冷却块能够独立地通入冷却介质或将冷却介质截断，从而独立地启动、关闭，所有启动的子冷却块构成冷却段，且冷却段关于偏转镜主体的中心位置在偏转镜主体的长度方向对称，通过启动不同数量的子冷却块，使得冷却块工作于不同冷却模式，以适应不同模式的超快光束脉冲，工作于不同冷却模式的冷却块具有不同长度的冷却段。
9.优选地，超快光束脉冲具有两种入射角下五个能量点共计6种模式，分别为：入射角为1.9mrad时的7kev、12.914kev、15kev能量点和入射角为4mrad时的为3kev、5.5kev、7kev能量点，则：
10.冷却块由依次相邻的子冷却块一、子冷却块二、子冷却块三、子冷却块四以及子冷却块五组成，并有：
11.向子冷却块三通入冷却介质，开启子冷却块三，保持其余子冷却块处于关闭状态，则冷却块工作于冷却模式一；当启动冷却模式一时，冷却块利用液态合金对偏转镜主体进行有效冷却，从而有效控制光学表面在承受如下超快光束脉冲的热变形：
12.入射角4mrad，能量点为7kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在0.95纳米；
13.入射角1.9mrad，能量点为12.4kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在0.6纳米；
14.入射角1.9mrad，能量点为15kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在0.2纳米；
15.向子冷却块二、子冷却块三和子冷却块四通入冷却介质，开启子冷却块二、子冷却块三和子冷却块四，保持其余子冷却块处于关闭状态，则冷却块工作于冷却模式二；当启动冷却模式二时，冷却块利用液态合金对偏转镜主体进行有效冷却，从而有效控制光学表面在承受如下超快光束脉冲的热变形：
16.入射角4mrad，能量点为5kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在2.58纳米；
17.向子冷却块一、子冷却块二、子冷却块三、子冷却块四和子冷却块五通入冷却介质，开启子冷却块一、子冷却块二、子冷却块三、子冷却块四和子冷却块五，则冷却块工作于冷却模式三；当启动冷却模式三时，冷却块利用液态合金对偏转镜主体进行有效冷却，从而有效控制光学表面在承受如下超快光束脉冲的热变形：
18.入射角4mrad，能量点为3kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在3.14纳米；
19.向子冷却块一、子冷却块三和子冷却块五通入冷却介质，开启子冷却块一、子冷却块三和子冷却块五，则冷却块工作于冷却模式四；当启动冷却模式四时，冷却块利用液态合金对偏转镜主体进行有效冷却，从而有效控制光学表面在承受如下超快光束脉冲的热变
形：
20.入射角1.9mrad，能量点为7kev超快光束脉冲，光学表面面形误差控制在3.85纳米。
21.优选地，所述偏转镜主体上设有冷却槽，冷却槽内盛有所述液态合金，冷却块浸泡在所述液态合金中，设所述偏转镜主体的长度为l，则所述冷却槽的长度至少为l/9。
22.优选地，所述冷却块被夹持在夹持机构中，所述冷却块利用夹持机构与所述冷却槽相结合。
23.本发明提供的高精度多段冷却式偏转镜能够有效控制硬x射线自由电子激光中的高重频高热负载下的高精度光学元件的热变形面形误差，从而解决了硬x射线自由电子激光装置中的光学元件面形误差在几纳米级别的技术难题，确保硬x射线自由电子激光光束有效传输。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
25.(1)相对于国内同步辐射光源中常规的偏转镜仅采用单一冷却块对整块偏转镜进行冷却的方式，本发明可以通过启动不同冷却块来构建多种冷却模式；
26.(2)常规单一冷却块的偏转镜，无法满足多种模式的超快光束的有效传输。而本发明采用多段式冷却模式，可以在不改变偏转镜系统的结构下，通过启动不同冷却块构建的多种冷却模式来满足多种硬x射线超快光束的有效传输。
27.(3)本发明采用的多段冷却式偏转镜，可以在满足多种模式的超快光束的有效传输同时，其高精度偏转镜的面形误差都可以控制在几个纳米范围内，远远超出目前国内同步辐射中的光学元件的面形误差要求。
28.(4)本发明的冷却槽设计，确保了在不改变偏转镜主体的情况下，可以实现冷却块的重新设计以及更替，以及偏转镜技术性能的后期升级，同时也很大程度降低了后期维护和技术升级成本。
29.(5)本发明采用的液态合金来进行冷却块与偏转镜之间的热传递，避免和隔绝了冷却块的振动对偏转镜的干扰，提升了偏转镜传输的超快光束稳定性，降低了最终聚焦光斑的抖动性，提高了超快光束的聚焦效果。
30.综上所述，本发明采用高精度多段冷却式偏转镜设计，解决了硬x射线自由电子激光装置项目中的偏转镜面形误差纳米级别的关键技术难题，解决了单面偏转镜通过多种模式的冷却方法来满足多种模式的超快光束的有效传输技术难题，实现了硬x射线自由电子激光装置项目的关键设备自主研发，确保了国内首套先进光源大科学装置项目的持续推进，缩小了与国外先进光源领域的技术差距。
附图说明
31.图1为本发明的总体结构示意图；
32.图2为冷却块的结构示意图。
具体实施方式
33.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技术所附权利要求书所限定的范围。
34.采用多段式的冷却块的偏转镜设计技术方案，构建一套高精度偏转镜拥有多种模式的冷却方式，来满足多种模式的超快光束传输。通过多种冷却模式组合，进行针对性的有效控制每种工况下的高精度偏转镜面形误差在相应的纳米级别范围内，解决了对于单一偏转镜结构设计满足多种模式超快光束的有效传输。
35.具体如图1所示，本发明提供的一种高精度多段冷却式偏转镜包括偏转镜主体1，偏转镜主体1的正面为光学表面1
‑
1，偏转镜主体1的顶面开有冷却槽2，冷却块3安装在冷却槽2上，冷却槽2内盛有用于冷却的液态合金。
36.本发明在冷却块3和偏转镜主体1之间采用液态合金进行热传导，利用液态合金将冷却块3通入冷却介质后所产生的振动隔绝掉，避免了偏转镜主体1受到冷却块3的振动干扰。
37.冷却块3分为5段，由5个可独立控制开启、关闭的子冷却块组成，分别定义为子冷却块一3
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1、子冷却块二3
‑
2、子冷却块三3
‑
3、子冷却块四3
‑
4以及子冷却块五3
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5。如图2所示，每个子冷却块上开有两个冷却介质流通孔4，冷却介质(例如冷却水)经由冷却介质流通孔4流入子冷却块并从子冷却块流出，从而冷却子冷却块。冷却后的子冷却块再通过液态合金冷却偏转镜主体1。通过控制冷却水管道阀门可以使得冷却介质流入子冷却块，或阻止冷却介质流入子冷却块，达到将子冷却块开启或关闭的目的。不同数量的子冷却块开启后形成不同长度的冷却段。对于不同模式的超快光束脉冲，根据x射线的光斑分布和强度分布，每束光束有效传输的超高精度面形有不同要求，其具有对应的冷却长度和效果。根据计算得到的不同模式的超快光束脉冲所要求的冷却长度，来开启相应数量的子冷却块，获得相应长度的冷却段。并且冷却段关于偏转镜主体的中心位置在偏转镜主体的长度方向对称。
38.本发明中，冷却槽2相比于现有冷却块所需的冷却槽而言做了优化处理，优化后的冷却槽2的长度比现有冷却块所需的冷却槽的长度要长很多，以预留对高精度多段冷却式偏转镜进行后期技术性能升级的设计空间。本实施例中，偏转镜主体1的长度为1000mm，则冷却槽2的长度相应加长至900mm。
39.本实施例中，子冷却块一3
‑
1、子冷却块二3
‑
2、子冷却块三3
‑
3、子冷却块四3
‑
4以及子冷却块五3
‑
5被统一夹持在一个机构夹持中，冷却槽2中灌注液态合金。组装时，通过缓慢下降夹持机构，确保所有子冷却块最终浸泡在液态合金中，浸泡深度为7mm。
40.针对两种入射角下五个能量点共计6种模式(入射角为1.9mrad时的7kev、12.914kev、15kev能量点和入射角为4mrad时的为3kev、5.5kev、7kev能量点)超快光束脉冲，具体应用实施如下：
41.实施例一：开启图2中的子冷却块三3
‑
3，保持其余子冷却块处于关闭状态，则冷却块3工作于冷却模式一
42.当启动冷却模式一时，如图1中所示，冷却块3利用液态合金对偏转镜主体1进行有效冷却，从而有效控制光学表面1
‑
1在承受如下超快光束脉冲的热变形：
43.入射角4mrad，能量点为7kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在0.95纳米；
44.入射角1.9mrad，能量点为12.4kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在
0.6纳米；
45.入射角1.9mrad，能量点为15kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在0.2纳米。
46.实施例二：开启图2中的子冷却块二3
‑
2、子冷却块三3
‑
3和子冷却块四3
‑
4，保持其余子冷却块处于关闭状态，则冷却块3工作于冷却模式二
47.当启动冷却模式二时，如图1中所示，冷却块3利用液态合金对偏转镜主体1进行有效冷却，从而有效控制光学表面1
‑
1在承受如下超快光束脉冲的热变形：
48.入射角4mrad，能量点为5kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在2.58纳米。
49.实施例三：开启图2中的子冷却块一3
‑
1、子冷却块二3
‑
2、子冷却块三3
‑
3、子冷却块四3
‑
4和子冷却块五3
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5，则冷却块3工作于冷却模式三
50.当启动冷却模式三时，如图1中所示，冷却块3利用液态合金对偏转镜主体1进行有效冷却，从而有效控制光学表面1
‑
1在承受如下超快光束脉冲的热变形：
51.入射角4mrad，能量点为3kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在3.14纳米。
52.实施例四：开启图2中的子冷却块一3
‑
1、子冷却块三3
‑
3和子冷却块五3
‑
5，则冷却块3工作于冷却模式四
53.当启动冷却模式四时，如图1中所示，冷却块3利用液态合金对偏转镜主体1进行有效冷却，从而有效控制光学表面1
‑
1在承受如下超快光束脉冲的热变形：
54.入射角1.9mrad，能量点为7kev超快光束脉冲，光学表面1
‑
1面形误差控制在3.85纳米。