单色器水冷晶体面形误差的研究

    双晶单色器是同步辐射装置光束线中的核心部件，用以从同步辐射连续光谱中衍射出单色X光束，实现光束的高通量和高单色化，通过改变入射光束与衍射晶面间夹角而得到不同的单色光。

    第一晶体直接吸收束线大于 99%的能量^[1]，致使其表面温度升高和内部温度梯度增大，导致晶体发生整体弯曲、晶面局部隆起和晶格常数变化等热变形。其中整体弯曲影响最大，晶面局部隆起和晶格常数变化引起的衍射角改变对晶体的摇摆曲线可忽略不计^[2]。理论计算表明，第一晶体承受0.5W/mm²热负载时，晶体的面形误差急剧增至 100arcsec 以上，严重影响光束的衍射效率和通量。双晶单色器两晶体之间存在热载差，第一晶体的热载变形导致动态相位变化，与第二晶体失谐，严重影响同步光的传输效率、光通量、分辨率和本征分辨率^[3-5]。用水冷却可有效降低晶体温度，以减小热负载对光束通量和分辨率的影响。热负载是引起晶体面型变化的主要因素；晶体安装应力将引起面形变化，而降低光束质量，需要进行有效控制；水流压力和真空负压力也影响晶体的面形，在实际分析过程中需要考虑。

    单色器晶体冷却有间接冷却和直接冷却，间接水冷却法适用于热功率密度＜0.1 W/mm²，直接水冷却法适用于热功率密度 0.1~0.5 W/mm²。本文提出异型晶体结构形式，并通过 ANSYS 软件进行有限元分析，使热负载、装夹力、水流压力和真空负压力引起的面形误差得到优化。

    1 水冷却晶体结构

    1.1 晶体结构

    在直接水冷却晶体方式中，衍射晶体可以直接与支撑结构用定位夹联结^[5-8]，也有与刻槽晶体用粘接胶粘结^[9,10]，而薄晶体微通道或超微通道水冷法^[9,11]则先用粘接胶粘结后再用定位夹与支撑结构联结。这些直接冷却方式在接合处需要大范围密封，装夹力矩的均匀性不容易控制，衍射晶体面受装夹或粘接应力约束而产生表面变形等问题在本文提出的直接水冷却结构中能得到较好的解决。

    直接水冷却异型晶体结构如下：首先切制大块的单晶硅，使其顶面取向为所要求的衍射面，并使物理面和衍射面定向在要求的精度范围内；作好晶格取向记号(A衍射晶体80 mm×60 mm×11 mm和B基座晶体)后将晶体切成两半；用特制刀片在 A 衍射晶体上加工出数条冷却槽，B 作为基体，在其上加工集水槽和切割防应力槽，并完成进出水通道的制作；将衍射晶体周边和肋采用扩散焊焊接在基座晶体 B 上(图 1)。衍射晶体和基座水流通道密封相互分离，使衍射面处于无应力装夹，避免由此带来面形变化。