水冷單色器與精密冷水機(jī)

在光學(xué)精密工程里，晶體單色器作為同步輻射光束線中重要的分光元件，廣泛應(yīng)用于上海同步輻射光源。是光束線中的關(guān)鍵設(shè)備，各實(shí)驗(yàn)站所需單色光波長(zhǎng)、能量分辨率、光斑大小都是由單色器來(lái)實(shí)現(xiàn)或決定，它是整個(gè)同步輻射光應(yīng)用中最重要的裝備之一。

承擔(dān)該項(xiàng)研制任務(wù)的西安光機(jī)所“水冷弧矢聚焦單色器"項(xiàng)目組，成功研制出我國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水冷弧矢聚焦單色器。

水冷單色器結(jié)構(gòu)的研究，離不開(kāi)高精度控溫的精密冷水機(jī)。而項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的公共冷水系統(tǒng)，滿足不了單色器的冷卻要求。在國(guó)內(nèi)的多個(gè)加速器項(xiàng)目，比如上海同步輻射光源、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)以及正在建設(shè)的北京先進(jìn)光源，大量使用單色器，需要配置不同技術(shù)要求的精密冷水機(jī)。

單色器對(duì)冷水機(jī)的溫度、壓力、流量的精密需求，這里分開(kāi)闡述一下。

首先是循環(huán)水溫度，溫度主要是溫控精度，溫控精度一般要求±0.01度或者±0.0.2度。國(guó)內(nèi)外大部分的冷水機(jī)滿足不了這個(gè)溫控要求，有的是溫度控制的穩(wěn)定性不夠，有的是溫度測(cè)量的溫漂和時(shí)漂滿足不了使用要求。

下圖是長(zhǎng)流儀器精密冷水機(jī)的24小時(shí)溫度測(cè)試記錄。

第二是循環(huán)壓力。單色器包含大量的精密光學(xué)組件，對(duì)冷卻水的循環(huán)壓力比較敏感，首先是要求壓力較高，其次是要求壓力的穩(wěn)定性。頻繁的壓力波動(dòng)，對(duì)光學(xué)器件造成一定的干擾。對(duì)于單色器來(lái)說(shuō)，既要避免啟動(dòng)壓力的沖擊，也要避免運(yùn)行過(guò)程中壓力的波動(dòng)，這兩部分必須解決好才能滿足單色器的使用。

第三是冷卻水的流量穩(wěn)定性。流量的波動(dòng)，一般不超過(guò)±0.03L/min。對(duì)精密冷水機(jī)的流量測(cè)量、循環(huán)泵選型、管道布置，都需要專業(yè)的設(shè)計(jì)考慮，才能滿足流量波動(dòng)性的要求。

上海光源X射線衍射光束線(BL14B1)和小角散射光束線(BL16B1)中的水冷弧矢聚焦單色器研制過(guò)程中，模擬分析了底冷式和曲頂槽式兩種水冷結(jié)構(gòu)，均能有效降低晶體表面的溫升、減小變形量，長(zhǎng)流儀器研發(fā)的控溫精度±0.01℃精密冷水機(jī)，是其中一個(gè)重要的水冷組件。