水冷双晶单色器结构的研究

　　1　引　言

　　双晶单色器是同步辐射的关键部件,其作用是将入射光单色化,通过改变入射光束与晶面的夹角(Bragg角)而改变出射单色光能量,为同步辐射实验室提供单色同步辐射光束,测定实验对象的三维复杂结构。

　　因实验分析对象的特殊性,一般要求光强尽量高,但考虑到样品的承受力,也不能过高。同步辐射入射到第1晶体上的功率密度(垂直于束流方向)通常为1 W/mm2左右,会产生较大的热变形,如果不能有效地消除将使晶体单色器的输出性能大大降低。另一方面,为了提高测试的精度须保证出射光路固定,两晶体平行。因此,要尽可能降低晶体的热变形,使其控制在允许的范围内。

　　目前已研究出许多解决热变形的方法,包括:低温冷却光学元件,并尽可能增大冷却面积;利用高传导率、低热膨胀系数的材料如硅晶体、金刚石等制作光学元件;选取理想的衍射几何形状,如晶体的非对称切割,光学元件的掠入射受光,以减少受光面的功率密度等。而目前用得最多的是低温冷却[5],采用的冷却剂有水、液态镓、液氮等。液态镓具有低气压和高热传输系数等优良性能,是一种非常好的冷却剂,但成本太高,且易与其他金属反应;液氮的低温冷却效果较好,热变形和热应力的数值与水相比较,可以降低两个数量级,但液氮也有不足,如对流换热系数是水的一半,其临界热通量(CHF)是水的1/10;液氮的正常作温度仅63~77 K;低温冷却会使晶体晶格参数发生变化。水是最常用的冷却剂,具有成本低、化学稳定性好等特点,且水冷装置简单,为此本文作了一些研究分析。

　　2　晶体热变形分析

　　晶体表面受到的热负载会使晶体内部产生很大的温度梯度,从而产生3种热变形[1],即晶体的总体弯曲,光束处造成的局部凸起及晶面间距的变形,如图1所示。其中,T1,T2为衍射面、冷却液体相接处晶面的温度,D为晶体厚度,Q为热通量。

　　2.1　晶体总体弯曲

　　在垂直光束方向上的温度梯度引起不同高度位置上的热膨胀系数不同,造成晶体总体的弯曲。曲率半径(β为线性膨胀系数)(K为热传导系数),带入上式得,

　　表明晶体总体弯曲曲率半径与晶体厚度无关,仅与晶体材料β和K及热负载有关。总体弯曲引起的衍射角变化,(ΔX为总体弯曲造成面元沿晶体表面移动距离)。

　　2.2　晶体局部凸起

　　若同步辐射功率分布成高斯形状,则局部凸起的曲率半径为[3]:

　　Q0为热通量的最大值;δ为高斯分布的标准偏差。

　　2.3　晶面间距变化

　　同步辐射引起晶面间距变化为[3]:

　　换算成衍射角变化为