CN105137563A - 一种分光光阑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分光光阑装置，其包括：一分光主体，其内部开设有两个彼此之间成一夹角的、用于分别供进入该分光主体的复合光束线中的两条光束通过的呈掠入射结构的通光孔，所述通光孔从所述分光主体的左端延伸至其右端，且所述两个通光孔之间的夹角与所述复合光束线中两条光束之间的夹角相同，以使每个所述通光孔的中心轴线与通过其中的所述光束的中心光线重合；一水冷却循环系统；多个准直元件；以及至少一个温度探测器。本发明通过在分光主体内设置两个通光孔，分别供复合光束线中的两条光束通过，从而实现对复合光束线的分光。本发明结构紧凑，占用空间小，且安装有专门的准直元件，方便对装置完成安装和准直。

Description

一种分光光阑装置

技术领域

本发明涉及同步辐射光源领域，尤其涉及一种分光光阑装置。

背景技术

同步辐射光是自由电子在磁场中运动时因状态(速度和方向)发生改变，沿电子运动轨迹切线方向发出的电磁波，由于光谱连续、高亮度、准直性好等特点，在物理学、化学、生命科学、信息科学、能源和环境科学等很多科学研究和高科技领域中都有广泛的应用。前端区是同步辐射装置的一个重要组成部分，既自成体系，又与多个系统相关联，其主要功能是限制同步辐射光的尺寸、探测光束位置、吸收热负载、实现下游设备安全保护、真空保护及人身保护，最终将同步辐射光传送到下游光束线。

前端区上接储存环，下连光束线，是储存环和光束线之间的一个连接纽带。一般地，一个储存环引出口只有一条光束引出，但是随着科学技术的发展和进步，开始尝试从一个储存环引出口引出有很小夹角的两条光束，这两条光束共用一个前端区，这种复合光束线称为Canted光束线。Canted前端区主要分光、限束元件的结构和性能，决定了通过前端区到达光束线的光束的性能。分光光阑作为Canted前端区的唯一的一个分光元件，它的结构和性能直接影响整个前端区设备的安全及整体布局。分光光阑安装在前端区靠近储存环出口处，用于将Canted前端区有很小夹角的两条同步辐射光束分开，使两条光束沿着不同的方向、单独的传送到下游的光束线，并吸收部分热负载、保护下游设备。

一般到达Canted前端区的光源能量是普通前端区的两倍以上，而下游光束线接收的光源能量则没有太大变化，这就意味着Canted前端区要承受更高的热负载，大大增加了前端区设计的难度。由于Canted光束线的夹角很小，前端区可供安装和操作的空间位置又非常有限，因此，如何将重合在一起的两条同步辐射光束安全、有效的分开，就成了Canted前端区需要解决的首要技术难点。

目前现有的前端区的光阑都是只有一个通光孔，用于对一束光限束、吸收热负载，最终使光束按照要求到达光束线。这种光阑只允许一束光通过，不具有分光的功能，不能用于对同时通过的两条同步辐射光束进行分光。

图1示出了现有光阑的典型结构的剖视图。文献《上海光源光束线站装置中高热载元件热缓释技术研究》(作者刘龙飞机械电子工程上海大学2006(学位年度))中介绍了图1所示的这种光阑，其包括具有一个通光孔10’的吸收主体1’以及设置在吸收主体1’内的水冷却循环系统2’，其中，通光孔10’采用掠入射设计，以供光束进入，结合水冷却循环系统2’，从而达到限制光束大小、吸收部分热负载的目的。然而，从图中可以看出这种结构只是针对单一光束(即一次仅允许一条光束通过)进行限束、保护，并不适合对Canted光束进行分光。而目前现有的光阑基本采用的都是上述这种结构。

如果不采用设备对Canted光束进行分光，而是使两条同步辐射光束按其夹角自然分开之后再对光束进行限束、探测、吸收热负载等，则需要很大的空间，并且由于光束本身的扩散性，后续使用的设备元件必然也会增大，也就增大了设备的成本与安装难度，与此同时也加大了工艺设施、安全连锁的安装与维护以及保持超高真空的工作量，这样不但增加了总体建设与维护成本，而且也加大了建设、安装空间和工人的劳动量。由于前端区其本身的特殊性，介于储存环设备和锯齿墙之间，这就限定了其非常有限的空间，也就意味着利用两条同步辐射光束的角度使其自然分开之后再对其进行后续操作的方案是不可行的。

综上所述，随着同步辐射技术的发展，如何在非常有限的空间里实现对Canted光束进行有效、安全的分光是刻不容缓需要解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种分光光阑装置，以实现在有限的空间内，安全、有效地完成对复合光束线进行分光，同时对两条光束进行有选择的限束，吸收部分热负载，保护下游设备免受同步辐射光的直接照射。

本发明所述的一种分光光阑装置，其包括：

一分光主体，其内部开设有两个彼此之间成一夹角的、用于分别供进入该分光主体的复合光束线中的两条光束通过的呈掠入射结构的通光孔，所述通光孔从所述分光主体的左端延伸至其右端，且所述两个通光孔之间的夹角与所述复合光束线中两条光束之间的夹角相同，以使每个所述通光孔的中心轴线与通过其中的所述光束的中心光线重合；

一与所述分光主体连接以对其进行冷却的水冷却循环系统；

多个固定连接在所述分光主体顶面的准直元件；以及

至少一个通过热偶座与所述分光主体连接以探测其内部温度的温度探测器；

其中，所述分光主体包括：

一具有所述通光孔的分光体，其顶面、底面、前侧面和后侧面上分别开设有一凹槽；以及

分别与所述分光体固定连接且盖在各个所述凹槽的槽口上的上盖板、下盖板、前盖板和后盖板；

所述水冷却循环系统包括：

由所述上盖板的底面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的上腔体；

由所述下盖板的顶面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的下腔体；

由所述前盖板的后侧面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的前腔体；

由所述后盖板的前侧面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的后腔体；以及

多根分别穿过所述上、下、前、后盖板与所述上、下、前、后腔体连通以通入冷却水的水管；

其中，所述上腔体与所述前腔体和后腔体中的一个连通，所述下腔体与所述前腔体和后腔体中的另一个连通。

在上述的分光光阑装置中，每根所述水管的远离所述分光主体的一端连接有一卡套穿板直通活接头。

在上述的分光光阑装置中，每个所述凹槽的槽底与所述通光孔的与该槽底相对的一个受光面之间的距离恒定。

在上述的分光光阑装置中，所述分光主体的右端面上开设有一位于两个所述通光孔的出口端之间且位于所述通光孔下方的应力释放槽。

在上述的分光光阑装置中，所述装置还包括两个分别通过一转接管固定连接在所述分光主体的左端和右端的法兰。

在上述的分光光阑装置中，所述装置还包括两个固定连接在所述分光主体的底面上的调节支撑结构。

在上述的分光光阑装置中，所述多个准直元件布置为不共线。

在上述的分光光阑装置中，所述分光主体采用弥散强化铜铝合金或者无氧铜制成。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过在分光主体内设置两个通光孔，分别供复合光束线中的两条光束通过，从而实现对复合(Canted)光束线的分光。本发明结构紧凑，占用空间小，且安装有专门的准直元件，方便对装置完成安装和准直。本发明还提供有温度探测器，可直接插入分光主体内部，从而直接、实时有效的测出装置的温度。另外，本发明还根据Canted光束线的特点，设计出全新的水冷却循环系统，从而最大限度地让冷却水与分光体相接触，提高换热效率，进而可以更快速、有效地阻止本装置因吸收热负载引起的温度上升。

附图说明

图1是现有光阑的典型结构的剖视图；

图2是本发明一种分光光阑装置的结构正视图；

图3是本发明一种分光光阑装置的部分结构分解图；

图4是本发明一种分光光阑装置的结构剖视图；

图5是本发明一种分光光阑装置的结构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图2-5所示，本发明，即一种分光光阑装置，其包括：分光主体1、水冷却循环系统2、多个准直元件3、至少一个温度探测器4、两个调节支撑结构6以及两个法兰8。

分光主体1的内部开设有两个彼此之间成一夹角的、用于分别供进入该分光主体1的复合(Canted)光束线中的两条光束通过的呈掠入射结构的通光孔10，通光孔10从分光主体1的左端延伸至其右端；在本实施例中，两个通光孔10之间的夹角根据复合(Canted)光束线中两条光束之间的夹角进行设置(两个夹角大小相同)，以使每个所述通光孔的中心轴线与通过其中的所述光束的中心光线重合；Canted光束线从分光主体1的左端进入通光孔10，并从分光主体1的右端穿出(换句话说，通光孔10的左端为入口端，右端为出口端)，从而用于将Canted前端区的几乎重合在一起的两条光束分开。同时，由于分光主体1内部采用掠入射结构，从而增大了受光面，降低了光束的功率密度，最大限度降低了分光主体1由吸收热功率而引起的温升。在本实施例中，分光主体1具体包括：

具有通光孔10的分光体11，其顶面、底面、前侧面和后侧面上分别开设有一凹槽12，其中分光体11的前后侧面和顶面作为基准面，安装调试时用于标定和准直；以及

分别与分光体11固定连接且盖在各个凹槽12的槽口上的上盖板13、下盖板14、前盖板15和后盖板16。

另外，在本实施例中，分光主体1采用高强度、高硬度、高导热性及高软化温度性能的弥散强化铜铝合金(Glidcop)或者无氧铜(OFHC)制成。

水冷却循环系统2与分光主体1连接以对其进行冷却。在本实施例中，水冷却循环系统2具体包括：

由上盖板13的底面与其对应的凹槽12的槽壁围成的上腔体；

由下盖板14的顶面与其对应的凹槽12的槽壁围成的下腔体；

由前盖板15的后侧面与其对应的凹槽12的槽壁围成的前腔体；

由后盖板16的前侧面与其对应的凹槽12的槽壁围成的后腔体；以及

多根分别穿过上、下、前、后盖板13-16与上、下、前、后腔体连通以通入冷却水的水管21(即上、下、前、后盖板13-16上开设有水管接口，以供水管21伸入)，且每根水管21的远离分光主体1的一端连接有一卡套穿板直通活接头22；

其中，上腔体与前腔体和后腔体中的一个连通，下腔体与前腔体和后腔体中的另一个连通，从而构成两进两出两路循环冷却，在本实施例中，一路水冷循环由水管21、卡套穿板直通活接头22、上腔体和后腔体组成，另一路由水管21、卡套穿板直通活接头22、下腔体和前腔体组成；另外，每个凹槽12的槽底与通光孔10的与该槽底相对的一个受光面(即通光孔10的内壁)之间的距离恒定，由此使得分光体11同一表面上凹槽12的深度随通光孔的孔径变化而变化，从而最大限度地让冷却水与分光体接触，进而可以快速、有效地将分光光阑装置的热量传导出去，确保分光主体1在正常工作时的最高温度在材料和设备整体允许的范围之内。

准直元件3直接点焊在分光主体1顶面。在本实施例中，准直元件3的数量为3个，且这3个准直元件3不共线。

每个温度探测器4通过热偶座5直接插入分光体11内部，且距离通光孔10的受光面约5-6mm，以直接、实时有效地探测其内部温度。在本实施例中，温度探测器4的数量为4个。

两个调节支撑结构6分别通过螺栓固定连接在分光主体1的底面上。

两个法兰8分别通过转接管7焊接在分光主体1的左端和右端。

本发明的工作原理如下：

本发明通过准直元件3与上下游设备安装固定好之后(通过准直元件3的校准可保证本发明的装置与其上下游设备在一条直线上)，Canted光束线从分光主体1的左端进入，经过分光体1的通光孔10内各个受光面吸收掉中心光束之外的杂散光，使两条光束的中心光按要求的尺寸通过分光体11，并分别从两个通光孔的出口端放出成为两条单独的同步辐射光。在这个过程中，由于Canted光束线的热负载较大，在限束的同时，为了避免分光光阑装置因承受热负载而致温度过高，水冷却循环系统2通过热传导，将热量传递到冷却水，并通过两路水冷循环将热量传递出去，进而起到了降低分光主体1温度的作用，避免了因分光体材料温度升高太多而造成的材料失效、结构变形等损坏。

同时在该工作过程中，分光光阑装置在对光束进行分光、限束的过程中，装置本身也吸收部分热负载，温度发生变化，因此温度探测器4可以随时读取出装置内部不同位置的温度值。

在上述具体的实施过程中，由于Canted同步辐射光束的热负载较高，功率密度较大，如果光束直接打在没有做应力保护的受光面上，很容易在分光光阑出口处受光面与非受光面的交界处形成应力集中，使分光光阑发生元件破坏，降低分光光阑的分光精度，进而影响分光光阑输出的光束尺寸。为了解决这一难题，本发明专门在分光主体1的右端面上开设有一位于两个通光孔10的出口端之间且位于通光孔10下方的应力释放槽17，从而可避免应力集中，保护分光光阑，使其避免因应力集中而产生破坏。

由上述内容可知，本发明中的分光主体可同时实现两个功能，即，既是吸收主体，又是真空腔体，且外循环直接水冷，该结构无需大真空腔放置，也避免了使用真空内水路的封接结构。同时，分光主体设定有三个基准面，并在顶面焊接多个不共线的准直元件，方便安装调试。另外，本发明的装置内部设置有水循环冷却系统及温度探测器，从而可以有效地对分光光阑装置内部不同部位的温度进行探测，同时本发明通过开设应力释放槽，以对分光主体进行应力保护，避免因应力集中使分光主体遭到破坏；且分光主体底面通过螺栓与两个调节支撑结构相连接，从而方便与装置下方的支架进行连接固定。

另外，本发明中的分光主体外形采用的是方形结构，将几个外表面设置为基准面，可方便准直元件的焊接及其它加工，而且也方便安装调试。如将分光主体的方形结构改为圆柱形结构，内部为沿着光束传递方向布置的冷却循环系统也可以实现上述的功能。

同时，本发明采用的是分光体四个外表面开槽的全封闭水冷却循环设计，这种设计可以增大同一时刻在分光主体内部的蓄水量，最大效率地利用冷却水，提高冷却速度。但是若将分光体四个外表面开槽的设计改为在分光体内部吸收面开设水冷循环管路或内部全封闭水冷循环系统改为内外循环水路循环冷却系统，这两种设计方案也都可以实现将分光体吸收的热负载传导出去。

综上所述，本发明在不增大占用空间的前提下，有效地将几乎重合在一起的两条光束按照其夹角分开，并且保证了两条光束的光束中心与两个通光孔径的中心一致，以避免阻挡两条光束的中心光通过，保证通过分光光阑的两条光束要没有安装位置上的干涉；同时在有限的范围内吸收处理了Canted光束的高热负载，并且不会引起分光光阑装置的分光体(也即吸收体)本身的温度提升过高，从而将温度控制在材料允许的范围之内。本发明结构布局紧凑，占用空间小，而且安装、拆分方便，维护方便。可用于各类Canted光束线前端区，只需要在设计时根据不同的光束线物理需要而采用不同的通光孔径即可，一经安装固定之后，可以有效地对Canted光束进行分光限束，并且吸收部分热负载，保护下游设备免受同步辐射光的直接照射。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种分光光阑装置，其特征在于，所述装置包括：

一分光主体，其内部开设有两个彼此之间成一夹角的、用于分别供进入该分光主体的复合光束线中的两条光束通过的呈掠入射结构的通光孔，所述通光孔从所述分光主体的左端延伸至其右端，且所述两个通光孔之间的夹角与所述复合光束线中两条光束之间的夹角相同，以使每个所述通光孔的中心轴线与通过其中的所述光束的中心光线重合；

一与所述分光主体连接以对其进行冷却的水冷却循环系统；

多个固定连接在所述分光主体顶面的准直元件；以及

至少一个通过热偶座与所述分光主体连接以探测其内部温度的温度探测器；

其中，所述分光主体包括：

一具有所述通光孔的分光体，其顶面、底面、前侧面和后侧面上分别开设有一凹槽；以及

分别与所述分光体固定连接且盖在各个所述凹槽的槽口上的上盖板、下盖板、前盖板和后盖板；

所述水冷却循环系统包括：

由所述上盖板的底面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的上腔体；

由所述下盖板的顶面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的下腔体；

由所述前盖板的后侧面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的前腔体；

由所述后盖板的前侧面与其对应的所述凹槽的槽壁围成的后腔体；以及

多根分别穿过所述上、下、前、后盖板与所述上、下、前、后腔体连通以通入冷却水的水管；

其中，所述上腔体与所述前腔体和后腔体中的一个连通，所述下腔体与所述前腔体和后腔体中的另一个连通。

2.根据权利要求1所述的分光光阑装置，其特征在于，每根所述水管的远离所述分光主体的一端连接有一卡套穿板直通活接头。

3.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，每个所述凹槽的槽底与所述通光孔的与该槽底相对的一个受光面之间的距离恒定。

4.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，所述分光主体的右端面上开设有一位于两个所述通光孔的出口端之间且位于所述通光孔下方的应力释放槽。

5.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，所述装置还包括两个分别通过一转接管固定连接在所述分光主体的左端和右端的法兰。

6.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，所述装置还包括两个固定连接在所述分光主体的底面上的调节支撑结构。

7.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，所述多个准直元件布置为不共线。

8.根据权利要求1或2所述的分光光阑装置，其特征在于，所述分光主体采用弥散强化铜铝合金或者无氧铜制成。