同步辐射光束线水平偏转压弯机构关键技术研究及性能测试

来源 :中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:chtg
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同步辐射装置是一种大科学装置,能同时容纳数百人进行科学和技术实验。主要由光源、光束线和实验站构成。根据实验站对光束的要求,光束线对同步辐射光源产生的同步辐射光进行偏转、准直、分光和聚焦等处理,并将同步光传输到实验站。第三代同步辐射光源具有很小的电子束发射度,使得光束以很小的掠入射角入射在光学元件上,导致成像镜面在光束传播方向的长度大幅增加,达到甚至超过1米。采用传统的磨制镜直接加工,很难得到高精度的面形。相比之下,压弯镜具有半径可调,表面精度高和易于制造等优点,从而得到广泛的应用。第三代同步辐射光源的主要特点是大量使用插入件,以波荡器为主。同步辐射装置上常规使用的压弯镜多是水平放置、光束垂直偏转,反射面朝上或者朝下。但是对于波荡器光源来说,从保持光源的横向相干性和亮度的角度看,水平偏转压弯镜更具优势,此外水平偏转压弯镜还可以在K-B聚焦镜装置中用作水平方向聚焦镜。第三代同步辐射光源对光束线的压弯准直聚焦镜提出了很高的要求,开展水平偏转压弯机构关键技术研究及性能测试,在提高压弯机构性能的同时,有助于提高光束线的通量和能量分辨率,具有极其重要的现实意义。本论文以上海光源建设中所需的水平偏转压弯镜为目标,重点研究了包括高性能水平偏转压弯机构压弯机理、补偿机制及热缓释技术等在内的关键技术,并对水平偏转压弯机构的性能测试方法进行了研究。具体研究内容如下:1)水平偏转压弯机构的受力情况较为复杂,相对于镜子所要求的极小面形误差和定位误差,镜子的性能对受力的变化是非常敏感的。本论文在研究压弯机构压弯理论的基础上,根据水平偏转压弯机构的设计指标,确定了压弯方式及压力点,使用点槽面支撑系统来实现其空间位置调节,提出了针对压弯镜自重和压弯机构自身重力的平衡补偿装置,并进行了水平偏转压弯机构的设计。2)水平偏转压弯镜压弯过程中,除了受到自身重力、平衡力和压弯力矩之外,还受到压弯机构本身结构、接触部分的摩擦以及局部变形产生的影响。这些因素导致工程分析结果与实际试验结果存在着较大的误差。为了提高分析精度,本文构建了从驱动机构、夹持机构到压弯光学元件的整体有限元分析模型,引入非线性分析的方法,模拟了水平偏转压弯机构的压弯过程,并针对压弯机构的压辊和镜面、驱动杆和动力轴等关键接触部位进行了分析,得到的模拟结果更接近实际情况。3)第三代同步辐射光源的高亮度给光束线设备带来的问题是极高的辐射功率和极高的功率密度,如何保证光学元件不受损伤并且稳定地正常工作,是需要解决的关键技术之一。对水平偏转压弯镜在热负载下的变形进行系统的分析,将热传导、热对流及热辐射三种热传递方式进行综合考虑,最大限度地模拟了该结构在热载下的真实状态。在此基础上确定了冷却方案,不仅削弱了热载效应,水平偏转压弯镜达到热平衡的时间得到大幅缩短,在提高实验效率的同时能够获得稳定有效的实验结果。4)水平偏转压弯机构的检测与安装是整个光束线安装调试的一个重要环节,而水平偏转压弯镜面形精度要求之高以及镜长的增加,都提高了检测的难度。使用上海光源自行研制的LTP-1200对水平偏转压弯镜在压弯状态下的面形进行测试,同时采用激光干涉仪、分光镜和反光镜等,搭建了一套离线检测方案对其运动精度进行精确的测量,运行稳定,各项指标均符合设计要求。本文重点针对提高水平偏转压弯机构性能的关键技术及性能检测方法进行了研究。在整个研究过程中,完成了水平偏转压弯机构的设计,对重力影响、压弯机构本身以及热载影响等做了具体的探讨和研究,并利用有限元软件模拟了系统的压弯过程与热力学过程。本文的研究成果对压弯机构的设计具有很好的参考价值,为后期光束线的工程设计提供了重要的理论依据。
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