反射镜冷却补偿结构、同步辐射装置及自由电子激光装置的制作方法

1.本发明涉及同步辐射及自由电子激光技术领域，尤其涉及一种反射镜冷却补偿结构、同步辐射装置及自由电子激光装置。


背景技术：

2.无论对于同步辐射及自由电子激光装置，光源产生的x射线中包含了一定的热载荷。当反射镜接受来自光源发出的光束线后，会将一部分x射线反射出去，同时还会吸收一定量的热功率。反射镜吸收光源热功率后，在反射镜上会产生温度梯度，从而导致镜面出现热变形，最终对x射线的传输效率和传输质量造成不利影响。
3.第四代光源对反射镜本体的面形控制提出了非常高的要求，一般要求高度误差pv(peak to valley，峰谷值)在若干nm及斜率误差rms值小于100nrad量级。因此必须采用合适的冷却方案才能使面形满足要求。
4.目前，除了一般常用的侧面接触冷却外，有采用的侧面开槽设计，通过优化切槽位置、深度和宽度等参数使特定热负荷作用下的表面热变形最小。除了侧面接触冷却外，对于短尺寸的反射镜本体还有利用内部通道冷却的方案。然而上述该些方案都是针对反射面某一固定位置进行冷却或对整个反射面进行冷却，无法对反射面的任意位置进行选择性冷却。由此对于反射镜上不同的高热负载分布，无法实现反射镜面形的准确控制。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种反射镜冷却补偿结构、同步辐射装置及自由电子激光装置，用以解决现有技术中存在的不足。
6.为达上述目的，第一方面，本技术提供的一种反射镜冷却补偿结构，包括反射镜本体、导热件及加热片；
7.所述反射镜本体上设有反射面及第一凹槽，所述反射面及所述第一凹槽均沿所述反射镜本体的长度方向延伸，所述第一凹槽的开口朝上，且所述第一凹槽内填设有液态金属；
8.所述导热件包括依次连接的冷却管及导热片，所述冷却管用于外接冷却水供水装置，所述导热片插入所述液态金属，且不与所述反射镜本体接触，所述导热片的长度与所述第一凹槽的长度相适配；
9.所述加热片为多个，多个所述加热片均设置于所述导热片，且沿所述导热片的长度方向分布。
10.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，多个所述加热片沿所述导热片的长度方向均匀分布。
11.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述导热片在相邻两个所述加热片之间设有阻热缝。
12.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述反射镜冷却补偿结构还包括支撑
件，所述支撑件支撑于所述反射镜本体的下表面。
13.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述反射镜本体具有上表面、与所述上表面相对的下表面及相对的两个侧面，所述反射面设于所述下表面，两个所述侧面均设有第二凹槽，所述第二凹槽沿所述反射镜本体的长度方向贯穿设置，所述第一凹槽设于所述第二凹槽靠近所述反射面的侧壁上。
14.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述反射镜本体具有上表面及与所述上表面相对的下表面，所述反射面设于所述上表面，所述上表面还设有两个所述第一凹槽，且两个所述第一凹槽位于所述反射面的两侧。
15.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述反射镜本体还具有相对的两个侧面，两个所述侧面均设有第二凹槽，所述第二凹槽沿所述反射镜本体的长度方向贯穿设置。
16.结合第一方面，在一种可能的实施方式中，所述液态金属为铟镓溶液。
17.第二方面，本技术还提供了一种同步辐射装置，包括光源系统及如上述第一方面提供的反射镜冷却补偿结构，所述反射镜本体的反射面用于反射所述光源系统发出的x射线。
18.第三方面，本技术还提供了一种自由电子激光装置，包括光源系统及如上述第一方面提供的反射镜冷却补偿结构，所述反射镜本体的反射面用于反射所述光源系统发出的x射线。
19.相比于现有技术，本技术的有益效果：
20.本技术提供了一种反射镜冷却补偿结构、同步辐射装置及自由电子激光装置，其中，反射镜冷却补偿结构包括反射镜本体、导热件及加热片；反射镜本体上设有反射面及第一凹槽，反射面及第一凹槽均沿反射镜本体的长度方向延伸，第一凹槽的开口朝上，且第一凹槽内填设有液态金属；导热件包括依次连接的冷却管及导热片，冷却管用于外接冷却水供水装置，导热片插入液态金属，且不与反射镜本体接触，导热片的长度与第一凹槽的长度相适配；加热片为多个，多个加热片均设置于导热片，且沿导热片的长度方向分布。由此，本技术提供的反射镜冷却补偿结构，通过导热片插入液态金属中对反射镜本体进行冷却的同时，还能通过设置在导热片上的加热片进行加热，以对反射面的面形进行补偿。因此，针对不同波段的x射线在反射面的任意位置形成的高热负载，可通过控制导热片对整个反射面进行冷却，同时还可以通过使导热片上与高热负载区域对应的一个或多个加热片分别进行加热，以进行面形补偿，使得反射面的面形控制实现高度误差pv值在亚nm量级，斜率误差rms值小于100nrad，从而满足第四代光源光束线对反射面的面要求。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1示出了本技术实施例提供的反射面朝下的一种反射镜冷却补偿结构的四分之一的局部立体结构示意图；
23.图2示出了图1所示反射镜冷却补偿结构主视图；
24.图3示出了图2所示反射镜冷却补偿结构左视图；
25.图4示出了图1所示反射镜冷却补偿结构中导热件的局部结构示意图；
26.图5示出了本技术实施例提供一种未开启加热片进行温度补偿时反射面沿光斑子午方向中心线的高度误差曲线图(a)及镜斜率误差面形曲线图(b)；
27.图6示出了本技术实施例提供一种开启加热片进行温度补偿时反射面沿光斑子午方向中心线的高度误差曲线图(a)及镜斜率误差面形曲线图(b)；
28.图7示出了本技术实施例提供的反射面朝上的一种反射镜冷却补偿结构的左视图；
29.图8示出了本技术实施例提供设有支撑件的一种反射镜冷却补偿结构的主视图；
30.图9示出了本技术实施例提供设有支撑件的另一种反射镜冷却补偿结构的主视图。
31.主要元件符号说明：
32.100-反射镜本体；101-上表面；102-下表面；103-侧面；110-反射面；120-第一凹槽；130-第二凹槽；200-导热件；210-冷却管；220-导热片；230-阻热缝；300-加热片；400-液态金属；500-支撑件。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.实施例一
39.请参阅图1、图2及图3，本实施例提供了一种反射镜冷却补偿结构，用于对反射镜的反射面110进行冷却和温度补偿，以满足第四代光源光束线对反射面110的面形要求。
40.本实施例提供的反射镜冷却补偿结构包括反射镜本体100、导热件200及加热片300。
41.反射镜本体100上设有反射面110及第一凹槽120，其中，反射面110和第一凹槽120均沿反射镜本体100的长度方向延伸，反射面110用于反射x射线，第一凹槽120的开口朝上，且第一凹槽120内填设有液态金属400。
42.在本实施例中，具体的，反射镜本体100为长条状，反射镜本体100具有上表面101、与上表面101相对的下表面102及两个相对的侧面103，其中，两个侧面103位于上表面101与下表面102之间，即两个侧面103分布于反射镜本体100的左右两侧。
43.进一步的，反射面110设于下表面102，即反射面110朝下，用于反射从下方照射过来的x射线。
44.两个侧面103均设有第二凹槽130，第二凹槽130沿反射镜本体100的长度方向贯穿设置，第二凹槽130的设置可释放反射面110吸收x射线的热功率产生的热应力，进而更好地对反射面110的面形进行控制。
45.进一步的，第一凹槽120的数量为两个，每个第二凹槽130靠近反射面110的侧壁上均设有一个所述第一凹槽120，第一凹槽120的两端沿反射镜本体100的长度方向延伸，每个第一凹槽120中均填设有液态金属400。
46.进一步的，第二凹槽130靠近反射镜本体100的下表面102设置，以使第一凹槽120的槽底距离反射面110更近，因此反射面110上的热量能更快的传递至液态金属400。
47.导热件200的数量也设有两个，每个第一凹槽120对应设置一个导热件200。以下对两个导热件200择一进行描述：
48.导热件200包括依次连接的冷却管210及导热片220，冷却管210用于外接冷却水供水装置(图未示)，冷却水供水装置用于提供循环的冷却水。导热片220插入液态金属400，且不与反射镜本体100接触。
49.需要说明的，当反射面110反射x射线时，吸收x射线的热功率会通过液态金属400，再经导热片220传递至冷却管210。由于冷却管210外接冷却水供水装置，所以冷却水供水装置会向冷却管210中提供循环的冷却水，冷却水在冷却管210中进行热量交换，带动热量，进而实现对反射镜本体100进行冷却。又因为第一凹槽120的底部靠近反射面110，因此，冷却水可更快捷地带走反射面110的热量，以冷却反射面110，实现反射面110的面形控制。
50.还可以理解的，在本实施例中，导热片220不与反射镜本体100接触，而是通过液态金属400进行间接接触，可避免冷却管210通入冷却水后水流的振动通过导热片220传递给反射镜本体100，从而确保反射镜本体100正常稳定工作。
51.在本实施例中，导热片220折弯成“l”形，以使导热片220能够顺利从第二凹槽130插入到第一凹槽120的液态金属400中，同时避免导热片220与第二凹槽130和第一凹槽120的壁面接触，进而使得导热片220不与反射镜本体100接触，以防止导热片220振动对反射镜本体100工作的影响。
52.进一步的，导热片220的长度与第一凹槽120的长度相适配，以对整个反射面110进
行冷却。即导热片220的长度小于第一凹槽120的长度，进一步导热片220的长度与第一凹槽120的长度相差不大，保证导热片220插入液态金属400中不与第一凹槽120的壁面接触即可。
53.可以理解的，在反射镜本体100的两个侧面103分别设置一个第一凹槽120的目的是：通过两个第一凹槽120可对反射面110进行同步冷却，冷却效果更好，从而更好地对反射面110的面形进行控制。
54.在本实施例中，加热片300的数量为多个，多个加热片300均设置于导热片220上，且多个加热片300沿导热片220的长度方向分布。其中，每个加热片300都为独立控制，进而每个加热片300的加热温度可单独控制。进一步的，由于x射线在反射面110形成的光斑服从高斯分布，即沿光斑自身子午方向，热量由中间向两端逐渐减少，形成温度梯度。由此在启动与光斑对应区域的加热片300进行温度补偿时，位于该区域的多块加热片300加热的温度由两端向中间减少，以消除温度梯度，进而精准控制反射面110的面型。
55.应当理解的，加热片300的数量可根据导热片220的长度进行选择，也可根据实际需求选择不同数量的加热片300。因此，在本实施例中，不对加热片300的数量进行限定。
56.可选地，加热片300为电加热片。
57.可选地，多个加热片300沿导热片220的长度方向均匀分布。当然多个加热片300沿导热片220的长度方向不均匀分布。
58.可选地，多个加热片300中每个加热片300的长度可以等长，当然也可以不等长。
59.可选地，加热片300粘贴于导热片220的表面，便于后期对加热片300的更换和维护。
60.请一并参阅图4，在一些实施例中，导热片220在相邻两个加热片300之间设有阻热缝230，其中，阻热缝230沿导热片220的宽度方向延伸至导热片220远离冷却管210一侧的边缘。阻热缝230能够阻挡相邻的两个加热片300之间热传递，进而对导热片220上加热区域的控制更精准，由此对反射面110的面形补偿区域的控制也更精准。
61.在一些实施例中，导热片220与冷却管210为一体结构，可选地，导热片220与冷却管210为一体铸造成型或者焊接为一体结构。
62.可选地，导热片220与冷却管210为铜材质或铝材质。
63.在一些实施例中，冷却水供水装置提供的冷却水的温度范围为15℃～25℃。
64.在另一些实施例中，冷却水供水装置提供的冷却水的温度范围为18℃～25℃。
65.在又一些实施例中，冷却水供水装置提供的冷却水的温度范围为18℃～22℃。
66.可选地，冷却水供水装置提供的冷却水的温度还可选择为18.2℃、18.5℃、18.9℃、19℃、19.4℃、19.8℃、20℃、20.5℃、20.8℃、21.1℃、21.4℃、21.6℃或21.9℃。应当理解的，上述仅是举例说明，不作为本技术保护范围的限制。
67.在一些实施例中，液态金属400选用铟镓溶液，其中，铟镓溶液导热性能好，且铟镓溶液可适用同步辐射装置及自由电子激光装置工作的高真空环境。
68.本实施例还一并提供了一种同步辐射装置，包括光源系统及如上述所述的反射镜冷却补偿结构，反射镜本体100的反射面110用于反射光源系统发出的x射线。
69.本实施例还一并提供了自由电子激光装置，包括光源系统及如上述所述的反射镜冷却补偿结构，反射镜本体100的反射面110用于反射光源系统发出的x射线。
70.进一步的，为了更清楚地描述本实施例的技术方案，以下对本实施例提供的反射镜冷却补偿结构举例说明，应当理解的，在此仅是举例说明，不作为本技术保护范围的限制。
71.请一并参阅图5及图6，其中，反射镜本体100的长、宽、高尺寸分别设置为：250mm、60mm、60mm，反射镜本体100的两个侧面103设置的第二凹槽130的槽深和槽宽分别为15mm和10mm。在第二凹槽130中的第一凹槽120中注入铟镓溶液，第一凹槽120的深和宽分别为：14mm、6mm。导热片220的厚度为2mm，浸入铟镓溶液的深度为8mm，导热片220第一凹槽120的侧壁和底部的距离都是2mm。
72.反射面110上接收的x射线后形成的光斑尺寸为230mm
×
6mm(长
×
宽)，吸收总功率为10w。当所有的加热片300都处于不通电状态，即不工作，通过软件分析，得到未开启加热片300进行温度补偿时反射面110沿光斑子午方向中心线的高度误差曲线图及镜斜率误差面形曲线图，如图5所示。通过图5分析可知，反射面110的高度误差pv值为34.9nm，斜率误差的rms值为338nrad，明显偏高，不符合第四代光源光束线对反射面110的面要求。
73.开启光斑对应区域的加热片300进行加热，对反射面110对应区域的面形进行补偿，并对各个电加热片300上的功率进行优化后得到的高度误差曲线图及镜斜率误差面形曲线，如图6所示，由图6中可知，光斑子午方向中心线的高度误差的pv值降为1nm，斜率误差的rms值为39nrad，远小于100nrad的要求，这也充分证明了本实施例对反射镜的冷却及面形补偿的有效性。由此，本实施例提供的反射镜冷却补偿结构可以实现反射面110的面形控制实现高度误差pv值在亚nm量级，斜率误差rms值小于50nrad，进而满足第四代光源光束线对反射镜面形严苛要求。
74.因此，本实施例提供的反射镜冷却补偿结构，相比于现有技术具有如下优点：
75.(1)本实施例提供的反射镜冷却补偿结构可对反射面110朝下的面形进行有效控制。
76.(2)本实施例提供的反射镜冷却补偿结构即可对反射镜本体100进行冷却的同时又通过加热片300进行温度补偿，集成了冷却与补偿功能为一体。
77.(3)本实施例提供的反射镜冷却补偿结构可与同步辐射装置或自由电子激光装置中的波前传感器结合，从而实时得到的面形数据，利用波前自适应校正算法可以得到每个加热片300上的热功率值，并推导出每片加热片300的施加的电流(或电压)，从而实现对面形的自适应校正。
78.(4)现有方案的冷却效果不满足第四代光源的要求，本实施例可以实现高度误差pv值在nm量级，斜率误差rms值在nrad量级，满足第四代光源的要求。
79.实施例二
80.请参阅图7，本实施例提供了一种反射镜冷却补偿结构。本实施例是在上述实施例一的技术基础上做出的改进，相比上述实施例一，区别之处在于：
81.在本实施例中，反射镜本体100为长条状，反射镜本体100具有上表面101、与上表面101相对的下表面102及两个相对的侧面103，其中，两个侧面103位于上表面101与下表面102之间，即两个侧面103分布于反射镜本体100的左右两侧。其中，反射面110设于上表面101，即反射面110朝上，用于反射从上方照射过来的x射线。
82.第一凹槽120设有两个，两个第一凹槽120均设于上表面101，两个第一凹槽120位
于反射面110的两侧，且两个第一凹槽120相互平行，每个第一凹槽120均设有一个导热件200。由此，设置两个第一凹槽120可对反射面110的两侧进行同步冷却，冷却效果更好，从而更好地对反射面110的面形进行控制。
83.在本实施例中，反射镜本体100的两个侧面103均设有第二凹槽130，第二凹槽130沿反射镜本体100的长度方向贯穿设置，第二凹槽130的设置可释放反射面110吸收热功率后产生的热应力，进而更好地对反射面110的面形进行控制。
84.需要说明的，当反射面110反射x射线时，吸收x射线的热功率会通过液态金属400，再经导热片220传递至冷却管210。由于冷却管210外接冷却水供水装置，所以冷却水供水装置会向冷却管210中提供循环的冷却水，冷却水在冷却管210中进行热量交换，带动热量，进而实现对反射镜本体100进行冷却。又因为第一凹槽120与反射面110均位于反射镜本体100的上表面101，且两个第一凹槽120位于反射面110的两侧，因此，冷却水可更快捷地带走反射面110的热量，以冷却反射面110，实现反射面110的面形控制。
85.本实施例提供的反射镜冷却补偿结构，同样可以达到上述实施例一中的技术效果。
86.实施例三
87.请参阅图8及图9，本实施例提供了一种反射镜冷却补偿结构。本实施例是在上述实施例一或实施例二的技术基础上做出的改进，相比上述实施例一或二，区别之处在于：
88.在本实施例中，反射镜冷却补偿结构还包括支撑件500，支撑件500支撑于反射镜本体100的下表面102。
89.其中，支撑件500的数量可以设置为多个，多个支撑件500沿反射镜本体100的长度方向分布，支撑件500的布置按照bessel点(贝塞尔点)位置对反射镜本体100的下表面102进行支撑。
90.在本实施例中，设置支撑件500再与上述任意一个实施中的导热件200及加热片300配合，可以对反射镜本体100因自重导致反射面110的变形的控制，进而可以保证反射镜冷却补偿结构可以更好地对反射面110的面形进行控制。
91.需要说明的，上述实施例中的导热件200可设置独立的机架进行安装固定，以确保导热件200不与反射镜本体100接触。
92.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
93.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。