Sagittal聚焦晶体柔性铰链压弯机构研究

    Sagittal聚焦双晶单色器具有对同步辐射入射X光束进行连续单色化和对出射单色X光束在弧矢方向聚焦的双重功能,能接收较宽的水平光束,得到高通量的聚焦X光束,为此,引起了国外光束线学者的重视,并开展了此项研究工作,其成果已在一些光束线中得到了应用^[1,2]。我们从我国国情出发,对其关键技术进行了预研,并研制出了弧矢聚焦双晶单色器样机。

    弧矢聚焦双晶单色器样机的结构原理如图1所示。从图1可见,其第一晶体固定在测角仪转盘中心(转盘转轴位于第一晶体表面中心),随转盘转动改变入射光束的Bragg角θ,按Bragg公式2dsinθ=Nλ得到所需要的对应波长。第二晶体可沿平行(X)和垂直(Y)于晶体方向的导轨移动,以保证出射光束高度不变,第二晶体上设有压弯机构,用于对第二晶体在弧矢方向上进行压弯,即改变曲率半径,最终得到高强度的单色X光束(如图2所示)。

    不难看出,其中弧矢聚焦晶体压弯技术及压弯机构是该单色器的关键技术之一。实现弧矢压弯的压弯机构有多种形式,其中以柔性铰链为基础的压弯机构是新近发展起来的技术。

    1　弧矢聚焦晶体的弯曲原理

    对一个长为l、宽为w、厚为t的晶体(如图3所示),在理想情况下,当两端施加相等的纯弯曲力矩M时,晶体上沿X轴方向某一点的曲率和该点横截面上的力矩M(x)满足梁的弯曲方程,即

    在晶体两端施加相等力矩,沿晶体压弯方向各点横截面上力矩都相等,可将晶体压弯成圆柱形,

(1)式可写为

    M=EI/R_S                (2)

式中,R_S=1/(d²z/d²x),为弧矢聚焦曲率半径。

    在同步辐射光束线中,设F₁和F₂为聚焦晶体的物距和像距,θ_B为Bragg角,则有^[3]

    通过优化设计晶体弯曲过程中的旋转点(支承点),使弧矢聚焦晶体的衍射表面为最优圆柱面(如图4所示)。假设晶体的有效长度为L,可得

    即弧矢聚焦晶体在压弯过程中的最佳旋转点(支承点)在离晶体端面晶体长度的1/6处。

    2　柔性铰链运动方程

    柔性铰链[4]具有无机械磨擦、无空回、稳定性好及运动灵敏度高等特点,近年来在同步辐射光束线中得到了应用。对于直圆柔性铰链(如图5所示,h≥2R+t),其运动方程包括力矩M_x、M_y、M_z和角偏移量α_x、α_y、α_z之间的对应关系,力F_x、F_y、F_z和线位移δ_x、δ_y、δ_z之间的对应关系,以及在弹性范围内铰链能达到的最大柔性形变角α_ymax。