CN113936840A - 一种温控x射线变形镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温控X射线变形镜，包括基底和设于基底的上表面上的光学反射膜，所述光学反射膜镀设于基底的上表面上的中心线的位置，且若干导热触点排布在基底上的所述光学反射膜以外的位置，每个导热触点设置为在高温或低温的作用下产生局部的热胀冷缩，进而使温控X射线变形镜产生所需的面形；所述基底的上表面设有滑轨，所述导热触点沿滑轨的延伸方向可自由移动。本发明的温控X射线变形镜设置可移动的导热触点且该导热触点在高温或低温的作用下产生局部的热胀冷缩，从而可根据实际面形误差的分布情况，通过移动触点在不同位置对凸或凹面形进行对应的补偿，达到目标的面形特性。

Description

一种温控X射线变形镜

技术领域

本发明属于主动式的X射线光学波前校正领域，具体涉及一个温控变形镜，用以掠入射X射线的聚焦、和波前调节。

背景技术

在硬X射线波段，任何材料的折射率都接近于1。因此，只有在掠入射角很小时才能获得较高的反射率。故掠入射的反射元件是实现硬X射线成像和聚焦等功能的主要形式。X射线经过元件的准直、偏转和聚焦后，其光束的波前特性和相干性都会受到显著的破坏。光学元件、尤其是反射元件，其抛光和镀膜产生的面形与理想面形的偏差，会对光束波前产生影响。目前世界上最好的直接面形抛光技术也无法完全满足极限聚焦或者相干性的保持。而传统机械压弯则调节维度较少无法形成完美的面形。

以压电变形为代表的主动面形修正技术近年来得到重视，其可产生较大变形量，并可在线实时对面型误差进行精确补偿。然而压电变形镜的促动器是沉积或黏贴在压电陶瓷上，具有固定的排布，这就造成压电变形镜对于面形的补偿存在限制。目前世界范围内其他的补偿技术如温控和磁控的应用较少，也都是类似于压电变形镜的固定排布设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温控X射线变形镜，以对其镜面的不同位置的面形误差进行针对性补偿。

为了实现上述目的，本发明提供一种温控X射线变形镜，包括基底和设于基底的上表面上的光学反射膜，所述光学反射膜镀设于基底的上表面上的中心线的位置，且若干导热触点排布在基底上的所述光学反射膜以外的位置，每个导热触点设置为在高温或低温的作用下产生局部的热胀冷缩，进而使温控X射线变形镜产生所需的面形；所述基底的上表面设有滑轨，所述导热触点沿滑轨的延伸方向可自由移动。

每个导热触点均包括一个竖直的接触杆和位于所述接触杆的顶端的接头，通过接触杆与基底充分接触。

所述基底在滑轨的下部设有沟槽结构，沟槽结构的开口与滑轨对齐；所述导热触点的接触杆容置于所述沟槽结构中且接头卡设于滑轨上。

所述滑轨的延伸方向平行于所述中心线，且一部分滑轨延伸至基底以外区域。

所述导热触点排布为双排形式，若干对导热触点对称地排布在所述光学反射膜的两侧，使得温度均匀对称地作用于光学反射膜的区域。

对称地排布在所述光学反射膜的两侧的每一对导热触点分别与热源和/或冷源相连。

每个导热触点分别与热源和/或冷源相连。

所述切换开关通过热传导线与所述导热触点、所述的热源和/或冷源相连，所述热传导线包裹有隔热材料。

所述温控X射线变形镜还包括一个绝热腔体，所述绝热腔体为放置在低真空环境内的腔体或者与环境隔绝隔离的密闭腔体，且所述温控X射线变形镜除了光学反射膜之外的部分均放置在所述绝热腔体内。

所述基底在不同位置和每个导热触点分别与一个热敏电阻连接，并且通过所述热敏电阻和电阻测量装置来进行温度测量，以实时反馈热敏电阻的阻值读数到一控制输出***，所述控制输出***的温度控制精度为至多0.1摄氏度误差。

本发明的温控X射线变形镜设置可移动的导热触点且该导热触点在高温或低温的作用下产生局部的热胀冷缩，从而可根据实际面形误差的分布情况，通过移动触点在不同位置对凸或凹面形进行对应的补偿，达到目标的面形特性。即，本发明克服了传统压电、温控或磁控等主动式变形镜促动器排布固定，而对面形的修正存在限制的缺点，利用热、冷源在镜面上的移动，在镜面局部通过高温或低温所产生的热胀冷缩而形成镜面表面的鼓包或凹陷，从而对于面形误差进行相应位置的针对性补偿。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的温控X射线变形镜的结构示意图。

图2是导热触点在高温和低温作用下对于面形曲率操控的示意图，导热触点在高温或低温的作用下使得镜体表面产生局部的热胀冷缩，从而产生所需要的鼓包或凹陷。

图3是不同温度的铜材料的导热触点在硅材料的镜面所产生的面形高度随镜长变化的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图1-图2所示为根据本发明的一个实施例的温控X射线变形镜，其包括基底11(即镜体基底)和设于基底11的上表面上的光学反射膜12。光学反射膜12的上表面构成了镜面。

其中，所述基底11(即镜体基底)为矩形，或者梯形、纺锥形、圆形等常见其他形状。温控X射线变形镜的基底11的材料为导热系数大于100W/m·K的材料，如单晶硅或碳化硅基底，以满足镜面可以在温度的变化下发生快速热响应。

所述温控X射线变形镜在其基底11的上表面上具有沿镜长子午方向延伸的中心线。在本实施例中，所述光学反射膜12镀设于基底11的上表面上的中心线的位置，且若干对导热触点2对称地排布在所述光学反射膜12的两侧，以使得温度均匀对称地作用于光学反射膜12的区域，进而使温控X射线变形镜产生可控的面形起伏。所述导热触点2排布为两排形式，然而在其他实施例中，其温控触点排布不仅限于描述的双排形式的阵列，也可以是多排的阵列形式或者多排多列的阵列形式，相应地，导热触点2也可以排布在基底11上的所述光学反射膜12以外的任意位置。

如图2所示，由于热胀冷缩作用，每个导热触点2设置为在高温或低温的作用下使得以每个导热触点2为中心在一定半径内的基底11的表面产生局部的热胀冷缩，从而产生所需要的鼓包或凹陷(通常，高温导致鼓包，低温导致凹陷)，进而使温控X射线变形镜产生所需的面形，以修正光束波前并产生所需的扩散或聚焦效果。每一对沿中心线对称的导热触点共同作用，可以使得中间的光学反射膜12区域的面形产生变化，进而获得理想的波前。

再请参见图1，所述基底11的上表面还设有滑轨13，所述导热触点2沿滑轨13的延伸方向可自由移动。在X射线掠入射条件下，波前误差

与面形高度误差Δd满足如下关系式：

其中K是波矢。因此，通过调控面形，减少各个区域的面形高度误差Δd，可以获得理想完美的波前。一个光路的波前误差来源于光源和所有光学元件的面形误差，但是通过一个主动补偿的反射镜就可以实现其子午维度的波前误差的有效校正。由此，本发明实现掠入射反射镜的面形主动调控，由于设计中的温度触点可以移动，可以实现同一套反射镜***在复杂的光束波前环境或者不同的光束下进行使用，来修正镜面本身的面形误差以及前置光路中其他元件所带来的波前误差。它也可以与其他机械和自适应变形镜***结合使用，利用温控与机械和压电等激励的空间频率的差异形成互补式的面形修正。而对于类似同步辐射和自由电子激光中前置高热负载的单色器或者反射镜，其以热致变形来补偿热负载下的面形误差，从空间频率角度也会更加理想。

具体来说，每个导热触点2均包括一个竖直的接触杆21和位于所述接触杆的顶端的接头22，通过接触杆21与基底11充分接触，以在存在温度差时，进行热量传递即热传导。基底11在滑轨13的下部设有沟槽结构，沟槽结构的开口与滑轨13对齐；导热触点2的接触杆21容置于所述沟槽结构中且接头22卡设于滑轨13上，以达到导热触点2和基底11充分接触的效果，且使得导热触点2能够沿滑轨13的延伸方向自由移动。滑轨13的延伸方向平行于所述中心线，且一部分滑轨13延伸至基底11以外区域，从而保证导热触点2在基底11上运行的位置。在本实施例中，由于若干对导热触点2对称地排布在所述光学反射膜12的两侧，因此滑轨13的数量为两条，其分别位于光学反射膜12的两侧。

此外，在不破坏光学反射膜12的前提下，两条滑轨13设置为尽可能贴近光学反射膜12的区域，如两条滑轨13与光学反射膜12的边界的最近距离小于10毫米，以增加温度对于所述温控X射线变形镜的镜面的面形的调控灵敏度。

在本实施例中，对称地排布在所述光学反射膜12的两侧的每一对导热触点2分别通过一切换开关3同时连接一热源4和一冷源5，以通过所述切换开关3在热源4和冷源5之间进行切换。其中，对于每一对导热触点2，其对应的切换开关3的静触头与所述导热触点2连接，两个动触头分别与热源4和冷源5连接。在其他实施例中，每一对导热触点2不仅限于描述的热源和冷源的切换使用，也可以是，每一对导热触点2分别仅仅与一热源4连接或者仅仅与一冷源5连接，以实现单独的热源控制或者冷源控制。进一步地，在其他实施例中，也可以每个导热触点2分别通过一切换开关3同时连接一热源4和一冷源5，或者仅仅与一热源4连接，或者仅仅与一冷源5连接。

导热触点2的对数(即热源4和冷源5的数量)根据温控X射线变形镜的长度和实际应用可以是一个到几十个，从而使每对导热触点2可以补偿温控X射线变形镜的局部面形缺陷或者调制中低频的面形误差。具体来说，当测量得到镜面面形误差分布时，一定数量的导热触点2设置为手动或电动滑动至待修正的面形的位置，以对该位置处的局部面形进行补偿，而不需要的触点则留在延伸至基底11以外区域的滑轨3中。

所述切换开关3通过热传导线与所述导热触点2、热源4和/或冷源5相连。导热触点2和热传导线的材料须保持很好的导热性(例如，材料可以是铜，其热导率约为398W/m·K；铝，其热导率为237W/m·K；银，其热导率为411W/m·K；金，其热导率为315W/m·K，等等)，并减小热源以及冷源到触点的距离以使得热源以及冷源到触点的距离在至少10厘米内，同时对于热传导线包裹特殊隔热材料(尤其对于冷源)，以保证触点接近热源或冷源的设置温度。镜体的滑轨13采用导热较差的材料(即滑轨13的材料的热导率低于10W/m·K)，防止触点之间发生直接热传导，从而互相影响。

本发明的温控X射线变形镜除了光学反射膜12之外的部分(即所述基底11、滑轨13、导热触点2、切换开关3、热传导线、热源4和冷源5)，尤其是热传导线部分，可以使用隔热材料隔绝，以防止快速镜面快速散热，造成表面温度不容易达到平衡状态。具体来说，本发明的温控X射线变形镜还包括一个绝热腔体，所述绝热腔体为放置在低真空环境内的腔体或者与环境隔绝隔离的密闭腔体，且本发明的温控X射线变形镜除了光学反射膜12之外的部分(尤其是热传导线部分)均放置在上述的绝热腔体内，以减少与空气的热交换，防止环境对于热传导的扰动而造成镜面无法快速达到所需的热平衡。

基底11在不同位置和每个导热触点2分别与一个高精度的热敏电阻连接，并且通过热敏电阻和电阻测量装置来进行温度测量，以实时反馈热敏电阻的阻值读数到一高精度的控制输出***，进而保持温度控制的精度。高精度的控制输出***的温度控制精度需要保持在至多0.1摄氏度误差的精度，使得面形保持较高的稳定性。

上述的导热触点2、热源4和冷源5构成了温控面形控制***，该温控面形控制***可以单独作用在镜体修正面形，也可以结合其他机械压弯镜或者压电变形镜等自适应镜使用，主要基于温度和其他变形对应修正面形误差的空间频率不同的特点，以达到更加灵活的面形修正效果。也就是说，本发明的温控X射线变形镜还可以设有用于改变温控X射线变形镜的面形的压电变形装置和/或机械压弯装置。

温控X射线变形镜的长度(沿其镜长子午方向)可以是米级的长镜子，也可以是厘米级的小型镜子。本发明所适用的镜面的面形不限，镜面的面形可以包括常见的平面、各类柱面、超环面、各类球面等。

图3显示了一对简易铜制的导热触点在对硅材料的镜面加热后，两个导热触点的中间区域的面形高度随镜长变化的示意图，其中图中的4根线条分别示出了20、60、80和100℃下的情况。由于硅的热导率不高，几十度的温度变化仅造成镜面中心10度左右的变化，但是由于温度对于面形改变非常敏感，镜面局部依然有超过100纳米的高度改变。对于特定尺寸和材料的基底，温度变化可以产生对应的热致响应函数。热致响应函数可以利用高精度的斐索激光干涉仪测定得到，利用热致响应函数可以直接计算出温控X射线变形镜的面形变化与温度的关系，进而确定热敏电阻的阻值读数。

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。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 (10)

1.一种温控X射线变形镜，其特征在于，包括基底和设于基底的上表面上的光学反射膜，所述光学反射膜镀设于基底的上表面上的中心线的位置，且若干导热触点排布在基底上的所述光学反射膜以外的位置，每个导热触点设置为在高温或低温的作用下产生局部的热胀冷缩，进而使温控X射线变形镜产生所需的面形；所述基底的上表面设有滑轨，所述导热触点沿滑轨的延伸方向可自由移动。

2.根据权利要求1所述的温控X射线变形镜，其特征在于，每个导热触点均包括一个竖直的接触杆和位于所述接触杆的顶端的接头，通过接触杆与基底充分接触。

3.根据权利要求2所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述基底在滑轨的下部设有沟槽结构，沟槽结构的开口与滑轨对齐；所述导热触点的接触杆容置于所述沟槽结构中且接头卡设于滑轨上。

4.根据权利要求3所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述滑轨的延伸方向平行于所述中心线，且一部分滑轨延伸至基底以外区域。

5.根据权利要求1所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述导热触点排布为多排阵列。

6.根据权利要求5所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述导热触点排布为双排阵列，若干对导热触点对称地排布在所述光学反射膜的两侧，使得温度均匀对称地作用于光学反射膜的区域，对称地排布在所述光学反射膜的两侧的每一对导热触点分别与热源和/或冷源相连。

7.根据权利要求5所述的温控X射线变形镜，其特征在于，每个导热触点分别与热源和/或冷源相连。

8.根据权利要求6或7所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述切换开关通过热传导线与所述导热触点、所述的热源和/或冷源相连，所述热传导线包裹有隔热材料。

9.根据权利要求1所述的温控X射线变形镜，其特征在于，还包括一个绝热腔体，所述绝热腔体为放置在低真空环境内的腔体或者与环境隔绝隔离的密闭腔体，且所述温控X射线变形镜除了光学反射膜之外的部分均放置在所述绝热腔体内。

10.根据权利要求1所述的温控X射线变形镜，其特征在于，所述基底在不同位置和每个导热触点分别与一个热敏电阻连接，并且通过所述热敏电阻和电阻测量装置来进行温度测量，以实时反馈热敏电阻的阻值读数到一控制输出***，所述控制输出***的温度控制精度为至多0.1摄氏度误差。

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