上海光源光束线压弯机构研制

第一作者：傅 远，男，1979 年出生，2006 年于中国科学院应用物理研究所获博士学位 收稿日期：2010-07-20，修回日期：2010-08-27
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核
技
术
第 33 卷
面为一直线。四点压弯和四点圆柱压弯原理相同， 不同的是和镜子的接触面是一个平面。 压弯驱动可分为拉杆模式和千斤顶模式(图 2)， 它们的最大不同点，在于对于镜子的夹持驱动块。 拉杆模式施以垂直方向的力，通过连杆的变形引起
光束线的后置聚焦镜为超环面镜，垂直方向对 平行光聚焦，水平方向对 Wiggler 光源点聚焦，焦 点位于样品处。超环面镜的像差对聚焦光斑的形状 影响很大，由于水平和垂直方向的物距不同，单个 超环面镜的像差很难消除，但可选择像距使像差最 小。理论计算表明，对光源水平尺寸的压缩比接近 2:1；垂直方向对平行光聚焦，对光源垂直尺寸的压 缩比约为 1.5:1，可基本消除光斑垂直方向的尾巴。 除超环面镜的像差限制外，光斑的垂直方向尺寸受 准直镜和聚焦镜的子午面面形误差的影响很大。如 不考虑其他因素时，样品处光斑的垂直方向光斑尺 寸f 为： σf =[(sq/p)2+(21q)2+(22q)2]1/2 (1)
其中，σ 为面形误差，其包括静态面形误差(由镜面 加工技术决定)、 压弯与自重引起的动态面形误差以 及镜面因热载变形产生的热态面形误差。以柱面镜 为例，其自重产生的面形误差为： ΔG= –q (4x3–6lx2+ l3)/(24EI) (4)
其中，E 为柱面镜杨氏模量，I 为惯性矩，q 为镜体 单位长度自重，l 为镜长。
压弯机构设计及研制
光束线的前置准直镜为柱面面形，由平面硅基 底压弯得到柱面，满足成像光学要求的曲率半径是 15.0 km，光源对准直镜的半高宽张角仅 2.6 μrad。 准直镜出射光束角发散的主要原因是镜子的面形误 差，对于 1 m 左右长的压弯柱面镜，考虑热变形和 重力变形的影响，斜率误差可达 1–2 μrad，使光束 线能量分辨受到的影响较小。从保持出射光平行度 的考虑，要求准直镜曲率半径的误差小于 2%，计 算得到准直镜承受的最大热负载为 320 W，最大的 热负载密度为 0.02 W/mm2。采用镜子边缘水冷法， 可使压弯机构、重力和热变形造成的准直镜子午面 斜率误差的 RMS 值小于 2 rad。 为保证冷却水温度 恒定，设有冷却水循环系统。
RMS ( , )

0
l
2
( x )dx l
(5)
当 α=0.389， β=0.390 时， ΔRMS 值最小。 以 XAFS 光 束 线 准 直 镜 为 例 ， 其 尺 寸 为 1000 mm(l)×85 mm(w)×55 mm(h)。 计算得到的镜子相应长度上的面 形误差曲线见图 3。图 3 中，横坐标为 1 m 长镜子 的不同位置，纵坐标为镜子相对应位置上的理论面 形误差。加入重力补偿装置后，由镜子本身重力引 起的最大面形误差为 0.179 μrad，小于设计要求。 另外，在镜子长度和高度不变的情况下，镜子 宽为 85 mm 时，重力补偿力为 42 N，镜子压弯力 为 262 N，压弯驱动力为 97 N；镜子宽为 150 mm 时，重力补偿力为 73 N，镜子压弯力为 1156 N，压 弯驱动力为 428 N。
Fig.4
图 4 压弯机构结构图及运动坐标示意图 Structure of bending mechanism and coordinate sketch.
图 3 镜子面形误差曲线 Fig.3 Curves of mirror slope error.
研制的压弯机构如图 4 所示(去除真空室箱盖)。 其主要特点为：可进行 x( 水平面内垂直光束线方 向)、y(垂直方向)、Roll(滚角，绕 z 轴)、Pitch(投角， 绕 x 轴)、Yaw(摆角，绕 y 轴)五维自由调整。由 6 个便于独立装卸的驱动轴， 3 个底座调整结构组成， 可进行微米量级精度调整。底座调整包括整个压弯 机构在垂直方向以及平行及垂直光束线方向的调 整。底座内灌细沙以减少外部震动的影响。真空腔 内有热电偶实时测定镜子表面温度。 压弯机构根据驱动机构分为：垂直驱动机构、 水平驱动机构、压弯驱动机构。 在整个真空腔体下部安装三套垂直驱动机构。 沿光束线方向，近端装有一套垂直驱动机构，远端
压弯机构初始设计当中，需考虑镜子两端所能 承受最大弯矩 Mmax。 Mmax=EJ/R (2)
W=1–exp[–(2πθiσ)2]
(3)
其中，E 为柱面镜杨氏模量；J 为镜子截面惯性矩。 镜子弧矢方向聚焦半径 Rs=2pqsinθi/(p+q)，子午方 向聚焦半径 Rm=2pq/[(p+q)sinθi]，θi 为掠入射角。 压弯机构设计中，需考虑到以下两个重要影响 因素：表面粗糙度、面形误差。表面粗糙度对镜子 反射效率的影响可表达为：
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应用光学国家重点实验室开放基金项目(09Q33FQ091)资助
其中，s 为光源尺寸，p 为准直镜源距、q 为聚焦 镜像距，1 和2 分别为准直镜和聚焦镜的子午面面 形斜率误差。 准直镜的子午面面形斜率误差为 2 μrad，同时 考虑到单色器晶体热变形会造成光斑尺寸变大，为 得到半高宽小于 0.3 mm 的垂直光斑尺寸，要求聚 焦镜包括加工、压弯及热变形后的子午面面形斜率 误差小于 3 μrad。与准直镜机构不同的是聚焦镜不 需要水冷。 压弯机构按照压弯镜夹持机构可分为三种类型 (图 1)：U 型压弯、四点圆柱压弯、四点压弯。在 U 型压弯中， 镜子两端由 U 型块夹持住， 通过 U 型块 的移动来实现镜子的压弯。四点圆柱压弯则在镜子 的上下两端各添加一圆柱形压弯块，通过压弯块的 相对运动实现镜子的压弯，而圆柱块和镜子的接触
第 33 卷 第 10 期 2010 年 10 月
核 技 术 NUCLEAR TECHNIQUES
Vol. 33, No.10 October 2010
上海光源光束线压弯机构研制
傅 远 祝万钱 薛 松
上海 201800） （中国科学院上海应用物理研究所
摘要
文本主要讨论了上海光源首批建设的七条光束线中压弯机构的研制及运行情况。包括压弯机构在光束
在镜子的前后两端各装有一套水平驱动机构。 最大行程为±20 mm 和±40 mm。通过调整两个轴可 以使镜子进行 x、Yaw 方向的运动。整个机构处于 波纹管密封之中，和镜箱内的高真空状态隔离。此 机构左右两端固定，在电机带动下，丝杠带动机构 中间的丝母前后移动，由丝母外接的联接块，推动 整个镜子压弯机构在直线导轨上进行平台 x 方向移 动。两套水平驱动机构同时运动，可实现镜子 Yaw 自由度的调整。 在每套压弯机构的镜子前端， 设计了 PBPM(位 置探测器)， 材料为无氧铜， 由 PBPM 四象限电流信 号读出，可探测到光束相对镜子的位置，为调光提 供方便。压弯机构能防止光束直接打到镜子上，以 保护镜面。 有热负载的压弯机构(如 BL14W 光束线准直镜) 带有水冷机构， 水管材料为无氧铜。 分析结果表明， 当水流速度为 1 L/min 时，可获得满意的冷却效果。 压弯机构的控制系统基于 EPICS 的控制程序， 有可视化操作界面，操作简便易行。 2
Table 1 镜子与光源点距离 Source to mirror distance /m 掠入射角 Grazing angle /mrad 冷却方式 Cooling 工作能量范围 Operating energy range /keV 接收角(水平×垂直) Acceptance angle (H×V) /mrad2 镜子尺寸(长×宽×高) Mirror dimension (l×w×h) /mm3 有效区域(长×宽) Effective area (l×w) /mm2 反射方式 Reflective direction
压弯机构测试
用上海光源研制的长程面形仪，对镜子压弯性 能作离线测试，测得压弯力与镜子压弯半径的对应 关系，测试了压弯机构各运动部件的重复性及稳定 性[2]。表 2 是 BL14W 光束线准直镜的部分测试结 果和拟合得出镜子工作半径所需压弯力。压弯力可 通过压力传感器测出。 用激光干涉仪测试了镜子的运动重复性和分辨 率。重复用公式 δ=±(Max–Min)/2 计算，其中，Max
线中的功能，及目前所应用的压弯机构的压弯类型和驱动模式；千斤顶模式压弯机构的设计；镜子面形误差 的形成原理及采用自重平衡装置消除面形误差的方法；压弯机构各运动机构及关键部件的结构及作用；压弯 机构压弯半径的测试和拟合。最后列出了压弯机构各运动参数的设计指标及测试结果。 关键词 压弯机构，面形误差，自重平衡，压弯半径 TH6，TH12 中图分类号
第 10 期
傅 远等：上海光源光束线压弯机构研制
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为消除自重产生的面形误差，须在压弯机构上 该装置有两个支撑点 P 和 P′， 添一自重平衡装置[1]。 设支撑点间距为 b，α=P′/ρl，β=b/l，整个区间上面 形误差的均方根误差为：
装有两套垂直驱动机构。垂直驱动如出现问题时不 用破坏真空可装卸。最大行程±25 mm，附带行程开 关。通过 3 个轴的组合，可进行 y、Roll、Pitch 三 个自由度的调整。
夹持块的位移，该结构的杠杆作用提高了压弯的灵 敏度。而千斤顶模式则施以水平方向的力，直接拉 动连杆以引起夹持块的位移， 进而实现镜子的压弯。 采用该结构可实现非对称压弯，获得近似椭面。
Fig.1
图 1 压弯机构夹持类型 Holding type of the bending mechanism.
上 海 光 源 首 批 的 七 条 光 束 线 中 ， BL14W 、 BL14B、BL16B 光束线共有五台压弯机构，都采用 千斤顶模式压弯驱动，由上海光源与韩国浦项加速 器研究所(PAL)共同研制。压弯类型为四点圆柱压 弯； 镜子均平放， 反射面朝上或朝下。 BL15U、 BL17U 光束线共有二台压弯机构， 采用拉杆模式压弯驱动， 压弯类型为 U 型压弯；镜子均侧放。 以 BL14W 光束线准直镜为例，该压弯机构的