专利名称：基于异型沟槽的晶体热缓释结构的制作方法
基于异型沟槽的晶体热缓释结构技术领域
本发明属于机械领域，涉及一种晶体热缓释结构，尤其涉及一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构。
背景技术：
单色器是整个同步辐射光源中最重要的装备之一，实验站所需单色光波长、能量分辨率、束斑大小、位置等都是由单色器实现或主要决定，它的分光元件的分光结果决定着实验站的最终成败，而分光元件对高热负载极其敏感，较低的功率密度都将引起非常大的分光元件形变，特别是单色器分光元件的第一衍射晶体承受着来自X射线大于99%的能量， 使晶体表面温度升高和晶体内部的温度梯度增大，导致晶体发生整体弯曲、晶面局部隆起和晶格常数变化三种热变形，其中整体弯曲对单色器性能影响最大，晶面局部隆起和晶格常数变化引起的衍射角改变导致晶体的摇摆曲线变宽可以忽略不计。另外，双晶单色器两晶体之间存在热载差，衍射晶体的热载变形导致动态相位变化，与第二晶体失谐，严重影响同步辐射光的传输效率、光通量、分辨率和本征分辨率。因此需要对单色器的第一晶体进行高热负载热缓释研究，对衍射晶体面型进行控制，以保证单色器的性能不被热载变形降低。
高热负载下晶体的热缓释技术包括衍射晶体材料的分析、冷却介质的分析、冷却方式的确定、晶体冷却结构参数的优化设计、晶体夹持结构及密封等方面的技术。晶体材料分析主要从材料的热传导系数、热膨胀系数和屈服强度等参数进行考虑；冷却介质的分析主要是根据实际使用要求确定冷却介质，其中还包括对冷却介质的特殊处理等；冷却方式方面，通常比较常用的冷却方式是间接水冷、直接水冷、间接液氮冷却等方式，在国外还有直接液氮冷却、水喷射冷却、间接液氦冷却、切槽晶体冷却等冷却方式，实际应用的冷却方式需根据辐射热功率和热功率密度的大小来进行分析；在晶体冷却结构参数优化设计方面，冷却结构优化设计主要是对直接冷却技术而言，关键是确定晶体的外形尺寸和冷却槽的深度、宽度、槽与槽的间隔、冷却水流速、流体和真空压力等参数。
对晶体的热缓释技术，目前国内相关研究还比较少，国外的很多冷却技术也在探索过程中，但是科学发展对同辐射光源的需求量却是越来越大，同步辐射光源的发展也从第一代光源发展到第三代光源，甚至部分国家和地区正在研制性能更高的第四代光源，因此对同步辐射双晶单色器中的衍射晶体热缓释技术的设计和研究相当重要，在一定程度上决定着某些科学领域的发展。能研制出一种满足同步辐射实验需要的热缓释结构，具有重要科学意义。
在单色器常用冷却方式中，直接水冷方式因其机械结构容易实现、介质价格便宜和冷却效率能满足工程需要，因此得到了比较广泛的应用。在直接水冷却方式中，衍射晶体可以直接与支撑结构装夹在一起，中间用密封圈进行密封，进水口开设在支撑结构上，冷却水通过支撑结构流进衍射晶体的冷却通道进行冷却；也可以把刻槽晶体分成衍射部分和基底部分，加工好衍射部分的冷却通道后用粘接胶把两块晶体粘结在一起；在晶体冷却通道上，比较常见的是平盘几何、圆孔几何和矩形孔几何，圆孔冷却渠道有较小的热传输面积，但相对平盘几何，冷却有效传输面积增加了 57%，而矩形冷却渠道相对于平盘几何增加了 5 倍，但这三种冷却几何都有一定的局限性，即冷却性能不高。另外，直接冷却方式在接合处需要大范围密封，装夹力矩的均匀性不容易控制，容易导致晶体结构的附加应力，从而增加晶体的面形形变误差。发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有冷却效率高、 密封性能好、装夹应力变形小、冷却腔内外压力差引起的面形误差小以及加工工艺性好的基于异型沟槽的晶体热缓释结构。
本发明的技术解决方案是本发明提供了一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构， 其特殊之处在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构包括衍射晶体以及基座晶体；所述衍射晶体开设有异型热缓释沟槽，背面为具有精密面形的衍射面；所述基座晶体上开设有卸荷槽、进水口、出水口以及集水箱；所述进水口通过集水箱、衍射晶体的异型热缓释沟槽与出水口相贯通；所述衍射晶体与基座晶体通过高温扩散焊接成组合晶体。
上述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括连接杆以及不锈钢晶体夹持座；所述不锈钢晶体夹持座通过连接杆夹持组合晶体；所述连接杆使用热膨胀系数与晶体热膨胀系数相似的材料，当晶体为Si (111)时，所述连接杆使用钛合金。
上述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括压制在衍射晶体上的压板。
上述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括设置在不锈钢晶体夹持座与基座晶体之间的密封圈；所述密封圈使用耐高温、耐高真空、耐老化性能等良好的氟橡胶。
上述衍射晶体以及基座晶体均是Si (111)晶体或其它材料的同步辐分光用单晶体。
上述异型沟槽是平行于入射光的半月形冷却水槽，槽深10mm，水槽宽3. 5mm，肋宽I.5mm ;所述半月形沟槽的顶部有28_长的平坦区，所述半月形沟槽的顶部的衍射面厚度为 O. 8mm。
上述基座晶体的四周刻有卸荷槽；所述卸荷槽是宽2mm和深2mm的切槽。
上述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括冷却水管，冷却水管内水压小于O.6MP，流量小于lL/s。
本发明的优点是
本发明提供了一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构，该结构采用材料相同的两块晶体，在衍射晶体背面切割异型沟槽水槽，基座晶体上开设进水口和集水箱，最后通过高温扩散焊工艺将加工好的异型沟槽衍射晶体和基座晶体焊接成组合晶体，这种结构具有冷却效率高、密封性能好、装夹应力变形小、冷却腔内外压力差引起的面形误差小且加工工艺性好等优点，且异型沟槽衍射晶体通过高温扩撒焊接在基座晶体上，上下晶体材料属性一致， 避免了因受热时材料不同而带来的不同膨胀变形，降低了因膨胀受热而导致的晶体面形误差；异型沟槽晶体采用背面开槽形成异型沟槽水流通道，通过仿真优化异型沟槽的参数可以得到最优冷却结果，在基座晶体四周开设卸荷槽，减少装夹应力传递到异型晶体的晶体衍射面；采用压板屏蔽X射线对水管密封氟橡胶圈的老化作用，延长了密封圈的使用周期且密封可靠。采用材料热膨胀系数和Si (111)相似的钛合金连接杆，晶体受热时膨胀变形量和钛合金连接杆变形量相差不大，减小了因热膨胀而带来装夹力过大导致的衍射晶体面附加变形。
图1是本发明所提供的基于异型沟槽晶体热缓释结构装配图2是图1的俯视结构示意其中
1-异型沟槽晶体；2_基座晶体；3_密封圈；4_不锈钢晶体夹持座；5_压板；6_连接杆；7_水管。
具体实施方式
参见图1以及图2，本发明提供了一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构，该结构包括异型槽衍射晶体I、基座晶体2、密封圈3、不锈钢晶体夹持座4、压板5、连接杆6和水管 7 ;衍射晶体开设一定尺寸的异型沟槽，基座晶体2开设进出水口和集水箱，两块晶体采用扩散焊接法焊接成组合晶体，此处为本发明的关键技术所在；衍射晶体和基座晶体焊接完成后，装夹在两块不锈钢晶体夹持座上，通过连接杆夹紧，并用压板压紧；水管焊接在不锈钢基座上，通过密封圈使其与基座晶体连接进行密封。衍射晶体的背面为具有精密面形的衍射面；精密面形是指具有平整的晶格面、粗糙度是纳米级以及平面度在微米级的面形。
异型沟槽衍射晶体是Si (111)晶体或者其他材料单晶体，采用在晶体内部沿子午方向(即与入射光平行的方向)刻制半月形冷却水槽的直接水冷方式。
衍射晶体尺寸的大小要满足最大接受角的要求，若已知入口处光束横截面尺寸为D，可计算出晶体几何尺寸。晶体长度为L >θπ*使晶体具有最大长度的极限Bragg角，晶体的宽度为W > H，H为入口光束的水平宽，为了方便冷却和装夹的实现，对得到的L和W进行适当的展宽即可确定晶体尺寸。
近几年随着第三代光源的陆续建造，矩形及其变形冷却几何是光束线元件主要的冷却结构方式。对此本发明采用变形冷却几何的异型沟槽作为冷却几何结构。变形冷却结构设计的关键是确定冷却槽的结构形式、槽的深度、宽度、槽与槽的间隔、冷却水进出口中心和水槽的夹角以及冷却水温、流速等参数。
带异型沟槽的衍射晶体衍射晶体的正面是工作面，加工后用化学方法进行抛光且化学腐蚀去应力，用来对同步辐射X射线进行衍射，提取单一波长的X光；背面开设了异型沟槽,通过大量有限元仿真分析,异型沟槽晶体刻槽深10_，水槽宽3. 5_，肋宽1. 5mm, 半月形沟槽的顶部有28_长的平坦区，该段的衍射面厚度为O. 8_，得到了最佳冷却效果。 基座晶体是Si (111)晶体或者其他材料的单晶体，在背面开槽形成水流通道和集水箱，两侧开有四个流水孔，流水孔通过O型密封圈与水管形成密封通道，可使拆卸更换方便。
侧面流水孔的尺寸和不锈钢水管尺寸相同，积水箱的长度以覆盖衍射晶体异型沟槽的所有流水沟槽为准，宽度保证集水箱的通流能力和不锈钢水管相同，在基座晶体的四周刻有2mm宽2mm深的卸荷槽，起应力缓冲作用。
采用扩散焊接特殊工艺将基座晶体在真空室内部加温到500°C，保温8小时；在基座晶体镀一层纯度高达99. 9%的金箔，加压至O. 2MPa/_2，将异型沟槽晶体焊接在基座晶体上。此扩散焊接工艺在日本已是成熟技术，并广泛应用于晶体焊接，它具有应力小，牢固性强，防泄漏等特点。
密封圈用来对水流通道进行密封，一般为O型氟橡胶密封圈。密封圈通过连接杆提供的压力对晶体和不锈钢夹持座之间的水流通道进行密封。
不锈钢晶体夹持座为两块相同结构的不锈钢夹持座，开有四个光孔和四个水管孔。连接杆穿过四个光孔对晶体进行夹紧，夹紧力不能过大，否则将使晶体受力过大而产生附加的衍射面变形，从而无法达到设备需求的面型精度。
压板为不锈钢压板，主要作用为压紧晶体，防止晶体在使用过程中松动；对整个晶体夹持座及其附件起屏蔽作用，防止X射线对氟橡胶圈的损伤老化，从而引起密封部位漏水，污染真空环境。
连接杆为钛合金连接杆，不锈钢夹持座通过钛合金连接杆来定位和夹紧晶体。连接杆使用钛合金的主要原因是钛合金的热膨胀系数和硅单晶的热膨胀系数相当，当晶体受热膨胀时，钛合金连接杆也受热膨胀，减少因晶体受热膨胀而带来的附加应力。
水管是真空用不锈钢硬管。水管在出、入水口处用真空钎焊将不锈钢硬管和不锈钢夹持座焊接，与衍射晶体的冷却通道联结形成密闭通道。在不锈钢硬管的另外一段焊接液压波纹管，不规则水流造成的振动可以通过不锈钢波纹管增大振动阻尼，或在晶体水路通道中增大孔径降低水压的方法来抑制。但流速过大容易将水流振动通过不锈钢波纹管传递到晶体调节台上，需要计算选择合适的管径。
当冷却水流速S lm/s,冷却水流量Q :0 51/min时，由公式Q= JiD2 · S/4，可以求得管径D =。\π ■ S
根据水流通道装置结构紧凑、进出水通畅、方便固定和留有适当余量的原则，选择两进两出布管方式，选用真空用标准不锈钢管。
本发明主要说明了同步辐射双晶单色器中衍射晶体的一种基于异型沟槽结构的晶体热缓释技术及其结构。因为该结构主要用在真空中对单色器的衍射晶体进行冷却，因此必须要考虑冷却的性能是否达到工程实际需求、所涉及的结构是否给冷却晶体增加了附加的应力变形、冷却结构的密封性是否良好、异型沟槽的优化参数是否是最优参数等方面的问题，要对这些问题进行性能测量和评价，以验证其是否满足设计和任务要求。根据上述要求，本发明提供了一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构，包括异型沟槽衍射晶体、基座晶体、密封圈、不锈钢晶体夹持座、压板、连接杆和水管。具体如图1所示。
考虑到真空环境、装夹机构及同步辐射中到达衍射晶体的高热负载对衍射晶体衍射面的面型精度的影响，本发明在设计时不仅要利用有限元分析软件对异型沟槽进行充分建模分析，而且还要设计合理的装夹方式和机构，并分析装夹机构对晶体面型精度的影响。 整个热缓释结构由带有异型沟槽的衍射晶体和带有进出水口及集水箱的基座晶体加工完成后通过高温扩散焊接技术焊接成组合晶体，组合晶体由两块结构相同的不锈钢夹持座进行夹持，晶体与进出水管之间用氟橡胶圈密封，最后用四个钛合金螺杆穿过不锈钢夹持座夹紧形成冷却水循环通路；在不锈钢夹持座上固定压板，压紧晶体，同时具有屏蔽板的作用，使氟橡胶圈免受X射线的辐照而加速老化。
把热缓释结构的所有零件装配后，还要对整个机构进行密封测试，测试过程包括用一定压力的水进行水压测试和进行氦气检漏，确定密封性完好。
本发明提供的基于异型沟槽的晶体热缓释结构的工作原理是
本发明在工作时，整个热缓释结构通过底座连接在晶体旋转台上，整个结构处于高真空环境中，冷却水的进出水管和真空室外面的冷却循环系统连接，形成密封水循环通路，冷却水通过进水管进入集水箱，然后进入到异型沟槽的衍射晶体，通过出水口的集水箱回流到冷却循环系统，在衍射晶体受到高热辐射的同步辐射光照射时，同步辐射光施加给衍射晶体的高热负载可由异型热缓释沟槽中的冷却水带回到冷却系统，在冷却系统中冷却后重新利用。
权利要求
1.一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构包括衍射晶体以及基座晶体；所述衍射晶体开设有异型热缓释沟槽，所述衍射晶体的背面为具有精密面形的衍射面；所述基座晶体上开设有卸荷槽、进水口、出水口以及集水箱；所述进水口通过集水箱、衍射晶体的异型热缓释沟槽与出水口相贯通；所述衍射晶体与基座晶体通过高温扩散焊接成组合晶体。
2.根据权利要求I所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括连接杆以及不锈钢晶体夹持座；所述不锈钢晶体夹持座通过连接杆夹持组合晶体；所述连接杆是使用热膨胀系数与晶体热膨胀系数相似的材料。
3.根据权利要求2所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括压制在衍射晶体上的压板。
4.根据权利要求3所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括设置在不锈钢晶体夹持座与基座晶体之间的密封圈。
5.根据权利要求I或2或3或4所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述衍射晶体以及基座晶体均是Si (111)晶体或其它材料的同步辐射分光用单晶体。
6.根据权利要求5所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述异型沟槽是平行于入射光的半月形冷却水槽；槽深10mm，水槽宽3. 5mm，肋宽I. 5mm ;所述半月形沟槽的顶部设置有28_长的平坦区；所述半月形沟槽的顶部的衍射面厚度为0. 8_。
7.根据权利要求6所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基座晶体的四周刻有卸荷槽，所述卸荷槽是宽2mm和深2mm的切槽。
8.根据权利要求7所述的基于异型沟槽的晶体热缓释结构，其特征在于所述基于异型沟槽的晶体热缓释结构还包括冷却水管。
全文摘要
本发明涉及一种基于异型沟槽的晶体热缓释结构，该结构包括衍射晶体以及基座晶体；衍射晶体开设有异型热缓释沟槽，衍射晶体的背面为具有精密面形的衍射面；基座晶体上开设有卸荷槽、进水口、出水口以及集水箱；进水口通过集水箱、衍射晶体的异型热缓释沟槽与出水口相贯通；衍射晶体与基座晶体通过高温扩散焊接成组合晶体。本发明提供了一种具有冷却效率高、密封性能好、装夹应力变形小、冷却腔内外压力差引起的面形误差小以及加工工艺性好的基于异型沟槽的晶体热缓释结构。
文档编号G01J3/18GK102980655SQ201210470930
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者赵相国, 江波, 周泗忠, 郭治理, 靳虎敏 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所