CN110618516B

CN110618516B - 用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置

Info

Publication number: CN110618516B
Application number: CN201910904599.4A
Authority: CN
Inventors: 卢启鹏; 赵晨行; 宋源; 彭忠琦; 龚学鹏; 王依; 徐彬豪; 张振
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: CN110618516A

Abstract

本发明涉及同步辐射光束线KB聚焦设备技术领域，具体为用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置；本发明要解决反射镜的自重对其面形形成影响，导致面形误差较高的技术问题。该装置具体包括：架体结构用以搭载一用于超高真空中的反射镜；压电陶瓷单元可用以对反射镜的底面形成支撑，多个球头支撑单元可用以配合压电陶瓷单元对反射镜的底面形成支撑，在工作状态时，一组压电陶瓷单元可在其对应的位置对反射镜施加一可调整的作用力，从而实现调节反射镜的面形；至少两组第一夹持单元在工作状态时相互配合形成夹持用以补偿反射镜的自身重力；和至少包括两个第二夹持单元和第一夹持单元相互配合，以在反射镜的宽度方向形成弹性夹持。

Description

用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置

技术领域

本发明涉及同步辐射光束线KB聚焦设备技术领域，特别涉及用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置。

背景技术

现行方式中，同步辐射光源是公知的理想型光源，在众多领域广泛应用。在该技术的不断改进中，对于同步辐射的能量、分辨率和束斑尺寸等提出了更高要求。

超高真空指反射镜在1×10e^-9的真空环境，基于该环境下反射镜是同步辐射光束线的核心部件，可实现聚焦、光束线偏转、准直、过滤功率及抑制高次谐波等功能，其面形精度对光束质量起着至关重要的作用。同步辐射光多为掠入射，反射镜的长度可达100cm，反射镜镜面的面形受到反射镜镜体自重影响较大。因此，需要对反射镜进行重力补偿，减小反射镜镜体自重带来的面形误差。

现有技术中，解决对反射镜进行重力补偿，减小反射镜镜体自重带来的面形误差的问题时，一般机构、装置通常使用反向补偿方式降低镜体自重对面形误差的影响，例如如下方式：

首先，在反射镜的底面设置支撑结构；再应用“有限元方法”分析出利用此支撑机构的支撑方式下的反射镜镜面曲线；最后，通过加工过程中，将镜面变形曲线转变为反向补偿加工量。

但是，实施该现有技术受限于有限元分析精度及镜子加工人员的操作经验。另外，目前也有采用对反射镜两端夹持固定，沿着反射镜长度方向设置多个重力补偿调节机构，但在实际操作过程中，因随机因素较多、操作环节复杂，较难有效控制镜子面形误差。

发明内容

本发明要解决现有技术中反射镜的自重对其面形形成影响，导致面形误差较高的技术问题，并基于解决此问题提出了用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，包括：

架体结构，其用以搭载一用于超高真空中的反射镜；

压电陶瓷单元，可用以对所述反射镜的底面形成支撑，并具有一个第一支撑位，所述第一支撑位对应所述反射镜的一个贝塞尔点；

多个球头支撑单元，可用以配合所述压电陶瓷单元对所述反射镜的底面形成支撑，并对应形成多个第二支撑位；

多个所述第二支撑位对应所述反射镜的多个贝塞尔点；

其中，所述压电陶瓷单元具有一工作状态；

在所述工作状态时，一组所述压电陶瓷单元可在其对应的所述第一支撑位对所述反射镜施加一可调整的作用力，以使得所述反射镜位于该第一支撑位上的高度可上下调节，从而实现调节所述反射镜的面形；

至少包括多个第一夹持单元；

其中，至少两组所述第一夹持单元在所述工作状态时相互配合，以在所述反射镜的长度方向形成夹持，并用以补偿所述反射镜的自身重力；以及

第二夹持单元；

至少包括两个沿所述反射镜长度方向的一侧布置的所述第二夹持单元和两个沿所述反射镜长度方向的另一侧布置的所述第一夹持单元相互配合，以在所述反射镜的宽度方向形成弹性夹持。

具体地，所述架体结构具有：第一承载台，其水平设置，并沿所述架体结构的长度方向设置；

其中，所述第一承载台的中部形成一中空区域，以将所述第一承载台分隔成两组相同的承载部；

其中，两组所述承载部可部分支撑所述反射镜，且所述反射镜被任一一组所述承载部支撑的部分包括所述反射镜的贝塞尔点。

具体地，所述架体结构还具有：

四个安装位，任一一组所述承载部沿其长度方向布置所述安装位，所述安装位为一以竖直方向设置安装孔，所述安装孔内安装有所述压电陶瓷单元或者所述球头支撑单元；

其中，所述安装孔对应所述反射镜的贝塞尔点。

具体地，所述压电陶瓷单元包括：

球形体，其为不锈钢球，且其上端点为所述第一支撑位；

压电陶瓷件，其设置在所述球形体的下方，且其上端形成有一凹陷的半球槽，所述球形体安装在所述半球槽内；

其中，所述压电陶瓷件固定在所述安装孔内；

其中，所述压电陶瓷件用以在接通电源后通过电压增加或者减小以驱动所述球形体沿所述安装孔向上或者向下移动；以及

固定在所述安装孔内、位于所述压电陶瓷件下方，以实现对该安装孔上对应的所述第一支撑位进行压力检测的第一压力传感器。

具体地，所述球头支撑单元包括：

球头柱塞，其一端球头，另一端为柱塞体，所述球头可在所述柱塞体上任意转动，所述球头的上端为所述第二支撑位；

其中，所述球头柱塞固定在所述安装孔内；

第二压力传感器，其固定在所述安装孔内，并位于所述柱塞球头的下方，其用以实现对该安装上对应的所述第二支撑位进行压力检测。

具体地，还包括有安装位锁紧件；

所述安装位锁紧件用以将所述压电陶瓷单元或者所述球头支撑单元锁紧在对应的所述安装位上；

所述安装位锁紧件包括：

座体螺纹孔，其开设在任一一组所述承载部的一侧，且其与相邻的所述安装孔连通；

座体紧固杆，其与所述座体螺纹孔螺纹连接，且其旋入端为球头；

座体螺母，其通过螺纹连接在所述座体紧固杆上，且其与所述承载部的一侧贴合时为一锁紧状态。

具体地，所述第一夹持单元包括：

安装板，其下端可安装在所述架体结构上，并与所述反射镜相邻；

安装螺纹孔，所述安装板的板面上开设有所述安装螺纹孔；

夹持凸台，其一端用以接触所述反射镜的侧面；

安装螺纹杆，其一端与所述夹持凸台连接，其另一端通过螺纹连接有一安装螺帽；

凸台结构，其形成在所述安装螺纹孔朝向所述反射镜的一侧，所述夹持凸台随所述安装螺纹杆的旋转动作可部分置于所述凸台结构内。

具体地，所述安装板包括第一安装板和第二安装板；

其中，两组所述第一安装板分别安装在沿所述架体结构长度方向的两端；

其中，在一组所述承载部上至少间隔安装两组所述第二安装板。

具体地，所述第二夹持单元包括：

第三安装板，其与所述反射镜相邻设置；

所述第二安装板相对一侧的所述承载部上一一对应地安装所述第三安装板；

通孔结构，其为沿水平方向在所述第三安装板上开设的、且带有螺纹的孔，且该孔的两端别形成有直径大于所述孔的第一凸台和第二凸台；

其中，所述第一凸台靠近所述反射镜设置；

第三螺母，其嵌入在所述第一凸台内；

第三螺纹杆，其一端为球头，其另一端为一凸缘；

第四螺母；

弹性板，所述第三螺纹杆自所述通孔结构内穿过，其穿出的一端依次连接所述第三螺母、所述弹性板以及所述第四螺母。

具体地，本发明还包括一种通过所述第一支撑位与其相邻布置在同一承载部上的所述第二支撑位的间距；和

通过另一承载部上布置的两组相邻的所述第二支撑位之间的间距以获得所述反射镜在调整后的均方根误差最小为的方法，包括如下步骤：

S101、将第一支撑位与其相邻布置在同一承载部上的所述第二支撑位；或者

另一承载部上布置的两组相邻的所述第二支撑位定义为两组支撑位；

S102、以两组所述支撑位将所述反射镜以所述反射镜长度方向进行分段，并在分段处标记多个形变量V(x)，并通过如下方式：

至少两组支撑位至少在所述反射镜的两端，并在竖直方向标记的有两组第一形变量标记，其为V(x,y)；

至少两组支撑位均不在所述反射镜的两端，并在竖直方向上的标记的第二形变量标记，其为V₁(x,y)，；以及

所述反射镜的上表面标记的第三形变量，其为y；

其中，所述第三形变量y＝-C；

S102、基于有限元仿真模拟方法，并根据所述第一形变量标记、第二形变量标记和所述第三形变量通过计算过程得出多个反射镜面形均方根方差值RMS；

多个所述反射镜面形均方根方差值RMS至少包括：

第一面形均方根方差值，其以所述支撑位分别位于所述反射镜(100)的两端时，通过所述计算过程获得；

第二面形均方根方差值，其基于梁结构弯曲理论通过所述计算过程获得；

第三面形均方根方差值，其基于平面应力理论通过所述计算过程获得；

S103、基于有限元分析工具，将所述第一面形均方根方差值、所述第二面形均方根方差值和所述第三面形均方根方差值建立一所述反射镜四点支撑的三维模型；

S104、基于贝塞尔理论的支撑位之间的范围区间，通过所述有限元仿真处理所述三维模型，得到一反射镜子午方向面形均方根误差曲线；

其中，所述反射镜子午方向面形均方根误差曲线具有一最小值；

所述最小值为0.0808urad，所述最小值对应所述贝塞尔理论的两组所述支撑位之间的范围为一点值，所述点值为246mm；

其中，定义为两组所述支撑位之间的间距为246mm。

本发明具有以下的有益效果：

第一方面，有效地减小了反射镜的面形产生的误差，提高了调解精度，具体为，理论上：当反射镜无支撑时，其理论面形斜率误差的方差为1.6139urad；

在实际使用时，将反射镜安装在本发明提出的的装置上后，经过有一限元模拟，其面形斜率误差的方差减小为0.087urad，理论最小值为0.0808urad。

第二方面，本装置使用压电陶瓷单元作为面形调整主要技术手段，通过调节输入电压的大小精确地调整支撑点的高度，根据第一压力传感器、第二压力传感器的反馈作为调整第二夹持单元的依据，保证作用力的均匀，提高反射镜的面形精度。

第三方面，本装置反射镜周向设置辅助夹持位置，通过设置第一夹持单元、第二夹持单元实现防止反射镜窜动、倾斜。此外，还采用弹性夹持，可以根据实际情况调整夹持力的大小。在同步辐射光束线KB聚焦系统中使用压电陶瓷技术，可有效的补偿反射镜自重对面形的影响，精确地对反射镜面形进行调整。

第四方面，本发明中涉及的方法在指导实践时，提出了更加精确的间距距离，进一步缩小了范围，使面形均方根误差更接近最小值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一俯视图；

图2为本发明的架体结构宽度方向的一侧视剖面的示意图；

图3为本发明的第二夹持单元的结构示意图；

图4为本发明的架体结构长度方向的一侧视的示意图；

图5为反射镜尺寸和形变量标记示意图；

图6为横梁弯曲理论和平面应力理论得出的反射镜下表面形变量；

图7为子午方向支撑间距为240～250mm时反射镜底面在竖直方向上的形变量；

图8为子午方向支撑间距为240～250mm的斜率误差RMS曲线；

图9为本发明的中涉及方法步骤的示意图。

图中的附图标记表示为：

反射镜100、架体结构10、压电陶瓷单元20、球头支撑单元30、第一支撑位A1、第二支撑位A2、第一夹持单元40、第二夹持单元50；

第一承载台110、承载部111、第二承载台120、安装孔140；

球形体210、压电陶瓷件211、第一压力传感器213；

球头柱塞310、第二压力传感器311；

安装位锁紧件60、座体螺纹孔610、座体紧固杆620、座体螺母630；

安装螺纹孔413、夹持凸台414、安装螺纹杆415、安装螺帽416、

凸台结构417、第一安装板411、第二安装板412；

第三安装板510、通孔结构520、第一凸台521、第二凸台522、第三螺母530、第三螺纹杆540、第四螺母550、弹性板560。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明要解的技术问题是提出一种精确的、有效可靠的解决反射镜100在KB聚焦系统中其自身重量带来面形误差，提供一个稳定重力补偿的装置。在具体实施方式为，请参阅附图1、2所示，用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，该装置包括：架体结构10，其用以搭载一用于超高真空中的反射镜100；压电陶瓷单元20，可用以对反射镜100的底面形成支撑，并具有一个第一支撑位A1，第一支撑位A1对应反射镜100的一个贝塞尔点；架体结构10用作搭载反射镜100，反射镜100可由单晶硅制作，该架体结构由316L材质加工制成，并可置于KB聚焦系统中；压电陶瓷单元20为反射镜100下表面的一个支撑位，该支撑位为第一支撑位A1。

多个球头支撑单元30，可用以配合压电陶瓷单元20对反射镜100的底面形成支撑，并对应形成多个第二支撑位A2；多个第二支撑位A2对应反射镜100的多个贝塞尔点；其中，第一支撑位A1和与至少三个第二支撑位A2可共面；反射镜100的其他支撑点由球头支撑单元30提供，具体为多个第二支撑位A2；需要说明的是，第二支撑位A2和第一支撑位A1，实际上提供的支撑效果以以位置点的形式表现，因此，可以理解为第一支撑位A1和与至少三个第二支撑位A2可共面，在反射镜100四周行程支撑作用。

压电陶瓷单元20具有一工作状态；该工作状态为压电陶瓷单元20被一电源供电，此时压电陶瓷单元20被驱动后，可以产生在第一支撑位A1上施加作用力，以使反射镜100在第一支撑位A1上的高度可上下调节，具体为：在工作状态时，一组压电陶瓷单元20可在其对应的第一支撑位A1对反射镜100施加一可调整的作用力，以使得反射镜100位于该第一支撑位A1上的高度可上下调节，从而实现调节反射镜100的面形；而其他球头支撑单元30在对应的第二支撑位A2上作为支撑。电介质在电场作用下，有两种效应：压电效应与电致伸缩效应。压电效应，即电介质在机械应力作用下产生电极化，电极化的大小和应力成正比。在微位移器件/驱动器中，应用的是逆压电效应，即电介质在外电场的作用下产生应变，应变大小和电场大小成正比，方向与电场方向有关。

在本实施方式中，为了补偿反射镜100的自重，还采用了夹持部件夹持在反射镜100的周向，具体地：至少包括多个第一夹持单元40；其中，至少两组第一夹持单元40在工作状态时相互配合，以在反射镜100的长度方向形成夹持，并用以补偿反射镜100的自身重力；需要理解的是：“在反射镜100的长度方向形成夹持”指在反射镜100长度的两端，这样设计的目的在于提供一个有效的辅助夹持的方式，以获得反射镜100自身重力补偿的技术效果。

另外，还包括另一种夹持部件，为第二夹持单元50，目的在于实现一个具有弹性夹持的技术效果，以实现在工作状态时可以调整夹持力的大小，该技术方案为：通过设置第一夹持单元40和第二夹持单元50配合以实现该效果；在具体实施时，至少包括两个沿反射镜100长度方向的一侧布置的第二夹持单元50和两个沿反射镜100长度方向的另一侧布置的第一夹持单元40相互配合，以在反射镜100的宽度方向形成弹性夹持；可以理解的是，弹性夹持的作用是在反射镜100宽度的两端，沿长度方向布置第一夹持单元40和第二夹持单元50实现的，采用该方式可以在工作状态实时调整，并且的调整过程方便快捷。

在一个具体的实施例中，请参阅附图2所示，架体结构10具有：第一承载台110，其水平设置，并沿架体结构10的长度方向设置；其中，第一承载台110的中部形成一中空区域，以将第一承载台分隔成两组相同的承载部111；其中，两组承载部111可部分支撑反射镜100，且反射镜100被任一一组承载部111支撑的部分包括反射镜100的贝塞尔点。第一承载台110分成两部分的目的在于，为了便于布置压电陶瓷单元20、球头支撑单元30、第一夹持单元40和第二夹持单元50，以使该装置易于制造和安装其他单元或者部件，尤其是压电陶瓷单元20、球头支撑单元30需要对应设置在反射镜100的贝塞尔点上。

在一个实施例中，请参阅附图1、2所示，架体结构10还具有：四个安装位，任一一组承载部111沿其长度方向布置安装位，安装位130为一以竖直方向设置安装孔140，安装孔140内安装有压电陶瓷单元20或者球头支撑单元30；其中，安装孔140对应反射镜100的贝塞尔点。

在一个具体的实施方式中，请参阅附图2所示，压电陶瓷单元20包括：球形体210，其为不锈钢球，且其上端点为第一支撑位A1；压电陶瓷件211，其设置在球形体210的下方，且其上端形成有一凹陷的半球槽212，球形体210安装在半球槽212内；压电陶瓷件211固定在安装孔140内，压电陶瓷件211用以在接通电源后通过电压增加或者减小以驱动球形体210沿安装孔140向上或者向下移动；以及固定在安装孔内、位于压电陶瓷件211下方，以实现对该安装孔140上对应的第一支撑位A1进行压力检测的第一压力传感器213；第一压力传感器213可以检测到在第一支撑位A1上受力的大小，并可以通过连接其他仪器实现实时显示，在实际应用时，可以根据第一压力传感器213显示出的数值作为反射镜100面形调整的依据，从而使调整过程简单、快捷。

压电陶瓷单元20的工作过程的具体解释为：压电陶瓷单元20是通过在外加电场作用下产生微位移。单层陶瓷片的变形量很小，可以通过增加陶瓷片的厚度和提高外加电压来增加陶瓷片的变形量。由于对外加控制电压来说，每个压电陶瓷片就相当于一个平行板电容器，在过高的电场下使用压电陶瓷片会被击穿，另外压电陶瓷微位移器的应用往往要求其结构尺寸尽可能的小。所以在实际应用中，为了在较低工作电压下获得较大的变形位移量，通常采用多层的压电陶瓷片堆叠结构，在本申请中多层的压电陶瓷片堆叠结构相当于所述压电陶瓷件211。

在一个具体的实施例中，请参阅附图2所示，球头支撑单元30包括：球头柱塞310，其一端球头，另一端为柱塞体，球头可在柱塞体上任意转动，球头的上端为第二支撑位A2；其中，球头柱塞310固定在安装孔内；第二压力传感器311，其固定在安装孔140内，并位于柱塞球头310的下方，其用以实现对该安装140上对应的第二支撑位A2进行压力检测。应当理解的是球头相对于柱塞体而言是转动的，该转动的效果的实现基于反射镜100由压电陶瓷单元20在反射镜100的竖直方向进行的高度调节，当反射镜100与球头的接触位于第二支撑位A2，可以理解的是，球头支撑单元30对于反射镜100的支撑的实际点位在球头转动时是变化的，但是该支撑类型的所在位置是确定的，即为第二支撑位A2.

在一个具体的实施例中，请参阅附图3所示，还包括有安装位锁紧件60；安装位锁紧件60用以将压电陶瓷单元20或者球头支撑单元30锁紧在对应的安装位上；安装位锁紧件60包括：座体螺纹孔610，其开设在任一一组承载部111的一侧，且其与相邻的安装孔140连通；座体紧固杆620，其与座体螺纹孔610螺纹连接，且其旋入端为球头；座体螺母630，其通过螺纹连接在座体紧固杆620上，且其与承载部111的一侧贴合时为一锁紧状态。安装位锁紧件60的主要作用是防止安装后的压电陶瓷单元20或者球头支撑单元30发生窜动，以实现保持整个装置相对稳固、防止单元或者部件松动的技术效果。

在一个具体的请参阅附图1-4所示，第一夹持单元40包括：安装板411、412，其下端可安装在架体结构10上，并与反射镜100相邻；安装螺纹孔413，安装板410的板面上开设有安装螺纹孔413；夹持凸台414，其一端用以接触反射镜100的侧面；安装螺纹杆415，其一端与夹持凸台414连接，其另一端通过螺纹连接有一安装螺帽416；凸台结构417，其形成在安装螺纹孔413朝向反射镜100的一侧，夹持凸台414随安装螺纹杆415的旋转动作可部分置于凸台结构417内。

请参阅附图3所示，安装板411、412包括第一安装板411和第二安装板412；其中，两组第一安装板411分别安装在沿架体结构10长度方向的两端；其中，在一组承载部111上至少间隔安装两组第二安装板412。第一夹持单元40需要两组配合使用防止镜子窜动、倾斜；另外，在配合以一组第一夹持单元40和一组第二夹持单元50配合使用，使得能够在工作状态对反射镜100进行重力补偿，减小镜体自重带来的面形误差。

进一步地，为了实现弹性夹持的技术效果，以便该装置在工作状态时能够实现实施调节，在一个事实方式中，请参阅附图1-4所示，第二夹持单元50包括：第三安装板510，其与反射镜100相邻设置；第二安装板412相对一侧的承载部111上一一对应地安装第三安装板510；通孔结构520，其为沿水平方向在第三安装板510上开设的、且带有螺纹的孔，且该孔的两端别形成有直径大于孔的第一凸台521和第二凸台522；

第一凸台521靠近反射镜100设置；第三螺母530，其嵌入在第一凸台521内；第三螺纹杆540，其一端为球头，其另一端为一凸缘；第四螺母550；弹性板560，第三螺纹杆540自通孔结构520内穿过，其穿出的一端依次连接第三螺母530、弹性板560以及第四螺母550。具体地，实现弹性夹持的原理为：设置的弹簧板560，该弹簧板560优选地，由铍青铜制作。铍青铜是以铍为基本合金元素的铜基合金材料，具有高的强度、硬度和弹性极限，弹性滞后小，稳定性好，并且具有耐疲劳、耐腐蚀、耐磨、无磁性、高导电导热性等一系列优良的综合性能，广泛用于制作各种高级弹性元件，可大大提高构件的工作可靠性、稳定性，延长其使用寿命。

请参阅附图9，本发明还包括一种通过所述第一支撑位与其相邻布置在同一承载部上的所述第二支撑位的间距；和通过另一承载部上布置的两组相邻的所述第二支撑位之间的间距以获得所述反射镜在调整后的均方根误差最小为的方法，包括如下步骤：

S101、将第一支撑位与其相邻布置在同一承载部上的所述第二支撑位；或者另一承载部上布置的两组相邻的所述第二支撑位定义为两组支撑位；

所述反射镜的上表面标记的第三形变量，其为y；

其中，所述第三形变量y＝-C；

其中，C为对于坐标系中设定的未知数；

多个所述反射镜面形均方根方差值RMS至少包括：

其中，定义为两组所述支撑位之间的间距为246mm。

贝塞尔点，亦为Bessel点理论。通过本方法，并基于有限元仿真，通过试验得到的结论为实际支撑点位于贝塞尔点时，可得到反射镜100的面形误差可到到最小值的结论。请参阅附图7-8所示，将反射镜100看作一横梁，当支撑位到横梁的端面的距离为其全长的0.2203时，横梁的弯曲量最小，以此理论为指导，即使选择贝塞尔点，支撑点的间距扔在一范围区间内，该范围区间在240mm与250mm之间，因而可以进一步的缩小范围。

在实践操作中，选用面形均方根误差RMS最小或尽量小的补偿方案，并基于上述贝塞尔点选择的理论，具体试验过程为，在x∈[0,l]区间上，均方根误差可由式(1)进行计算：

(1)

其中，V(x)是重力引起的面形误差。

如图5所示，处于简便计算的考虑，反射镜100视为两个悬臂梁及中间段共三部分。悬臂梁在竖直方向上的形变量记为V(x,y)，中间部分在竖直方向上的形变量记为V₁(x,y)，上表面为y＝-C。

对于0≤x≤bL；

(2)

对于bL≤x≤L-bL；

(3)

其中，ω＝2ρgCt，A＝2Ct是反射镜的截面积，ρ是反射镜材料的密度，ν是泊松比，E是杨氏模量，G是剪切模量，g是重力加速度。

反射镜主要参数：单晶硅材料参数为密度ρ＝2330kg/m³，杨氏模量E＝1.69×10¹¹Pa，泊松比ν＝0.36，剪切模量G＝6.21×10¹⁰Pa，重力加速度g＝9.8066m/s²。对反射镜两端进行支撑(即b＝0)时，代入式(1)(2)(3)计算，得到反射镜下表面面形的均方根方差为1.647μrad。

将式(2)、(3)分别代入式(1)，经过优化计算得出反射镜下表面的面形如图2所示，应用平面应力理论得出的面形比梁的弯曲理论得出的面形发生明显改善：应用梁的弯曲理论得出下表面面形误差的最小方差为0.0631μrad，此时b＝0.2204；应用平面应力理论得出的结果为0.0505μrad，此时b＝0.2297。

请参阅附图6所示，使用三维CAD软件建立四点支撑的三维模型，导入有限元分析软件ANSYS，创建静力学分析模块。按照上面的数据设置反射镜的材料、参数，球头柱塞的材料为316L不锈钢，材料参数为ρ＝7980kg/m³，E＝2.06×10¹¹Pa，ν＝0.3，G＝7.92×10¹⁰Pa。然后添加载荷，在球头柱塞底面施加固定支撑，添加重力场，载荷指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，重力场用于模拟地球的重力，即重力加速度。

在240～250mm之间取间隔为1mm进行仿真，得到反射镜在竖直方向上的形变量如图4所示。对结果进行后处理，得到面形均方根误差如图5所示，反射镜子午方向面形均方根误差最小为0.0808μrad，对应的支撑点的间距为246mm。

另外该装置的使用过程为：

准备，将反射镜100由架体结构100承载，具体地，现有第二承载台120作为主要支撑，并进一步地预制反射镜100，使承载部111的安装位在反射镜100的制定位置；其中，反射镜100位于制定位置时，安装位对应反射镜100的塞贝尔点；

预制，通过多个第一夹持单元40和多个第二夹持单元对反射镜100的周向进行预夹持，补偿重力，同时要保证压电陶瓷单元20、球头支撑单元30在第一支撑位A1、第二支撑位A2对反射镜100形成支撑；

检测，接通电源，使压电陶瓷单元20和球头支撑单元30工作，具体为：首先，压电陶瓷件211通过电压的改变驱动球形体210在安装位向上或是向下移动，此时第一压力传感器213检测一组读数；另外三个第二压力传感器311检测对应的球头柱塞310的读数；

调整，基于读数，可实施检测到四个位置的支撑力的大小，并通过以下方式调整：第一种方式，通过改变压电陶瓷件211的电压调整，调整电压后通过使球形体210于反射镜100的接触时的作用力发生改变；第二中方式，通过使用弹性夹持部件，即第一夹持单元40、第二夹持单元50进行调整，由于第二夹持单元50具有弹性板560，因此可以实现作用力的微调整。以此方式使得反射镜100各支撑点支撑力大小一致，反射镜面形达到要求。

该装置的技术优势为：

第一方面，有效地减小了反射镜100的面形产生的误差，提高了调解精度，具体为，理论上：当反射镜100无支撑时，其理论面形斜率误差的方差为1.6139urad；

在实际使用时，将反射镜100安装在本发明提出的的装置上后，经过有一限元模拟，其面形斜率误差的方差减小为0.087urad，反射镜子午方向面形均方根误差最小为0.0808μrad。

第二方面，本装置使用压电陶瓷单元20作为面形调整主要技术手段，通过调节输入电压的大小精确地调整支撑点的高度，根据第一压力传感器213、第二压力传感器311的反馈作为调整第二夹持单元50的依据，保证作用力的均匀，提高反射镜100的面形精度。

第三方面，本装置反射镜100周向设置辅助夹持位置，通过设置第一夹持单元40、第二夹持单元50实现防止反射镜100窜动、倾斜。此外，还采用弹性夹持，可以根据实际情况调整夹持力的大小。在同步辐射光束线KB聚焦系统中使用压电陶瓷技术，可有效的补偿反射镜自重对面形的影响，精确地对反射镜面形进行调整。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，包括：

架体结构(10)，其用以搭载一用于超高真空中的反射镜(100)；

压电陶瓷单元(20)，可用以对所述反射镜(100)的底面形成支撑，并具有一个第一支撑位(A1)，所述第一支撑位(A1)对应所述反射镜(100)的一个贝塞尔点；

多个球头支撑单元(30)，可用以配合所述压电陶瓷单元(20)对所述反射镜(100)的底面形成支撑，并对应形成多个第二支撑位(A2)；

多个所述第二支撑位(A2)对应所述反射镜(100)的多个贝塞尔点；

其中，所述压电陶瓷单元(20)具有一工作状态；

在所述工作状态时，一组所述压电陶瓷单元(20)可在其对应的所述第一支撑位(A1)对所述反射镜(100)施加一可调整的作用力，以使得所述反射镜(100)位于该第一支撑位(A1)上的高度可上下调节，从而实现调节所述反射镜(100)的面形；

至少包括多个第一夹持单元(40)；

其中，至少两组所述第一夹持单元(40)在所述工作状态时相互配合，以在所述反射镜(100)的长度方向形成夹持，并用以补偿所述反射镜(100)的自身重力；以及

第二夹持单元(50)；

至少包括两个沿所述反射镜(100)长度方向的一侧布置的所述第二夹持单元(50)和两个沿所述反射镜(100)长度方向的另一侧布置的所述第一夹持单元(40)相互配合，以在所述反射镜(100)的宽度方向形成弹性夹持；

所述架体结构(10)具有：

第一承载台(110)，其水平设置，并沿所述架体结构(10)的长度方向设置；

其中，所述第一承载台(110)的中部形成一中空区域，以将所述第一承载台分隔成两组相同的承载部(111)；

其中，两组所述承载部(111)可部分支撑所述反射镜(100)，且所述反射镜(100)被任一一组所述承载部(111)支撑的部分包括所述反射镜(100) 的贝塞尔点。

2.根据权利要求1所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，所述架体结构(10)还具有：

四个安装位，任一一组所述承载部(111)沿其长度方向布置所述安装位，所述安装位(130)为一以竖直方向设置安装孔(140)，所述安装孔(140)内安装有所述压电陶瓷单元(20)或者所述球头支撑单元(30)；

其中，所述安装孔(140)对应所述反射镜(100)的贝塞尔点。

3.根据权利要求2所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于：所述压电陶瓷单元(20)包括：

球形体(210)，其为不锈钢球，且其上端点为所述第一支撑位(A1)；

压电陶瓷件(211)，其设置在所述球形体(210)的下方，且其上端形成有一凹陷的半球槽(212)，所述球形体(210)安装在所述半球槽(212)内；

其中，所述压电陶瓷件(211)固定在所述安装孔(140)内；

其中，所述压电陶瓷件(211)用以在接通电源后通过电压增加或者减小以驱动所述球形体(210)沿所述安装孔(140)向上或者向下移动；以及

固定在所述安装孔内、位于所述压电陶瓷件(211)下方，以实现对该安装孔(140)上对应的所述第一支撑位(A1)进行压力检测的第一压力传感器(213)。

4.根据权利要求2所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，所述球头支撑单元(30)包括：

球头柱塞(310)，其一端球头，另一端为柱塞体，所述球头可在所述柱塞体上任意转动，所述球头的上端为所述第二支撑位(A2)；

其中，所述球头柱塞(310)固定在所述安装孔内；

第二压力传感器(311)，其固定在所述安装孔(140)内，并位于所述柱塞球头(310)的下方，其用以实现对该安装(140)上对应的所述第二支撑位(A2)进行压力检测。

5.根据权利要求2所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，还包括有安装位锁紧件(60)；

所述安装位锁紧件(60)用以将所述压电陶瓷单元(20)或者所述球头支撑单元(30)锁紧在对应的所述安装位上；

所述安装位锁紧件(60)包括：

座体螺纹孔(610)，其开设在任一一组所述承载部(111)的一侧，且其与相邻的所述安装孔(140)连通；

座体紧固杆(620)，其与所述座体螺纹孔(610)螺纹连接，且其旋入端为球头；

座体螺母(630)，其通过螺纹连接在所述座体紧固杆(620)上，且其与所述承载部(111)的一侧贴合时为一锁紧状态。

6.根据权利要求2所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，所述第一夹持单元(40)包括：

安装板(411、412)，其下端可安装在所述架体(10)上，并与所述反射镜(100)相邻；

安装螺纹孔(413)，所述安装板(410)的板面上开设有所述安装螺纹孔(413)；

夹持凸台(414)，其一端用以接触所述反射镜(100)的侧面；

安装螺纹杆(415)，其一端与所述夹持凸台(414)连接，其另一端通过螺纹连接有一安装螺帽(416)；

凸台结构(417)，其形成在所述安装螺纹孔(413)朝向所述反射镜(100)的一侧，所述夹持凸台(414)随所述安装螺纹杆(415)的旋转动作可部分置于所述凸台结构(417)内。

7.根据权利要求6所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，所述安装板(411、412)包括第一安装板(411)和第二安装板(412)；

其中，两组所述第一安装板(411)分别安装在沿所述架体结构(10)长度方向的两端；

其中，在一组所述承载部(111)上至少间隔安装两组所述第二安装板(412)。

8.根据权利要求7所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，所述第二夹持单元(50)包括：

第三安装板(510)，其与所述反射镜(100)相邻设置；

所述第二安装板(412)相对一侧的所述承载部(111)上一一对应地安装所述第三安装板(510)；

通孔结构(520)，其为沿水平方向在所述第三安装板(510)上开设的、且带有螺纹的孔，且该孔的两端别形成有直径大于所述孔的第一凸台(521)和第二凸台(522)；

其中，所述第一凸台(521)靠近所述反射镜(100)设置；

第三螺母(530)，其嵌入在所述第一凸台(521)内；

第三螺纹杆(540)，其一端为球头，其另一端为一凸缘；

第四螺母(550)；

弹性板(560)，所述第三螺纹杆(540)自所述通孔结构(520)内穿过，其穿出的一端依次连接所述第三螺母(530)、所述弹性板(560)以及所述第四螺母(550)。

9.根据权利要求1所述的用于超高真空中的反射镜无应力夹持及面形调整装置，其特征在于，通过所述第一支撑位(A1)与其相邻布置在同一承载部(111)上的所述第二支撑位(A2)的间距；和

通过另一承载部(111)上布置的两组相邻的所述第二支撑位(A2)之间的间距以获得所述反射镜(100)在调整后的均方根误差最小为的方法包括如下步骤：

S101、将第一支撑位(A1)与其相邻布置在同一承载部(111)上的所述第二支撑位(A2)；或者

另一承载部(111)上布置的两组相邻的所述第二支撑位(A2)定义为两组支撑位；

S102、以两组所述支撑位将所述反射镜(100)以所述反射镜(100)长度方向进行分段，并在分段处标记多个形变量V(x)，并通过如下方式：

至少两组支撑位至少在所述反射镜(100)的两端，并在竖直方向标记的有两组第一形变量标记，其为V(x,y)；

至少两组支撑位均不在所述反射镜(100)的两端，并在竖直方向上的标记的第二形变量标记，其为V₁(x,y)；以及

所述反射镜(100)的上表面标记的第三形变量，其为y；

其中，所述第三形变量y＝-C；

S103、基于有限元仿真模拟方法，并根据所述第一形变量标记、第二形变量标记和所述第三形变量通过计算过程得出多个反射镜面形均方根方差值RMS；

多个所述反射镜面形均方根方差值RMS至少包括：

S104、基于有限元分析工具，将所述第一面形均方根方差值、所述第二面形均方根方差值和所述第三面形均方根方差值建立一所述反射镜(100)四点支撑的三维模型；

S105、基于贝塞尔理论的支撑位之间的范围区间，通过所述有限元仿真处理所述三维模型，得到一反射镜(100)子午方向面形均方根误差曲线；

其中，所述反射镜(100)子午方向面形均方根误差曲线具有一最小值；

其中，定义为两组所述支撑位之间的间距为246mm。