同步辐射空间姿态可调连续变焦超长准直和聚焦系统

摘要

一种同步辐射空间姿态可调连续变焦超长准直和聚焦系统，属于同步辐射领域。本发明的镜子空间姿态调整系统通过镜箱真空系统的松套兰波纹管与镜箱真空系统相连，带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统则通过镜箱真空系统的松套兰波纹管与镜箱真空系统相连，并通过其支撑柱安装座、支撑柱、支撑台与镜子空间姿态调整系统相连，镜子冷却水循环系统通过其长条型无氧铜、压块、不锈钢杆与带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统的镜子相连，并通过其双刀口法兰型式与镜箱真空系统的箱体相连。本发明结构简单，镜子具有两种工作模式，曲率连续可调，且能自锁于所需要的镜子曲率半径，可实现镜子的空间四自由度方位调整，降低了真空安装和调试的难度。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种同步辐射超长准直、聚焦系统，特别是一种同步辐射空间姿态可调连续变焦超长准直和聚焦系统，属于物理类的仪器领域。

背景技术

同步辐射超长准直、聚焦系统的镜面形状可以通过镜子磨制和压弯来得到。磨制成的镜子面形精度高，但是一旦成型，其曲率半径很难改变。镜子压弯是机构通过机械力将一定形状的镜子压弯成所需的形状。压弯镜具有曲率可以调节、表面精度高和易于制造等优点。变焦超长准直、聚焦系统的压弯系统的研制对于同步辐射的发展有重要作用。

经文献检索发现，N.Kamachi，K.Endo等人在2nd International Workshop onMechanical Engineering Design of Synchrotron Radiation Equipment andInstrumentation(“第二届国际同步辐射装置和仪器机械工程设计会议”论文集113页-121页)上发表了一篇题为“Characteristics of Mechanically-Bent-ShapedMirror”(机械压弯镜的特点)的文章，该文提到Toyama Co.，LTD公司设计的一种压弯机构，称之为“臂方法(arm method)”，镜子两端被带有转动自由度的抱紧器抱住，每个抱紧器与一个可施加压弯力的臂轴(arm shaft)相连，压弯力直接向下从而转动抱紧器把镜子弯成凹形。该臂轴可在抱紧器中抽动。其缺点是两个臂轴分别受两个施力源作用，极易造成受力的不均衡，从而使镜子变形不均匀。在镜子压弯的过程中，臂轴、抱紧器的滑动副接触面积大，两端摩擦力很难保持一致，这样也造成镜子变形不均匀，同时，也降低了系统的效率。在实际的光束线建设过程中，“点、槽、面”三点支撑机构被广泛的采用。这种机构的缺点是三个支撑杆球形头是靠重量压在“点”、“槽”、“面”上的，整个系统存在翻覆的可能。并且在镜体位置调整的过程中，“点”、“槽”、“面”的运动相互耦合，这给镜子姿态调整带来了不便。

另外，作为同步辐射上使用的准直、聚焦这类光学装置，真空度要求很高，一般在1×10⁸托以上，真空设计对于真空调试乃至整个装置的最终性能都有着重要的影响。如何根据具体问题，集成或创新独特的、方便的、实用的真空密封和连接方式成为摆在工程技术人员面前一个现实的问题。而且同步辐射光能量高，作为用在这种特殊条件下的光学装置，需要卸载热负荷。现有的水冷系统进出水管在镜箱内一般盘成复杂的螺旋管型式，走线复杂，加工不易控制，极易报废。安装也带来不便。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种同步辐射空间姿态可调连续变焦超长准直和聚焦系统，使其结构简单，曲率连续可调，且能自锁于所需要的镜子曲率半径，可实现镜子的空间四自由度方位调整，降低了真空安装和调试的难度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：镜子空间姿态调整系统、镜箱真空系统、带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统、镜子冷却水循环系统，其连接方式为：镜子空间姿态调整系统通过镜箱真空系统的松套法兰波纹管(一)与镜箱真空系统相连；带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统则通过镜箱真空系统的松套法兰波纹管(二)与镜箱真空系统相连，并通过其支撑柱安装座、支撑柱与镜子空间姿态调整系统相连；镜子冷却水循环系统通过其长条型无氧铜、压块、不锈钢杆与带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统的镜子相连，并通过其双刀口法兰型式与镜箱真空系统的箱体相连。

带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统与镜子空间姿态调整系统是一个整体，该整体的施力机构位于大气中，通过松套法兰波纹管(一)、(二)实现真空隔离；镜子冷却水循环系统与镜子直接捆绑，其进出水口通过双刀口法兰型式在镜箱底板上实现真空隔绝。

带用自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统包括：支撑台、支撑柱安装座、支撑柱、大框架、轴承转动副、小框架、平衡螺母、杠杆、拉绳、长条板、镜子、带有“腰”型槽短梁结构、“T”型架、“T”型架安装座、直线轴承和轴组成的导轨、由步进电机蜗轮蜗杆及螺旋运动副构成的“T”型架施力装置，其连接方式为：镜子小框架通过轴承转动副与大框架相连，能够转动。支撑柱安装座装在支撑台上。支撑柱装在支撑柱安装座上，其分界面靠近镜箱法兰处。这样，当进行真空调试时，则可以不必重装真空室内的器件，而更换铜圈等，带来极大的方便。大框架安装在支撑柱上，平衡螺母与杠杆通过螺纹连接，杠杆与长条板相连，能够转动。长条板支撑在大框架上。拉绳一端与杠杆相连，一端与镜子相连。镜子穿在小框架中间，并固紧。“T”型架一方面通过轴承与带有“腰”型槽短梁结构相连，一方面通过紧固件安装在“T”型架安装座中。直线轴承和轴组成的导轨的直线轴承安装在支撑台上，它的轴安装在“T”型架安装座中。由步进电机蜗轮蜗杆及螺旋运动副构成的“T”型架施力装置安装在支撑台上，并通过螺旋副与“T”型架安装座相连。

镜子自重平衡杠杆一端为平衡螺母，另一端通过拉绳抵消镜子的自重。这样就降低了自重对镜子面型的影响，保证了镜子仅受弯矩作用，使镜面更易压成所需要的形状。

镜子小框架通过轴承转动副与大框架相连，小框架上还一体加工了刚度足够的带有“腰”型槽短梁结构。T型架的水平梁两端安装着轴承，轴承可在带有“腰”型槽短梁结构内自由滑动。当T型架垂直梁受力时，T型架水平梁将力通过轴承施加到小框架带有“腰”型槽短梁结构的“腰”型槽的上表面或下表面，从而产生使镜子变形的弯矩。T型架施力装置由电机、蜗轮蜗杆、螺旋传动副组成，为了保证T型架垂直运动和防止其转动，还装配了导轨。这种施力结构具有可自锁的螺纹升角和蜗杆导程角，因而可以使镜子保持在任一曲率半径处。这种压弯系统具有如下两种工作模式，如T型架向上运动时，镜子在弯矩作用下弯曲呈凸状；当T型架向下运动时，镜子在弯矩的作用下弯曲呈凹状。

镜子空间姿态调整系统包括：由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置，沿z轴上下运动的两对双滑块导轨，沿x轴运动的两对双滑块导轨，由轴和轴承组成的绕x转动副，位于支撑台下的两个沿y向运动的双滑块导轨，连接座，绕z轴转动的弧形导轨，由步进电机螺旋运动副构成的驱动装置，镜子姿态调整系统底盘，四个螺杆及粗调定位板。其连接方式为：镜子姿态调整系统底盘，此底盘上装有四个螺杆，四个螺杆则通过粗调定位板与整个系统大底板相连；由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置装在底盘上；沿z轴上下运动的两对双滑块导轨的滑块装在由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置上，其滑轨固定在镜子姿态调整系统底盘上；沿x轴运动的两对双滑块导轨的滑轨与由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置相连，其滑块与绕z轴转动的弧形导轨相连；由轴和轴承组成的绕x转动副下面与绕z轴转动的弧形导轨相连，上面与双滑块导轨相连；连接座一方面与支撑台相连，一方面与绕x转动副相连；由步进电机螺旋运动副构成的驱动装置安装在由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置上，并通过螺旋传动副分别与两对沿x轴运动的双滑块导轨之一相连。支撑台具有一定的密度和体积，可以平衡真空载荷。

在这种镜子空间姿态调整系统结构中，支撑台的空间位置则代表了镜子的空间位置，因此，只要在箱体真空室外调整支撑台的位置，就可以调整箱体真空室内的镜子的姿态。沿z向运动的左右两套双滑块滑轨在由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置带动下，推动支撑台左右两端上下运动，从而实现镜子仰角调整及沿z轴升降，此时，y轴方向的导轨将补偿因z轴升降而带来的位移变化。x向导轨在由步进电机螺旋运动副构成的驱动装置带动下沿x向前后运动，推动镜体支撑台左右两端沿x轴前后运动，从而使镜子产生绕z轴的转动，实现镜子摆角的调整，其转动副为弧形导轨。实现镜子绕y轴方向旋转一定角度，即调整镜子的滚角则可以通过调整安装在底座上的四个螺杆上螺母的位置来达到。整个机构的机构的自锁则通过选择螺纹升角和蜗杆导程角来实现。

镜子冷却水循环系统包括：六根穿过镜子的不锈钢杆，两块长条型无氧铜，五个压块，冷却水管，固定法兰，内法兰，双刀口环形法兰，其连接方式为：两块长条形无氧铜一面是粗糙度很低的平面，一面上沿着长度方向开有与冷却水管外径相同的小于1/2园的圆弧。这两块长条型无氧铜在包上铟钾片后，通过六根穿过镜子的不锈钢杆及螺钉螺母与镜子紧密贴合，冷却水管平行处则通过五个压块及螺钉垫圈将水管压在长条形无氧铜的圆弧内，由于无氧铜圆弧内包着铟钾，所以传热效果更佳。固定法兰与箱体焊接，内法兰与水管焊接，双刀口环形法兰通过铜圈、紧固件与内法兰、固定法兰相连。

在进出水管处采用“单折”型式，结构简单，易于实现。为了使冷却水管容易安装在镜子两侧，冷却水管“U”型弯处采用两折型式，增加其开口的弹性。为了保证真空室内的密封效果，冷却水管采用一根管子弯成，中间无焊点。以保证同步辐射聚焦、准直系统既能够卸载热负荷，镜面面形又不受热变形影响。

镜箱真空系统包括：箱体，大支架，大底板，松套法兰波纹管(一)、(二)，双刀口法兰形式包括固定法兰，内法兰，双刀口环形法兰。其连接方式为：大支架与大底板固结，箱体安装在大支架上，松套法兰波纹管(一)、(二)一面通过松套法兰与箱体连接，另一面通过波纹管与镜子压弯系统和镜子空间姿态调整系统暴露于大气的机械部分相连以隔绝大气，水冷系统与箱体通过双刀口法兰形式实现真空隔绝。

由于镜箱与带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统、镜子姿态调整系统分别由不同的架子支撑，因而它们之间真空连接不可避免的会产生位置错位，这就造成了在拧紧波纹管的法兰时极难对准，采用了松套法兰波纹管(一)和(二)即可解决这个问题。水冷系统的真空密封系统则采用双刀口法兰形式，水冷系统并不直接与镜箱口固定法兰相连，因而在更换铜圈、法兰的真空调试中，可以不影响水冷系统，避免了真空发生问题时，水冷系统也要重做、重装，因而导致压弯系统部分重装的风险。

本发明具有实质性的特点和显著进步，镜子压弯系统机构简单、可卸载镜子自重、受力关系清楚、力矩施加对称，一台机器具有两种工作模式，镜子曲率连续可调，且能自锁于所需要的镜子曲率半径。镜子水冷系统与镜面的贴和方式结构独特，实施方便；镜子空间姿态调整系统利用支撑台能够代表镜子的空间姿态这一特点，通过在真空室外调整支撑台，就能够方便地实现镜子的空间四自由度方位调整；镜子与镜子空间姿态调整系统是通过紧固件、导轨等真正连为一起，可避免倾覆等意外事故发生；空间姿态调整系统采用自锁技术，能可靠保持当前的镜子方位状态；巧妙地利用了支撑台的重量卸载真空负载，简单实用；真空系统采用松套法兰波纹管与空气中的机械部分相连，所有的电器、需要润滑的部件都被设计成在真空室外，更易达到真空度要求；波纹管采用松套法兰型式，真空调试时，法兰对准方便，降低了真空安装和调试的难度；水冷系统与镜箱的连接采用创新的双刀口法兰型式，既方便了换铜圈、换法兰等真空调试工作，又可避免水冷系统因真空调试而报废。冷却水管走线在进出水口处采用“单”折型式，在U型弯处采用双折型式，方便了加工、安装；整个水冷管是一根管子做成，中间没有焊点，更以保证真空度；采用支撑柱安装座、支撑柱过渡连接方式，可局部进行真空调试而不影响系统整体。

附图说明

图1本发明总体结构示意图

图2本发明带有自重平衡的可变焦双模式镜子压弯系统结构示意图

图3本发明镜子空间姿态调整系统结构示意图

图4本发明镜子冷却水循环系统结构示意图

图5本发明镜箱真空系统结构示意图

具体实施方式

如图1所示，包括：镜子空间姿态调整系统1、镜箱真空系统2、带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统3、镜子冷却水循环系统4，其连接方式为：镜子空间姿态调整系统1通过镜箱真空系统2的松套兰波纹管45与镜箱真空系统2相连，带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统3则通过镜箱真空系统2的松套兰波纹管47与镜箱真空系统2相连，并通过其支撑柱安装座6、支撑柱7、支撑台5与镜子空间姿态调整系统1相连，镜子冷却水循环系统4通过其长条型无氧铜34、压块35、不锈钢杆33与带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统3的镜子15相连，并通过其双刀口法兰型式46与镜箱真空系统2的箱体44相连。

带有自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统3与镜子空间姿态调整系统1是一个整体，该整体的施力机构位于大气中，通过松套法兰波纹管45、47实现真空隔离；镜子冷却水循环系统4与镜子15直接捆绑，其进出水口通过双刀口法兰型式46在镜箱44底板上实现真空隔绝。

如图2所示，带用自重平衡的双模式变焦距镜子压弯系统3包括：支撑台5、支撑柱安装座6、支撑柱7、大框架8、轴承转动副9、小框架10、平衡螺母11、杠杆12、拉绳13、长条板14、镜子15、带有“腰”型槽短梁结构16、“T”型架17、“T”型架安装座18、直线轴承和轴组成的导轨19、由步进电机蜗轮蜗杆及螺旋运动副构成的“T”型架施力装置20，其连接方式为：镜子小框架10通过轴承转动副9与大框架8相连，支撑柱7设置在支撑柱安装座6上，其分界面靠近镜箱法兰处，大框架8设置在支撑柱7上，平衡螺母11与杠杆12通过螺纹连接，杠杆12与长条板14相连，长条板14支撑在大框架8上，拉绳13一端与杠杆12相连，一端与镜子15相连，镜子15穿在小框架10中间，并固紧，“T”型架17一方面通过轴承与带有“腰”型槽短梁结构16相连，一方面通过紧固件设置在“T”型架安装座18中，直线轴承和轴组成的导轨19的直线轴承设置在支撑台5上，它的轴设置在“T”型架安装座18中，由步进电机蜗轮蜗杆及螺旋运动副构成的“T”型架施力装置20设置在支撑台5上，并通过螺旋副与“T”型架安装座18相连。

如图3所示，镜子空间姿态调整系统1包括：由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置21，沿z轴上下运动的两对双滑块导轨22，沿x轴运动的两对双滑块导轨23，由轴和轴承组成的绕x转动副24，位于支撑台5下的两个沿y向运动的双滑块导轨25，连接座26，绕z轴转动的弧形导轨27，由步进电机螺旋运动副构成的驱动装置28，镜子姿态调整系统底盘29，四个螺杆30及粗调定位板31。其连接方式为：镜子姿态调整系统底盘29上设有四个螺杆30，四个螺杆30则通过粗调定位板31与整个系统大底板42相连，由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置21设置在镜子姿态调整系统底盘29上，沿z轴上下运动的两对双滑块导轨22的滑块设置由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置21上，其滑轨固定在镜子姿态调整系统底盘29上，沿x轴运动的两对双滑块导轨23的导轨与由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置21相连，其滑块与绕z轴转动的弧形导轨27相连，由轴和轴承组成的绕x转动副24下面与绕z轴转动的弧形导轨27相连，上面与双滑块导轨25相连；连接座26一方面与支撑台5相连，一方面与绕x转动副24相连，由步进电机螺旋运动副构成的驱动装置28设置在由步进电机蜗轮蜗杆螺旋运动副构成的驱动装置21上，并通过螺旋传动副与双滑块导轨23相连。

如图4所示，镜子冷却水循环系统4包括：六根穿过镜子的不锈钢杆33，两块长条型无氧铜34，五个压块35，冷却水管41，固定法兰39，内法兰38，双刀口环形法兰40组成，其连接方式为：两块长条形无氧铜34一面是粗糙度很低的平面，一面上沿着长度方向开有与冷却水管41外径相同的小于1/2圆的圆弧，这两块长条型无氧铜34在包上铟钾片后，通过六根穿过镜子的不锈钢杆33及螺钉螺母与镜子15紧密贴合，冷却水管平行处37则通过五个压块35及螺钉垫圈将水管压在长条形无氧铜34的圆弧内，固定法兰39与箱体44焊接，内法兰38与冷却水管41焊接，双刀口环形法兰40通过铜圈、紧固件与内法兰38、固定法兰39相连。

在进出水管32处采用“单折”型式，冷却水管41“U”型弯处36采用两折型式，冷却水管41采用一根管子弯成，中间无焊点。

如图5所示，镜箱真空系统2包括：箱体44，大支架43，大底板42，松套法兰波纹管45、47，双刀口法兰形式46，双刀口法兰形式46包括固定法兰39，内法兰38，双刀口环形法兰40。其连接方式为：大支架43与大底板42固结，箱体44安装在大支架43上，松套法兰波纹管45、47，上面通过松套法兰与箱体44连接，另一面通过波纹管与镜子压弯系统3和镜子空间姿态调整系统1暴露于大气的机械部分相连以隔绝大气，水冷系统4与箱体44通过双刀口法兰形式46的真空隔绝。