直接冷却结构对晶体单色器摇摆曲线展宽的影响及其数值模拟研究

本项目以第三代同步辐射装置的建造为背景，以直接水冷却晶体单色器为研究对象，采取数值模拟和实验测试相结合的研究方法，对晶体加工过程中改变晶体光学性能的影响因素展开研究。承受高功率密度同步辐射X射线高热负载的晶体单色器，在直接冷却条件下晶体单色器的摇摆曲线展宽接近甚至超过其本征宽度的一倍（目前测量值），其中大部分是冷却结构加工过程中产生残余应变的结果。以前的数值模拟没有考虑变形晶体的达尔文宽度，只给出高热负载对晶体单色器摇摆曲线展宽的影响结果。本项目研究冷却结构对晶体达尔文宽度的影响，寻求降低冷却结构对晶体达尔文宽度和单色器摇摆曲线展宽的途径，建立变形晶体（包含高热负载和冷却结构的贡献）达尔文宽度和晶体单色器摇摆曲线宽度的预测模型。本项目的开展可为直接冷却晶体单色器的热缓释设计和性能改进提供重要的理论价值。

为了提高直接水冷晶体热缓释性能和晶体的加工工艺，降低残余应变，改善晶体单色器的分光性能，本研究取得了如下5个方面的成果。 (1)提出了一晶下部分晶体的流道结构并设计上部分晶体流道的尺寸，提出了新的加工流程和工艺。有限元热分析表明面形比目前上海光源使用的晶体提高了30%。并使用有机胶和金扩散焊两种焊接方法完成了两块直接水冷晶体的焊接，定向精度小于1′，表面粗糙度小于3Å，面形小于λ/30，从而满足了设计要求。（2）研究了不同尺寸的金刚石颗粒、不同切速比（进给速度与线速度之比值）、金刚线切割时间与不同往复切割次数对晶体色散元件表面粗糙度的影响，主要采用四种不同线径的电镀金刚石线在上述条件下做切割晶面<111>单晶硅分光晶体的实验，并实现在脆性材料单晶硅的塑性区域进行线切割加工。结果表明：在塑性区域加工单晶硅分光晶体的表面粗糙度与金刚石颗粒尺寸成正比、与切速比有密切关系，增加往复切割的次数可以有效降低分光晶体的表面粗糙度。此次研究能够给上海同步辐射光源晶体色散元件加工提供一定的参考价值。（3）提出了基于倒格矢的晶体面形评价方法。通过有限元软件计算同步辐射晶体单色器分光晶体的变形，确定晶体倒格矢的改变量，按照变形晶体光学理论预测变形晶体的Darwin宽度，建立一套预测直接水冷却晶体单色器分光性能的方法。（4）在冷却流体管道中插入铜质线圈的强化冷却方法可以较为显著地提高管道的对流换热系数，从而增强冷却效果，此法已在国际上的同步辐射光源中得以应用。根据现有相关文献，总结介绍了此种强化冷却方法，阐述该机构的关键结构参数与强化冷却工作机理，并对其在国际上各同步辐射光源的应用情况作出描述，同时指出关键技术问题与未来的发展趋势，从而为此强化冷却方法在我国同步辐射装置，特别是高能高热的第三代同步辐射装置冷却系统的应用提供前瞻与有益的探索。（5）为了降低反射镜子午方向的面形，需要冷却铜块和反射镜之间的接触区域在子午方向的长度小于光斑长度，并且通过优化接触区域的长度和宽度就可以得到更小的面形误差。使用这种方法可以使光斑上的最大温度不出在中心，而是向光斑两端移动，这从根本上改变了光斑上的温度分布，最终提高了反射镜的面形质量。