CN112763531B - 一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，包括真空室，其内设有冷却块和精密运动滑台，所述精密运动滑台上设有热沉和用于固定多层膜的夹持器，所述冷却块和热沉为可分离触接，所述热沉与夹持器之间设有传热导线，所述夹持器远离所述热沉的一面上设置有电加热片；电子枪，设置于真空室外，其枪管伸入所述真空室内并与所述真空室固定连接；液氮循环主机，与所述冷却块相连通而形成循环冷却***；温控仪，与所述夹持器上的电加热片连接。本发明的试验装置通过循环试验模拟多层膜受热变形的低周疲劳过程，为有限元分析结果提供试验验证条件，对多层膜光学元件液氮冷却热疲劳研究有重要意义。

Description

一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置
技术领域
本发明涉及同步辐射领域，更具体地涉及一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置。
背景技术
第三代同步辐射装置中***件光源产生了非常高能量的X射线，受此照射的光学元件由于热负载导致元件热变形，降低光束的性能，包括光束尺寸、发散角和光子通量。为了降低热变形有水冷和液氮冷却两种方式，对于功率密度很高以及未来升级的以北京光源为代表的***光源，部分线站采用水冷方式无法满足要求，必须使用液氮冷却才能使光学元件的面形满足要求。X射线多层膜元件是在具有一定面型的基底上，间隔镀制两种材料的膜层，由折射系数较大的材料薄层作为散射层，实现X射线的散射，由折射系数较小的材料薄层作为间隔层，对散射层起支撑的作用，可以看作是人造的一维光子晶体。和普通的硅晶体相比，多层膜的带宽比晶体单色器大，反射率高，多层膜的通光效率比晶体单色器大2个数量级。在液氮冷却和高功率密度X射线照射下，多层膜元件由于膜层材料和基底材料的热膨胀系数不同，元件温度变化时，膜层中会产生极大的热应力。热应力一方面造成元件表面的面型形变，另一方面造成膜层破裂、元件损伤甚至失效。
目前，关于液氮冷却条件下试样疲劳测试装置主要由疲劳试验机加装液氮罐而成，液氮通过注入环境箱提供低温环境，液氮无法循环浪费多，且针对的试样主要是金属及其合金材料，无法对光学元件进行疲劳测试，另一方面由于疲劳试验机加载的是力载荷，即使有热机械疲劳试验机通过涡流加热试样，这与同步辐射非金属光学元件因X射线光束照射受到的热载荷不同，而且多层膜元件往往要求真空环境，而商用真空环境疲劳试验***又无法提供液氮环境且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，以对多层膜光学元件的热疲劳和长期运行可靠性进行测试研究。
本发明提供一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，包括：
真空室，其内设有冷却块和精密运动滑台，所述精密运动滑台上设有热沉和用于固定多层膜的夹持器，所述冷却块和热沉为可分离触接，所述热沉与夹持器之间设有传热导线，所述夹持器远离所述热沉的一面上设置有电加热片；
电子枪，设置于真空室外，其枪管伸入所述真空室内并与所述真空室固定连接；
液氮循环主机，与所述冷却块相连通而形成循环冷却***；
温控仪，与所述夹持器上的电加热片连接。
进一步地，还包括温度传感器和应变片，分别用于实时监测多层膜的温度和应力应变状态。
进一步地，所述传热导线设置在所述热沉和夹持器的两侧。
进一步地，所述传热导线为铜辫子。
进一步地，所述夹持器上设有凹槽，所述电加热丝固定在所述凹槽内。
进一步地，所述电加热片内的加热丝呈回形曲折状设置。
进一步地，所述冷却块具有两平行设置的通孔，所述通孔内设有液氮冷却管，所述液氮冷却管的两端分别与所述液氮循环主机相连通。
进一步地，所述热沉靠近所述冷却块的一面上设有凸起，所述冷却块上设有与所述凸起相配合的接触孔。
进一步地，所述热沉与所述凸起一体成型。
进一步地，所述精密运动滑台上设有绝热陶瓷基座，所述热沉和夹持器固定在所述绝热陶瓷基座上。
进一步地，所述真空室内设有调节垫板，所述精密运动滑台固定在所述调节垫板上。
进一步地，所述冷却块和热沉的接触处、所述传热导线与热沉和夹持器的接触处均垫有铟片。
进一步地，所述真空室内设置有与所述精密运动滑台相连的驱动装置。
进一步地，所述真空室外设有PLC控制***，其分别与所述电子枪、所述温控仪、所述温度传感器、所述液氮循环主机和所述驱动装置电连接。
本发明的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，通过设置热沉与冷却块可脱离接触的结构以模拟热负荷加载过程，实现了从常温-冷却-加载-卸载-去冷却-常温的周期性疲劳过程，比较真实的离线模拟了光源线站多层膜的工作状态，保证了试验结果的可靠性；通过使用铜辫子将热沉和夹持器两侧连接，可将对多层膜的变形影响减到最小；通过设置电加热片辅助回温，可有效加快疲劳试验进程；PLC自动控制则可减少人为因素对试验的影响。本发明的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，通过循环试验模拟多层膜受热变形的低周疲劳过程，为有限元分析结果提供试验验证条件，对高功率密度光束下的多层膜光学元件液氮冷却热疲劳研究有重要意义，其不仅可用于多层膜疲劳寿命的预测，同时可用于研究其他液氮冷却光学元件被X射线照射后的热疲劳分析。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的位于真空室内的部件的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的夹持器的结构示意图；
图4为示出了多层膜、温度传感器和应变片之间的位置关系的示意图；
图5为本发明实施例提供的真空室、冷却块和液氮冷却管结构示意图；
图6为本发明实施例提供的冷却块的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的热沉的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的位于热沉下方的绝热陶瓷基座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，包括真空室1以及设置于真空室1之外的电子枪2、液氮循环主机14和温控仪15，真空室1为一直径450mm的圆形腔体，其内设有冷却块7和精密运动滑台4，精密运动滑台4上设有热沉6和用于固定多层膜12的夹持器5，精密运动滑台4可朝远离或靠近冷却块7的方向运动，其可选用现有的任意一款，例如，本实施例中采用型号为MVXA05A-R102的精密运动滑台，在精密运动滑台4的带动下，热沉6与冷却块7可分离地触接；精密运动滑台4的一侧连接有驱动装置3，例如为伺服电机，用于驱动精密运动滑台4的运动；夹持器5远离热沉6的一面上设置有电加热片11，用于加热多层膜12；真空室1外周壁上可开设一窗口(图中未示出)，电子枪2的枪管通过该窗口伸入真空室1内，且通过法兰安装在该窗口上，用于试验过程中模拟同步加速器辐射光源的X射线，在8keV时可产生100mA的束流，电子枪7的枪管对准多层膜12，便于将发射的电子束打在多层膜12上；冷却块7与液氮循环主机14连通而形成循环冷却***，当热沉6与冷却块7接触时，通过冷却块7、热沉6、夹持器5之间的热传递，可对多层膜12进行冷却；温控仪15与夹持器5上的电加热片11电连接，在本实施例中，温控仪15的型号为Lake Shore 336。
如图2所示，冷却块7、热沉6和夹持器5可依次相对排列，传热导线9分别连接在热沉6和夹持器5的两侧，两者之间通过传热导线9进行传热，例如，传热导线9可以为铜辫子，铜辫子与热沉6、夹持器5在每一侧均通过两个内六角圆柱头螺钉连接，连接好的铜辫子仍具有一定的长度冗余以减小变形和振动的传递。
多层膜12固定在夹持器5远离热沉6的那一面上，在本实施例中，多层膜12采用硅基底，Ru/C交替周期多层膜，周期数100，层间间距2.5nm，硅基底尺寸为60mm*30mm*10mm，多层膜晶体形面误差小于1urad(RMS)，表面粗糙度误差小于0.3nm(RMS)。电加热片11可设置在多层膜12的硅基底与夹持器5之间。
具体地，如图3所示，夹持器5上可设置一凹槽51，电加热片11与多层膜12均位于该凹槽51内(为显示出电加热片11，图3中没有示出多层膜12)，电加热片11的加热丝呈回形曲折状以增大与多层膜12的接触面积，提高加热效率。多层膜12通过两内六角圆柱头螺钉固定在凹槽51内，凹槽51外还设置有两个镜夹17，其通过螺钉固定在夹持器5上，预防多层膜12可能倾倒而起遮挡作用，实际上镜夹17与多层膜12可能无接触，这样可使多层膜12受到的外变形较小。
如图4所示，该试验装置还包括温度传感器19和应变片20，例如，温度传感器19的探针可放置在多层膜12的硅基底上，用于实时监测多层膜12的温度，应变片20用于测量并记录多层膜12的应力应变状态，可设置为两个，在多层膜上靠近电子束的光斑范围121的位置各放置一个，这样可以使测得的数据更真实，同时还不会受到电子束的直接照射，保护应变片20。
如图5和图6所示，冷却块7可设置为一铜制H形板，其沿H形的长度方向设有两个通孔(图中未示出)，一U形液氮冷却管8穿过两通孔，并与冷却块7焊接，该U形液氮冷却管8的两端分别穿过真空室1的外周壁后与液氮循环主机14连通。
如图7所示，热沉6可设置为一矩形板，其上设有一铜制凸起61，相应的，如图6所示，冷却块7上设有一与凸起61相配合的接触孔71，凸起61***接触孔71中后，热沉6贴紧冷却块7，便于传递热量。优选地，热沉6与凸起61一体成型。
继续参照图2，精密运动滑台4上还可设置绝热陶瓷基座10，分别位于热沉6和夹持器5的下方，热沉6和夹持器5固定在绝热陶瓷基座10上，以减少热沉6、夹持器5与精密运动滑台4之间的热量传递。在一可行的实施方式中，如图3所示，位于夹持器5下方的绝热陶瓷基座10为两个间隔设置的小方片，两小方片均通过螺钉与夹持器5和精密运动滑台4固定连接；如图8所示，位于热沉6下方的绝热陶瓷基座10呈“凸”字型，热沉6通过螺钉固定在凸起部，绝热陶瓷基座10未凸起的两侧通过螺钉与精密运动滑台4固定连接。
如图2所示，真空室1内还可设置有调节垫板18，其通过四个一字沉头螺钉固定在真空室1内，精密运动滑台4则通过四个一字沉头螺钉固定在调节垫板18上，该调节垫板18起到支撑和调节精密运动滑台4高度的作用。
如图1所示，本实施例的试验装置还可包括位于真空室1之外的可编程逻辑控制器(PLC)13，其对电子枪2、温控仪15、液氮循环主机14、温度传感器19和驱动装置3等进行控制，以实现整个试验装置的自动控制，减少人为因素的影响。
冷却块7、热沉6、夹持器5均可由无氧铜材料制成，以提高传热效率。
在每个热量交换接触处，例如凸起61的圆周处、冷却块7和热沉6接触处、铜辫子与热沉6和夹持器5的接触处均可垫有铟片以增大接触热导。
下面将对本实施例的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置的使用过程做进一步地说明：
(1)试验开始前，真空室1内为常温，即293K，热沉6与冷却块7是紧密接触的，先启动液氮循环主机14，使循环冷却***开始工作，此时的热传导过程为液氮循环主机14---液氮冷却管8---冷却块7---热沉6---传热导线9---夹持器5---电加热片11---多层膜12，通过多层膜12上的温度传感器19实时监测温度，直到温度数值不变达到平衡，此时多层膜12的温度接近80K，在整个试验过程中，液氮循环主机一直处于运行状态不停止。
(2)当温度第一次达到平衡状态时，即上述温度接近80K的状态，电子枪2发射电子束，打在多层膜12上，此时由于受到来自电子枪2的热载，多层膜12的温度会高于80K，一段时间后，温度传感器19监测到的温度数值将再次保持不变，达到第二次温度平衡。
(3)第二次温度平衡后，PLC控制电子枪2关闭，然后驱动装置3驱动精密运动滑台4带动热沉6和夹持器5朝远离冷却块7的方向移动，从而使热沉6与冷却块7脱开。
(4)热沉6与冷却块7脱开后，温控仪15控制电加热片11通电，对多层膜12加热，辅助回温，当温度传感器19监测的温度数值达到293K时，停止加热，应变片20记录以上整个过程(即温度从293K---温度至80K---电子枪加载---电子枪卸载---温度至293K的过程)多层膜12的应力应变状态，至此一个循环周期结束。
(5)开始下一个循环周期，驱动装置3驱动精密运动滑台4朝接近冷却块7的方向移动，使热沉6与冷却块7再次接触，并重复上述过程(1)--(4)，以此达到循环加载模拟疲劳的过程。
其中，上述整个过程均可由PLC 13进行控制，从而实现整个试验过程的自动化。
本发明实施例提供的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，通过设置热沉6与冷却块7可脱离接触的结构以模拟热负荷加载过程，实现了从常温-冷却-加载-卸载-去冷却-常温的周期性疲劳过程，比较真实的离线模拟了光源线站多层膜12的工作状态，保证了试验结果的可靠性；通过使用铜辫子将热沉6和夹持器5两侧连接，可将对多层膜的变形影响减到最小；通过设置电加热片11辅助回温，可有效加快疲劳试验进程；PLC自动控制则可减少人为因素对试验的影响。本实施例的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，通过循环试验模拟多层膜受热变形的低周疲劳过程，为有限元分析结果提供试验验证条件，对高功率密度光束下的多层膜光学元件液氮冷却热疲劳研究有重要意义，其不仅可用于多层膜疲劳寿命的预测，同时可用于研究其他液氮冷却光学元件被X射线照射后的热疲劳分析。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (14)

1.一种用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，包括：
真空室，其内设有冷却块和精密运动滑台，所述精密运动滑台上设有热沉和用于固定多层膜的夹持器，所述冷却块和热沉为可分离触接，所述热沉与夹持器之间设有传热导线，所述夹持器远离所述热沉的一面上设置有电加热片；
电子枪，设置于真空室外，其枪管伸入所述真空室内并与所述真空室固定连接；
液氮循环主机，与所述冷却块相连通而形成循环冷却***；
温控仪，与所述夹持器上的电加热片连接。
2.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，还包括温度传感器和应变片，分别用于实时监测多层膜的温度和应力应变状态。
3.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述传热导线设置在所述热沉和夹持器的两侧。
4.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述传热导线为铜辫子。
5.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述夹持器上设有凹槽，所述电加热丝固定在所述凹槽内。
6.根据权利要求5所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述电加热片内的加热丝呈回形曲折状设置。
7.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述冷却块具有两平行设置的通孔，所述通孔内设有液氮冷却管，所述液氮冷却管的两端分别与所述液氮循环主机相连通。
8.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述热沉靠近所述冷却块的一面上设有凸起，所述冷却块上设有与所述凸起相配合的接触孔。
9.根据权利要求8所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述热沉与所述凸起一体成型。
10.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述精密运动滑台上设有绝热陶瓷基座，所述热沉和夹持器固定在所述绝热陶瓷基座上。
11.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述真空室内设有调节垫板，所述精密运动滑台固定在所述调节垫板上。
12.根据权利要求1所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述冷却块和热沉的接触处、所述传热导线与热沉和夹持器的接触处均垫有铟片。
13.根据权利要求2所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述真空室内设置有与所述精密运动滑台相连的驱动装置。
14.根据权利要求13所述的用于液氮冷却多层膜的热疲劳测试的试验装置，其特征在于，所述真空室外设有PLC控制***，其分别与所述电子枪、所述温控仪、所述温度传感器、所述液氮循环主机和所述驱动装置电连接。
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