CN112152052A - 晶体单色器水冷结构和晶体单色器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶体单色器水冷结构和晶体单色器，包括冷却体、冷却体盖板以及冷却水连接结构；所述冷却体包括冷却体主体，冷却体盖板包括盖板主体，冷却体主体、盖板主体上均设置有环形闭环真空槽、冷却水循环通道槽，冷却体主体、盖板主体连接后，冷却体主体上的环形闭环真空槽与盖板主体上的环形闭环真空槽对应连接形成环形闭环真空通道，冷却体主体上的冷却水循环通道槽与盖板主体上的冷却水循环通道槽对应连接形成冷却水循环通道；冷却水循环通道位于环形闭环真空通道的包围圈内；所述冷却水连接结构连接冷却体盖板。本发明结构简单合理，能够在超高真空环境下对晶体进行水冷，且能够避免一旦冷却水泄漏会破坏及污染单色器腔体环境的问题。

Description

晶体单色器水冷结构和晶体单色器

技术领域

本发明涉及单色器领域，具体地，涉及一种晶体单色器水冷结构和晶体单色器。

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。自由电子激光是加速器产生的高品质电子束和NS极交替排列的磁铁阵列，具备高功率的相干光源。由于光谱连续、高亮度、准直性好等特点，上述光源都在物理学、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。

上述光束是包含从红外到硬X射线的各种波长的复色光。这种光除少数实验只用它的能量以外，一般不能被直接使用，而是通过各种光学元件把这种具有连续谱的复色光加工成能满足实验对光源能量、通量、单色性、偏振性、光斑尺度等要求的单色光，并安全、可靠、高效地传输到实验站，供不同的科学实验。这些功能的实现要通过光束线系统来完成单色器即为光束线系统中的核心设备，单色器的作用是改变光学元件与同步辐射光的夹角来获得不同波长的单色光。总得来说，单色器是一个集机械、光学和真空功能为一体的复杂设备。其根据不同的分类标的可以有很多种分类，按照光学元件分类主要有光栅单色器、晶体单色器和多层膜单色器。其中晶体单色器分类也可以有很多类别，比如按衍射方式分为劳厄(Laue)和布拉格(Bragg)，按晶体的数量分为单晶、双晶和四晶，按晶体的切割方式分对称和非对称，按晶体的排布方式分为色散和消色散，按冷却方式分为水冷和液氮冷却等。本发明的主要应用领域是水冷晶体单色器。

晶体吸收束流能量后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等热变形其次。根据理论计算，晶体承受热功率密度1W/mm²时，晶体表面形变误差急剧增至100seconds of arc(弧秒，这里的形变误差，是指承载热之后晶体发生了形变，这个形变与之前的计算设计值的差值)以上，严重影响光束的传输效率。为了减小上述情况发生，需要为晶体设计冷却结构。当晶体表面热功率密度低于1W/mm²时，一般采用水冷却结构作为晶体冷却方案。现有的水冷结构主要有两种：一种为用定位夹夹住晶体和支撑结构，水冷通道在支撑结构中流动，冷却水通道与真空靠氟橡胶圈密封来解决。另一种为衍射晶体与刻有水流槽的无氧铜用粘结胶粘结。冷却水管直接加工在无氧铜冷却底座上。在世界范围内运行的同步辐射光源里都出现过水冷单色器冷却水泄漏造成单色器腔体超高真空破坏的问题。某种水冷单色器的冷却结构平均使用年限在25个月左右，由于冷却水中含有灰尘和其它油脂类溶剂，所以当冷却水泄露后，单色器腔体内需要更换被污染的关键光学元件，清洗腔体内壁，烘烤整体腔体和真空获得等工作。不论是解决突发冷却水泄漏故障还是定期维护更换这些水冷结构，都得通过上述的工序才能实现，这不仅影响到光束线的正常运行还带来较大的维护工作。这给长期稳定运行光束线造成了很大的不便。

综上所述，随着技术发展带来的对晶体直接水冷却结构的发展需求，如何解决冷却水泄漏对单色器腔体污染的问题成为了刻不容缓的待解决技术难题。

公开号为CN2904399Y的专利文献公开了一种双晶单色器第一晶体冷却结构,包括底座及开于其上并与晶体接触的冷却凹槽、置于槽内的晶体和用于压住晶体面边缘后与底座固定的夹座,底座和夹座内各设有冷却液通道并与外接冷却液相通,所设两通道相连通,连通处两侧的底座与夹座间设有密封圈,冷却凹槽中的冷却液可为铟镓混合液镓,底座内的冷却液通道中的冷却液为水,晶体底部开有底槽。通过将晶体放在无氧铜底座内,并在无氧铜底座和晶体之间的微小缝隙注入铟镓的混合液体,冷却水不断地流过无氧铜底座中的冷却液通道,利用无氧铜和铟镓作为晶体和水间的热传递介质,可迅速减小晶体热负荷并起到一定的缓冲作用,避免冷却水和晶体直接接触产生的应力和形变。但是该方案中一旦冷却水泄漏即不可避免会对单色器腔体进行污染，影响单色器腔体中光学元件的正常工作。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种晶体单色器水冷结构和晶体单色器和晶体单色器。

根据本发明提供的一种晶体单色器水冷结构，包括冷却体、冷却体盖板以及冷却水连接结构；

所述冷却体包括冷却体主体，冷却体盖板包括盖板主体，冷却体主体、盖板主体上均设置有环形闭环真空槽、冷却水循环通道槽，冷却体主体、盖板主体连接后，冷却体主体上的环形闭环真空槽与盖板主体上的环形闭环真空槽对应连接形成环形闭环真空通道，冷却体主体上的冷却水循环通道槽与盖板主体上的冷却水循环通道槽对应连接形成冷却水循环通道；冷却水循环通道位于环形闭环真空通道的包围圈内；

所述冷却水连接结构连接冷却体盖板。

优选地，所述冷却水循环通道为蛇形，蛇形的两端分别为冷却水进口、冷却水出口。

优选地，所述冷却体盖板上还设置有盖板进水口、盖板出水口、第一盖板抽气孔以及第二盖板抽气孔；

所述盖板进水口、盖板出水口分别连通冷却水进口、冷却水出口；

所述第一盖板抽气孔、第二盖板抽气孔分别连通环形闭环真空通道。

优选地，所述盖板进水口与第一盖板抽气孔靠近设置，盖板出水口与第二盖板抽气孔靠近设置。

优选地，所述冷却水连接结构包括冷却水管道、抽气口、抽气通道以及连接法兰；

所述冷却水管道连接盖板进水口或盖板出水口，抽气口连通抽气通道，抽气通道连通第一盖板抽气孔或第二盖板抽气孔，连接法兰连接外部供水储水装置和抽气装置。

优选地，所述抽气通道环绕设置在冷却水管道周向上且抽气通道与冷却水管道同轴设置。

优选地，所述冷却水连接结构包括冷却水进水连接结构和冷却水出水连接结构，冷却水进水连接结构连接盖板进水口和第一盖板抽气孔，冷却水出水连接结构连接盖板出水口第二盖板抽气孔。

优选地，所述冷却体与冷却体盖板之间采用焊接连接，所述冷却体盖板与冷却水连接结构之间采用焊接连接。

优选地，所述冷却体主体与盖板主体连接的一面长宽尺寸一致。

根据本发明提供的一种晶体单色器，其特征在于，采用所述的晶体单色器水冷结构，所述晶体单色器水冷结构通过夹具装夹在晶体上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单合理，能够在超高真空环境下对晶体进行水冷，且能够避免一旦冷却水泄漏会破坏及污染单色器腔体环境的问题。

2、本发明通过将冷却水循环通道设置在环形闭环真空通道的包围圈内，一旦出现冷却水泄漏，冷却水也优先泄漏到环形闭环真空通道，并通过与环形闭环真空通道连接的冷却水连接结构的抽气口排出，不会泄漏到单色器腔体内造成污染。

3、本发明采用在冷却体主体和冷却体盖板主体上分别加工环形闭环真空槽和冷却水循环通道槽，通过冷却体主体和冷却体盖板主体连接后形成环形闭环真空通道和冷却水循环通道的方式，降低了加工难度和成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的冷却体的结构示意图。

图3为本发明冷却体盖板的结构示意图。

图4为本发明冷却体盖板与冷却水连接结构的连接关系示意图。

图中示出：

冷却体1 盖板出水口203

冷却体主体101 第一盖板抽气孔204

冷却水循环通道槽102 第二盖板抽气孔205

环形闭环真空槽103 冷却水连接结构3

冷却水进口104 冷却水管道301

冷却水出口105 抽气口302

冷却体盖板2 抽气通道303

盖板主体201 连接法兰304

盖板进水口202

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明一种晶体单色器水冷结构，如图1-4所示，包括冷却体1、冷却体盖板2以及冷却水连接结构3；所述冷却体1包括冷却体主体101，冷却体盖板2包括盖板主体201，冷却体主体101、盖板主体201上均设置有环形闭环真空槽103、冷却水循环通道槽102，冷却体主体101、盖板主体201连接后，冷却体主体101上的环形闭环真空槽103与盖板主体201上的环形闭环真空槽103对应连接形成环形闭环真空通道，冷却体主体101上的冷却水循环通道槽102与盖板主体201上的冷却水循环通道槽102对应连接形成冷却水循环通道；冷却水循环通道位于环形闭环真空通道的包围圈内；所述冷却水连接结构3连接冷却体盖板2。

所述冷却水循环通道为蛇形，蛇形的两端分别为冷却水进口104、冷却水出口105。所述冷却体盖板2上还设置有盖板进水口202、盖板出水口203、第一盖板抽气孔204以及第二盖板抽气孔205；所述盖板进水口202、盖板出水口203分别连通冷却水进口104、冷却水出口105；所述第一盖板抽气孔204、第二盖板抽气孔205分别连通环形闭环真空通道。所述盖板进水口202与第一盖板抽气孔204靠近设置，盖板出水口203与第二盖板抽气孔205靠近设置。

所述冷却水连接结构3包括冷却水管道301、抽气口302、抽气通道303以及连接法兰304；所述冷却水管道301连接盖板进水口202或盖板出水口203，抽气口302连通抽气通道303，抽气通道303连通第一盖板抽气孔204或第二盖板抽气孔205，连接法兰304连接外部供水储水装置和抽气装置。所述抽气通道303环绕设置在冷却水管道301周向上且抽气通道303与冷却水管道301同轴设置。所述冷却水连接结构3包括冷却水进水连接结构和冷却水出水连接结构，冷却水进水连接结构连接盖板进水口202和第一盖板抽气孔204，冷却水出水连接结构连接盖板出水口203第二盖板抽气孔205。

所述冷却体1与冷却体盖板2之间采用焊接连接，所述冷却体盖板2与冷却水连接结构3之间采用焊接连接。所述冷却体主体101与盖板主体201连接的一面长宽尺寸一致。

根据本发明提供的一种晶体单色器，采用所述的晶体单色器水冷结构，所述晶体单色器水冷结构通过夹具装夹在晶体上。

上面对本发明的基本实施例进行了说明，下面结合基本实施例的优选例和/或变化例对本发明进行更为具体的说明。

本发明涉及一种超高真空水冷结构，具体涉及一种同步辐射、自由电子激光单色器水冷结构。本实施例单色器水冷结构包括：冷却1，冷却体盖板2和冷却水连接结构3。其中冷却1和带水、气通孔的冷却体盖板2(冷却体密封盖板)焊接在一起，冷却水连接结构3焊接在冷却体盖板2相对应的水、气通孔处。

图2所示，冷却体1包括：冷却水循环通道槽102、环形闭环真空槽103、冷却水进口104、冷却水出口105、冷却体主体101。在冷却体主体101同一厚度上加工出冷却水循环通道槽102和环形闭环真空槽103，其中环形闭环真空槽103要包围住冷却水循环通道槽102。

如图3所示，冷却体盖板2还包括：盖板主体201、盖板进水口202、盖板出水口203、第一盖板抽气孔204和第二盖板抽气孔205。在盖板主体201同一厚度上加工出冷却水循环通道槽102和环形闭环真空槽103，其中环形闭环真空槽103要包围住冷却水循环通道槽102，分别在环形闭环真空槽103两端开抽气孔，但不与盖板进出水口连通。抽气孔沿盖板主体201厚度方向延伸加工至冷却水连接结构的抽气口处。盖板主体201上的冷却水循环通道槽102和环形闭环真空槽103与冷却体主体101上的冷却水循环通道槽102和环形闭环真空槽103连接后分别形成冷却水循环通道和环形闭环真空通道。盖板主体201同冷却体主体101长、宽尺寸一致，在盖板主体201上开设4个通孔，其中两个尺寸较大的通孔开设位置相对居中作为一个进水口和一个出水口，两个水通孔在盖板上的位置需同冷却体主体101上开设的进水口和出水口相对应，如此，同冷却水循环通道一起组成冷却水主体上的水循环系统。两个抽气孔开设在盖板主体201上的位置同抽气口位置相对应，使得环形闭环真空通道顺利通过盖板主体201上的抽气孔延伸至冷却水连接结构3上去。

如图4所示，冷却水连接结构3包括：冷却水管道301、抽气口302、抽气通道303、连接法兰304。冷却水连接结构3焊接在冷却体盖板2上。

使用本发明单色器水冷结构前，需要对加工情况进行检查，即对整体结构的焊缝进行真空检漏。将两个冷却水连接结构3通过连接法兰304与氦质谱检漏仪相连，对环形闭环真空通道进行抽气，当到达一定漏率时用氦气吹扫冷却体主体101与盖板主体201之间的焊缝以及盖板主体201与冷却水连接结构3的焊缝，从而找到漏气位置，对漏气位置进行补焊。检漏无漏后才可用在超高真空环境中；为防止使用时冷却水从抽气管道中泄漏，在使用前从一个冷却水连接结构3的冷却水管道301给与一定压力的冷却水，检查另一个冷却水连接结构3的冷却水管道301是否有水顺利流出，另外检查直接抽气口302是否有水溢出，如果抽气口302有水溢出证明冷却水通道与真空通道之间有加工错误导致两个循环系统想通或者内部焊缝有漏孔。

当上述检查完毕后，把本发明单色器水冷结构固定在超高真空腔体内合适位置，使得其冷却体1充分贴合被冷却体(晶体)。位置固定完毕后，使用波纹管的一端连接本发明的两处连接法兰304，连接波纹管另一端的装置应具有通水和抽气功能，对整个腔体进行抽气。开始冷却时，先用真空获得设备对抽气口302进行抽气，使得环形闭环真空通道达到目标真空度。以一定压力冷却水从一个冷却水连接结构3的冷却水管道301流入，从另一个冷却水连接结构3的冷却水管道301流出，冷却水在冷却水循环通道内对冷却体主体101以及被冷却体进行冷却降温，根据被冷却体的实际冷却需求调节进水水压增加或减小水流速度。蛇形冷却水循环通道使得冷却水有充分的接触面积和充分的冷却时间。

一般而言，冷却水通路泄漏发生在水管进、出口衔接处或者冷却水管本身因冷热交替造成的裂纹处，因为环形真空槽能有效包裹整个冷却水路。因此在冷却的同时，环形闭环真空通道、冷却体盖板抽气孔和冷却水连接结构的抽气口305组成的真空系统有效得保护了冷却水循环系统，一旦冷却水泄漏则优先泄漏至上述真空系统，观察外部水压变化情况就能获知此时的冷却结构故障情况。因为环形闭合真空通道是独立于晶体单色器真空腔体的，所以发生故障时能有效避免冷却水泄漏到晶体单色器腔体中去，进而防止冷却水因泄漏污染单色器腔体。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种晶体单色器水冷结构，其特征在于，包括冷却体(1)、冷却体盖板(2)以及冷却水连接结构(3)；

所述冷却体(1)包括冷却体主体(101)，冷却体盖板(2)包括盖板主体(201)，冷却体主体(101)、盖板主体(201)上均设置有环形闭环真空槽(103)、冷却水循环通道槽(102)，冷却体主体(101)、盖板主体(201)连接后，冷却体主体(101)上的环形闭环真空槽(103)与盖板主体(201)上的环形闭环真空槽(103)对应连接形成环形闭环真空通道，冷却体主体(101)上的冷却水循环通道槽(102)与盖板主体(201)上的冷却水循环通道槽(102)对应连接形成冷却水循环通道；冷却水循环通道位于环形闭环真空通道的包围圈内；

所述冷却水连接结构(3)连接冷却体盖板(2)。

2.根据权利要求1所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却水循环通道为蛇形，蛇形的两端分别为冷却水进口(104)、冷却水出口(105)。

3.根据权利要求2所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却体盖板(2)上还设置有盖板进水口(202)、盖板出水口(203)、第一盖板抽气孔(204)以及第二盖板抽气孔(205)；

所述盖板进水口(202)、盖板出水口(203)分别连通冷却水进口(104)、冷却水出口(105)；

所述第一盖板抽气孔(204)、第二盖板抽气孔(205)分别连通环形闭环真空通道。

4.根据权利要求1所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述盖板进水口(202)与第一盖板抽气孔(204)靠近设置，盖板出水口(203)与第二盖板抽气孔(205)靠近设置。

5.根据权利要求3所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却水连接结构(3)包括冷却水管道(301)、抽气口(302)、抽气通道(303)以及连接法兰(304)；

所述冷却水管道(301)连接盖板进水口(202)或盖板出水口(203)，抽气口(302)连通抽气通道(303)，抽气通道(303)连通第一盖板抽气孔(204)或第二盖板抽气孔(205)，连接法兰(304)连接外部供水储水装置和抽气装置。

6.根据权利要求5所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述抽气通道(303)环绕设置在冷却水管道(301)周向上且抽气通道(303)与冷却水管道(301)同轴设置。

7.根据权利要求3所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却水连接结构(3)包括冷却水进水连接结构和冷却水出水连接结构，冷却水进水连接结构连接盖板进水口(202)和第一盖板抽气孔(204)，冷却水出水连接结构连接盖板出水口(203)第二盖板抽气孔(205)。

8.根据权利要求1所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却体(1)与冷却体盖板(2)之间采用焊接连接，所述冷却体盖板(2)与冷却水连接结构(3)之间采用焊接连接。

9.根据权利要求1所述的晶体单色器水冷结构，其特征在于，所述冷却体主体(101)与盖板主体(201)连接的一面长宽尺寸一致。

10.一种晶体单色器，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的晶体单色器水冷结构，所述晶体单色器水冷结构通过夹具装夹在晶体上。

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