專利名稱：基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)械領(lǐng)域，涉及一種晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
單色器是整個(gè)同步輻射光源中最重要的裝備之一，實(shí)驗(yàn)站所需單色光波長(zhǎng)、能量分辨率、束斑大小、位置等都是由單色器實(shí)現(xiàn)或主要決定，它的分光元件的分光結(jié)果決定著實(shí)驗(yàn)站的最終成敗，而分光元件對(duì)高熱負(fù)載極其敏感，較低的功率密度都將引起非常大的分光元件形變，特別是單色器分光元件的第一衍射晶體承受著來自X射線大于99%的能量，使晶體表面溫度升高和晶體內(nèi)部的溫度梯度增大，導(dǎo)致晶體發(fā)生整體彎曲、晶面局部隆起和晶格常數(shù)變化三種熱變形，其中整體彎曲對(duì)單色器性能影響最大，晶面局部隆起和晶格常數(shù)變化引起的衍射角改變導(dǎo)致晶體的搖擺曲線變寬可以忽略不計(jì)。另外，雙晶單色器兩晶體之間存在熱載差，衍射晶體的熱載變形導(dǎo)致動(dòng)態(tài)相位變化，與第二晶體失諧，嚴(yán)重影響同步福射光的傳輸效率、光通量、分辨率和本征分辨率。因此需要對(duì)單色器的第一晶體進(jìn)行高熱負(fù)載熱緩釋研究，對(duì)衍射晶體面型進(jìn)行控制，以保證單色器的性能不被熱載變形降低。高熱負(fù)載下晶體的熱緩釋技術(shù)包括衍射晶體材料的分析、冷卻介質(zhì)的分析、冷卻方式的確定、晶體冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、晶體夾持結(jié)構(gòu)及密封等方面的技術(shù)。晶體材料分析主要從材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和屈服強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行考慮；冷卻介質(zhì)的分析主要是根據(jù)實(shí)際使用要求確定冷卻介質(zhì)，其中還包括對(duì)冷卻介質(zhì)的特殊處理等；冷卻方式方面，通常比較常用的冷卻方式是間接水冷、直接水冷、間接液氮冷卻等方式，在國外還有直接液氮冷卻、水噴射冷卻、間接液氦冷卻、切槽晶體冷卻等冷卻方式，實(shí)際應(yīng)用的冷卻方式需根據(jù)輻射熱功率和熱功率密度的大小來進(jìn)行分析；在晶體冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是對(duì)直接冷卻技術(shù)而言，關(guān)鍵是確定晶體的外形尺寸和冷卻槽的深度、寬度、槽與槽的間隔、冷卻水流速、流體和真空壓力等參數(shù)。對(duì)晶體的熱緩釋技術(shù)，目前國內(nèi)相關(guān)研究還比較少，國外的很多冷卻技術(shù)也在探索過程中，但是科學(xué)發(fā)展對(duì)同輻射光源的需求量卻是越來越大，同步輻射光源的發(fā)展也從第一代光源發(fā)展到第三代光源，甚至部分國家和地區(qū)正在研制性能更高的第四代光源，因此對(duì)同步輻射雙晶單色器中的衍射晶體熱緩釋技術(shù)的設(shè)計(jì)和研究相當(dāng)重要，在一定程度上決定著某些科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。能研制出一種滿足同步輻射實(shí)驗(yàn)需要的熱緩釋結(jié)構(gòu)，具有重要科學(xué)意義。在單色器常用冷卻方式中，直接水冷方式因其機(jī)械結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)、介質(zhì)價(jià)格便宜和冷卻效率能滿足工程需要，因此得到了比較廣泛的應(yīng)用。在直接水冷卻方式中，衍射晶體可以直接與支撐結(jié)構(gòu)裝夾在一起，中間用密封圈進(jìn)行密封，進(jìn)水口開設(shè)在支撐結(jié)構(gòu)上，冷卻水通過支撐結(jié)構(gòu)流進(jìn)衍射晶體的冷卻通道進(jìn)行冷卻；也可以把刻槽晶體分成衍射部分和基底部分，加工好衍射部分的冷卻通道后用粘接膠把兩塊晶體粘結(jié)在一起；在晶體冷卻通道上，比較常見的是平盤幾何、圓孔幾何和矩形孔幾何，圓孔冷卻渠道有較小的熱傳輸面積，但相對(duì)平盤幾何，冷卻有效傳輸面積增加了 57%，而矩形冷卻渠道相對(duì)于平盤幾何增加了 5倍，但這三種冷卻幾何都有一定的局限性，即冷卻性能不高。另外，直接冷卻方式在接合處需要大范圍密封，裝夾力矩的均勻性不容易控制，容易導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，從而增加晶體的面形形變誤差。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種具有冷卻效率高、密封性能好、裝夾應(yīng)力變形小、冷卻腔內(nèi)外壓力差引起的面形誤差小以及加工工藝性好的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)包括衍射晶體以及基座晶體；所述衍射晶體開設(shè)有異型熱緩釋溝槽，背面為具有精密面形的衍射面；所述基座晶體上開設(shè)有卸荷槽、進(jìn)水口、出水口以及集水箱；所述進(jìn)水口通過集水箱、衍射晶體的異型熱緩釋溝槽與出水口相貫通；所述衍射晶體與基座晶體通過高溫?cái)U(kuò)散焊接成組合晶體。上述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括連接桿以及不銹鋼晶體夾持座；所述不銹鋼晶體夾持座通過連接桿夾持組合晶體；所述連接桿使用熱膨脹系數(shù)與晶體熱膨脹系數(shù)相似的材料，當(dāng)晶體為Si (111)時(shí)，所述連接桿使用鈦合金。上述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括壓制在衍射晶體上的壓板。上述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在不銹鋼晶體夾持座與基座晶體之間的密封圈；所述密封圈使用耐高溫、耐高真空、耐老化性能等良好的氟橡膠。上述衍射晶體以及基座晶體均是Si (111)晶體或其它材料的同步輻分光用單晶體。上述異型溝槽是平行于入射光的半月形冷卻水槽，槽深10mm，水槽寬3. 5mm，肋寬1.5mm ;所述半月形溝槽的頂部有28_長(zhǎng)的平坦區(qū)，所述半月形溝槽的頂部的衍射面厚度為 O. 8mm。上述基座晶體的四周刻有卸荷槽；所述卸荷槽是寬2mm和深2mm的切槽。上述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括冷卻水管，冷卻水管內(nèi)水壓小于
O.6MP，流量小于lL/s。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型提供了一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用材料相同的兩塊晶體，在衍射晶體背面切割異型溝槽水槽，基座晶體上開設(shè)進(jìn)水口和集水箱，最后通過高溫?cái)U(kuò)散焊工藝將加工好的異型溝槽衍射晶體和基座晶體焊接成組合晶體，這種結(jié)構(gòu)具有冷卻效率高、密封性能好、裝夾應(yīng)力變形小、冷卻腔內(nèi)外壓力差引起的面形誤差小且加工工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，且異型溝槽衍射晶體通過高溫?cái)U(kuò)撒焊接在基座晶體上，上下晶體材料屬性一致，避免了因受熱時(shí)材料不同而帶來的不同膨脹變形，降低了因膨脹受熱而導(dǎo)致的晶體面形誤差；異型溝槽晶體采用背面開槽形成異型溝槽水流通道，通過仿真優(yōu)化異型溝槽的參數(shù)可以得到最優(yōu)冷卻結(jié)果，在基座晶體四周開設(shè)卸荷槽，減少裝夾應(yīng)力傳遞到異型晶體的晶體衍射面；采用壓板屏蔽X射線對(duì)水管密封氟橡膠圈的老化作用，延長(zhǎng)了密封圈的使用周期且密封可靠。采用材料熱膨脹系數(shù)和Si (111)相似的鈦合金連接桿，晶體受熱時(shí)膨脹變形量和鈦合金連接桿變形量相差不大，減小了因熱膨脹而帶來裝夾力過大導(dǎo)致的衍射晶體面附加變形。

圖1是本實(shí)用新型所提供的基于異型溝槽晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)裝配圖；圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1-異型溝槽晶體；2_基座晶體；3_密封圈；4_不銹鋼晶體夾持座；5_壓板；6_連接桿；7_水管。
具體實(shí)施方式
參見圖1以及圖2，本實(shí)用新型提供了一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括異型槽衍射晶體1、基座晶體2、密封圈3、不銹鋼晶體夾持座4、壓板5、連接桿6和水管7 ;衍射晶體開設(shè)一定尺寸的異型溝槽，基座晶體2開設(shè)進(jìn)出水口和集水箱，兩塊晶體采用擴(kuò)散焊接法焊接成組合晶體，此處為本實(shí)用新型的關(guān)鍵技術(shù)所在；衍射晶體和基座晶體焊接完成后，裝夾在兩塊不銹鋼晶體夾持座上，通過連接桿夾緊，并用壓板壓緊；水管焊接在不銹鋼基座上，通過密封圈使其與基座晶體連接進(jìn)行密封。衍射晶體的背面為具有精密面形的衍射面；精密面形是指具有平整的晶格面、粗糙度是納米級(jí)以及平面度在微米級(jí)的面形。異型溝槽衍射晶體是Si (111)晶體或者其他材料單晶體，采用在晶體內(nèi)部沿子午方向(即與入射光平行的方向)刻制半月形冷卻水槽的直接水冷方式。衍射晶體尺寸的大小要滿足最大接受角的要求，若已知入口處光束橫截面尺寸為
D，可計(jì)算出晶體幾何尺寸。晶體長(zhǎng)度為:L >θπ*使晶體具有最大長(zhǎng)度的極限
Bragg角，晶體的寬度為:W > H，H為入口光束的水平寬，為了方便冷卻和裝夾的實(shí)現(xiàn)，對(duì)得到的L和W進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼箤捈纯纱_定晶體尺寸。近幾年隨著第三代光源的陸續(xù)建造，矩形及其變形冷卻幾何是光束線元件主要的冷卻結(jié)構(gòu)方式。對(duì)此本實(shí)用新型采用變形冷卻幾何的異型溝槽作為冷卻幾何結(jié)構(gòu)。變形冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定冷卻槽的結(jié)構(gòu)形式、槽的深度、寬度、槽與槽的間隔、冷卻水進(jìn)出口中心和水槽的夾角以及冷卻水溫、流速等參數(shù)。帶異型溝槽的衍射晶體:衍射晶體的正面是工作面，加工后用化學(xué)方法進(jìn)行拋光且化學(xué)腐蝕去應(yīng)力，用來對(duì)同步輻射X射線進(jìn)行衍射，提取單一波長(zhǎng)的X光；背面開設(shè)了異型溝槽,通過大量有限元仿真分析,異型溝槽晶體刻槽深10mm，水槽寬3.5mm，肋寬1.5mm,半月形溝槽的頂部有28_長(zhǎng)的平坦區(qū)，該段的衍射面厚度為0.8_，得到了最佳冷卻效果?；w是Si (111)晶體或者其他材料的單晶體，在背面開槽形成水流通道和集水箱，兩側(cè)開有四個(gè)流水孔，流水孔通過O型密封圈與水管形成密封通道，可使拆卸更換方便。側(cè)面流水孔的尺寸和不銹鋼水管尺寸相同，積水箱的長(zhǎng)度以覆蓋衍射晶體異型溝槽的所有流水溝槽為準(zhǔn)，寬度保證集水箱的通流能力和不銹鋼水管相同，在基座晶體的四周刻有2mm寬2mm深的卸荷槽，起應(yīng)力緩沖作用。[0027]采用擴(kuò)散焊接特殊工藝:將基座晶體在真空室內(nèi)部加溫到500°C，保溫8小時(shí)；在基座晶體鍍一層純度高達(dá)99.9%的金箔，加壓至0.2MPa/mm2，將異型溝槽晶體焊接在基座晶體上。此擴(kuò)散焊接工藝在日本已是成熟技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于晶體焊接，它具有應(yīng)力小，牢固性強(qiáng)，防泄漏等特點(diǎn)。密封圈用來對(duì)水流通道進(jìn)行密封，一般為O型氟橡膠密封圈。密封圈通過連接桿提供的壓力對(duì)晶體和不銹鋼夾持座之間的水流通道進(jìn)行密封。不銹鋼晶體夾持座為兩塊相同結(jié)構(gòu)的不銹鋼夾持座，開有四個(gè)光孔和四個(gè)水管孔。連接桿穿過四個(gè)光孔對(duì)晶體進(jìn)行夾緊，夾緊力不能過大，否則將使晶體受力過大而產(chǎn)生附加的衍射面變形，從而無法達(dá)到設(shè)備需求的面型精度。壓板為不銹鋼壓板，主要作用為壓緊晶體，防止晶體在使用過程中松動(dòng)；對(duì)整個(gè)晶體夾持座及其附件起屏蔽作用，防止X射線對(duì)氟橡膠圈的損傷老化，從而引起密封部位漏水，污染真空環(huán)境。連接桿為鈦合金連接桿，不銹鋼夾持座通過鈦合金連接桿來定位和夾緊晶體。連接桿使用鈦合金的主要原因是鈦合金的熱膨脹系數(shù)和硅單晶的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，當(dāng)晶體受熱膨脹時(shí)，鈦合金連接桿也受熱膨脹，減少因晶體受熱膨脹而帶來的附加應(yīng)力。水管是真空用不銹鋼硬管。水管在出、入水口處用真空釬焊將不銹鋼硬管和不銹鋼夾持座焊接，與衍射晶體的冷卻通道聯(lián)結(jié)形成密閉通道。在不銹鋼硬管的另外一段焊接液壓波紋管，不規(guī)則水流造成的振動(dòng)可以通過不銹鋼波紋管增大振動(dòng)阻尼，或在晶體水路通道中增大孔徑降低水壓的方法來抑制。但流速過大容易將水流振動(dòng)通過不銹鋼波紋管傳遞到晶體調(diào)節(jié)臺(tái)上，需要計(jì)算選擇合適的管徑。當(dāng)冷卻水流速S lm/s,冷卻水流量Q:0 51/min時(shí)，由公式Q= JiD2.S/4，
可以求得管徑
權(quán)利要求1.一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)包括衍射晶體以及基座晶體；所述衍射晶體開設(shè)有異型熱緩釋溝槽，所述衍射晶體的背面為具有精密面形的衍射面；所述基座晶體上開設(shè)有卸荷槽、進(jìn)水口、出水口以及集水箱；所述進(jìn)水口通過集水箱、衍射晶體的異型熱緩釋溝槽與出水口相貫通；所述衍射晶體與基座晶體通過高溫?cái)U(kuò)散焊接成組合晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括連接桿以及不銹鋼晶體夾持座；所述不銹鋼晶體夾持座通過連接桿夾持組合晶體；所述連接桿是使用熱膨脹系數(shù)與晶體熱膨脹系數(shù)相似的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括壓制在衍射晶體上的壓板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在不銹鋼晶體夾持座與基座晶體之間的密封圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述衍射晶體以及基座晶體均是Si (111)晶體或其它材料的同步輻射分光用單晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述異型溝槽是平行于入射光的半月形冷卻水槽；槽深10mm，水槽寬3.5mm，肋寬1.5mm ;所述半月形溝槽的頂部設(shè)置有28_長(zhǎng)的平坦區(qū)；所述半月形溝槽的頂部的衍射面厚度為0.8_。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基座晶體的四周刻有卸荷槽，所述卸荷槽是寬2mm和深2mm的切槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié) 構(gòu)還包括冷卻水管。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括衍射晶體以及基座晶體；衍射晶體開設(shè)有異型熱緩釋溝槽，衍射晶體的背面為具有精密面形的衍射面；基座晶體上開設(shè)有卸荷槽、進(jìn)水口、出水口以及集水箱；進(jìn)水口通過集水箱、衍射晶體的異型熱緩釋溝槽與出水口相貫通；衍射晶體與基座晶體通過高溫?cái)U(kuò)散焊接成組合晶體。本實(shí)用新型提供了一種具有冷卻效率高、密封性能好、裝夾應(yīng)力變形小、冷卻腔內(nèi)外壓力差引起的面形誤差小以及加工工藝性好的基于異型溝槽的晶體熱緩釋結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01J3/18GK202916010SQ20122061517
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者趙相國, 江波, 周泗忠, 郭治理, 靳虎敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所