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自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

赵晨行 卢启鹏 宋源 龚学鹏 王依 徐彬豪

赵晨行, 卢启鹏, 宋源, 龚学鹏, 王依, 徐彬豪. 自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(4): 787-794. doi: 10.37188/CO.2019-0131
引用本文: 赵晨行, 卢启鹏, 宋源, 龚学鹏, 王依, 徐彬豪. 自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(4): 787-794. doi: 10.37188/CO.2019-0131
ZHAO Chen-hang, LU Qi-peng, SONG Yuan, GONG Xue-peng, WANG Yi, XU Bin-hao. Design and analysis of stress-free clamping of mirrors used in free-electron laser beamlines[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 787-794. doi: 10.37188/CO.2019-0131
Citation: ZHAO Chen-hang, LU Qi-peng, SONG Yuan, GONG Xue-peng, WANG Yi, XU Bin-hao. Design and analysis of stress-free clamping of mirrors used in free-electron laser beamlines[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 787-794. doi: 10.37188/CO.2019-0131

自由电子激光光束线反射镜无应力夹持设计与分析

doi: 10.37188/CO.2019-0131
基金项目: 国家自然科学基金(No. 11079035);国家科技重大专项(No. 2012ZX02702001);国家重点研发计划(2018YFD0401003-04)
详细信息
    作者简介:

    赵晨行(1994—),男,河南郑州人,硕士研究生,2017年于中国海洋大学获得学士学位,现为中国科学院大学硕士研究生,主要从事同步辐射光束线关键技术的研究。E-mail:z.chenhang@qq.com

    卢启鹏(1964—),男,黑龙江齐齐哈尔人,研究员,博士生导师,1987年于浙江大学获得学士学位,1990年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位,主要从事光谱仪器及同步辐射光束线关键技术的研究。E-mail:luqp@ciomp.ac.cn

    宋源(1988-),男,吉林白山人,博士,助理研究员,2011年于贵州大学获得学士学位,2017年于中国科学院大学获得博士学位,研究方向为同步辐射单色器的相关技术研究。E-mail:songyuan_SHOW@126.com

    龚学鹏(1982-),男,内蒙古赤峰人,博士,研究员,2005年在吉林大学获得学士学位,2010年在吉林大学获得博士学位,研究方向为精密机械设计与工程CAE分析。E-mail:gongxuepeng120@yahoo.com.cn

    王依(1987-),男,辽宁阜新人,博士,助理研究员,2010年6月于四川大学获工学学士学位,2013年3月于浙江大学获工学硕士学位,2019年1月于中国科学院大学获工学博士学位,研究方向为精密机械技术研究。E-mail:wangln2007@sina.com

    徐彬豪(1990-),男,吉林永吉人,2012年于吉林化工学院获得学士学位,研究方向为精密机械技术研究。E-mail:Xubinhao999@163.com

    通讯作者:

    卢启鹏(1964-),男,黑龙江人,研究员,博士生导师,1987年于浙江大学获得学士学位,1990年于中科院长春光机所获得硕士学位,主要从事光谱仪器及同步辐射光束线关键技术的研究。E-mail:luqp@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TH744.1

Design and analysis of stress-free clamping of mirrors used in free-electron laser beamlines

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 11079035); National Science and Technology Major Project (No. 2012ZX02702001); National Key R&D Program of China (No. 2018YFD0401003-04)
More Information
  • 摘要: 反射镜是自由电子激光光束线中的重要光学元件,反射镜自重引起的面形误差会严重影响光束线的成像质量。为减小自重引起的面形误差,基于Bessel点理论提出了重力补偿方案,并设计了无应力夹持装置,利用有限元软件对该装置进行仿真分析。以尺寸为440 mm×50 mm×50 mm的反射镜为例进行分析,传统支撑方式下反射镜下表面面形误差为1.647 μrad,采用本文提出的夹持方案后面形误差降至0.085 7 μrad,优于工程指标0.1 μrad。为防止反射镜在工作模式切换时发生窜动,可对反射镜添加不超过2 N的微小夹持力,此时反射镜的面形误差为0.093 9 μrad。此外,还对装置进行了动力学分析,结果显示:该设计方案可有效防止装置存在较低的固有频率,在使用过程中不会产生共振现象,满足光束线的使用需求。

     

  • 图 1  长条形镜尺寸和形变量标记示意图

    Figure 1.  Beam dimensions and top surface deflection notation

    图 2  梁的弯曲理论和平面应力理论计算得出的反射镜下表面形变量

    Figure 2.  Deformations in the bottom surface of mirror calculated by beam bending theory and plane stress theory

    图 3  反射镜四点支撑的三维模型

    Figure 3.  3D model of mirror supported by four points

    图 4  子午方向支撑间距为240~250 mm时反射镜底面在竖直方向上的形变量

    Figure 4.  Vertical deformation of bottom surface when the space of the support along meridian is 240~250 mm

    图 5  子午方向支撑间距为240~250 mm的斜率误差RMS曲线

    Figure 5.  Slope error RMS curve when the space of the support along meridian is 240 ~ 250 mm

    图 6  反射镜支撑点处沿弧矢方向的线段

    Figure 6.  Line segment along the sagittal direction at the support point of the mirror

    图 7  弧矢方向支撑间距为22~42 mm时反射镜支撑点处上表面在竖直方向上的形变量

    Figure 7.  Slope error RMS curve of mirror when the space of the support along sagittal is 22~42 mm

    图 8  四点支撑时反射镜下表面在竖直方向上的形变量云图

    Figure 8.  Vertical deformation nephogram in bottom surface of mirror with four-point supporting

    图 9  子午方向支撑间距为246 mm时反射镜下表面在竖直方向上的形变量

    Figure 9.  Vertical deformation of bottom surface of mirror when the space of the support along meridian is 246 mm

    图 10  反射镜下表面支撑点沿弧矢方向的形变量

    Figure 10.  Vertical deformation at support point in bottom surface of mirror along sagittal

    图 11  反射镜光斑区域支撑点处弧矢方向的形变量

    Figure 11.  Vertical deformation at support points of the footprint area in the mirror along sagittal

    图 12  反射镜无应力夹持装置示意图

    Figure 12.  Schematic diagram of stress-free clamping equipment

    图 13  反射镜无应力夹持装置三维模型

    Figure 13.  3D model of stress-free clamping equipment

    图 14  反射镜无应力夹持装置的形变云图

    Figure 14.  Deformation nephogram of stress-free clamping equipment

    图 15  夹持力大小为0~3 N时底面沿子午方向在竖直方向的形变量

    Figure 15.  Vertical deformation of bottom surface when clamping force is 0~3 N

    图 16  夹持力大小为0~3 N时的斜率误差RMS曲线

    Figure 16.  Slope error RMS curve when clamping force is 0~3 N

    图 17  前六阶固有频率对应的振型

    Figure 17.  Mode nephograms of the first six natural frequencies

    表  1  反射镜主要参数

    Table  1.   The main parameters of mirror

    Substrate materialSingle-crystalline Si
    CoatingB4C
    Mirror dimension/mm440x50x50
    Footprint on mirror/mm380x10
    Useful area/mm400x30
    Incidence angle/(°)1.5
    Mirror radius∞/>30 km
    Slope error/μrad0.1
    Roughness/nm0.3
    下载: 导出CSV

    表  2  弧矢方向支撑间距为22, 28, 36和42 mm时支撑点处不同线段的面形误差RMS

    Table  2.   Deformation error RMS of different lines at support point when the space of the support along sagittal are 22, 28, 36, 42 mm (μrad)

    RMS
    22 mm 28 mm 36 mm 42 mm
    A0.014 30.014 590.014 850.014 96
    B2.8932.8852.866 93.19
    C0.116 80.059 80.0320.016 7
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-27
  • 修回日期:  2019-08-07
  • 刊出日期:  2020-08-01

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