超高真空精密四刀狭缝的结构原理及有限元分析

上海光源(SSRF)是-台高性能的第三代同步辐射装置，以波荡器和扭摆器插入装置为特征，是我国迄今为止最大的科学装置 。]，被广泛应用于基础研究和应用研究领域l4 ]。同步辐射装置主要由储存环、光束线和实验站构成。光束线中需使用大量的精密狭缝，以限定光束张角、阻挡杂散光、提高能量分辨率[6]。第三代同步辐射光源的高通量和良好的相干性为发展高分辨和高产出的 X射线干涉光刻技术提供了物质基矗x射线干涉光刻(XIL)分支线站是新研制的-条性能优良的光束线。它是利用现有的高亮度相干 x射线，从软 X射线扫描显微光束线波荡器中引出- 条分支光束线，构建成的 x射线干涉光刻光束线站。在其人口距光源点 26 m处采用-个四刀狭缝来定义分支光束线的水平和垂直接收角，保证光束的空间相干性和光束质量，并且可根据需要调整开 口的大校通常情况下，狭缝宽度调节的传动形式有螺旋、杠杆、楔形框、斜块导轨和柔性铰链式等，目前许多光谱仪都采用斜楔式狭缝机构[7]。上海光源XIL光束线站对狭缝精度要求非常高，在-5～250m连续可调，重复精度为 2 m。本文采用-种精密四刀狭缝结构，4个缝片独立运动，分别由4个线性驱动装置控制，配合精密直线导轨来实现缝片的开合，采用数字电路与软件实现其智能化，同时备有手动工作模式，具有非常高的精度和稳定性。

作为光束线中的重要部件，狭缝的主要作用是限制光束口径、提高能量分辨率、保护下游光学元件等。本文所设计的精密四刀狭缝的作用是定义二次光源，保证光束的空问相干性及光束质量，满足实验站的使用要求。对用于超高真空的狭缝来说，需解决高精度、高稳定性、高热负载以及刀口的热变形等几个关键技术[8]。

狭缝本身的性能包括刀 口的直线度 、平行度和刀口运动的重复精度 。 。为了保证上述性能在超高真空环境 中顺利实现，要求结构设计尽量简单，以保证 良好的真空性能；同时为避免由同步辐射光引起的刀 VI热变形对狭缝性能的影响，需根据实际使月J情况，采认理的冷却措施。本文着重介绍该狭缝的结构原理、热载下的有限元分析及性能测试 。

2 精密狭缝的结构原理及有限元分析为了满足光学系统的分辨率和通量要求，狭缝的可在-5～ 50 tim开启，能在 666.5×10 。Pa真空度下灵活运动。本文提出了-种用于超高真空的精密四刀狭缝，采用 4刀结构，4个缝片分别由4个线性驱动装置控制，具有非常高的精度和稳定性。

2.1 狭缝的结构原理在设计缝片时 ，须考虑刀 口边缘对光斑 的吸收，这决定所得光斑边缘的模糊程度 ，通过计算可以得到缝片的设计参数。缝片的外形尺寸约为2O mm×2j mm×3 mm，刀口的尺寸为8 mm，其结构如图 1所示。

图 1 缝 片的结构Fig.1 Diagram of precision slit blade第7期 高飒飒，等：超高真空精密四刀狭缝的结构原理及有限元分析由于缝片具有热负载的要求，其材料必须具有低的热胀系数和高的热导率 。本文设计的缝片采用钨合金(HD18)，以钨为基体，导热系数大，热膨胀系数小，对射线的吸收能力强，易切削加工。在高热负载下，HD18的温度将会升高，当温度升高到 400℃时，其屈服强度由 580 MPa降低到 380 MPa。因此设计分析时需对其各项性能参数进行考虑，在高热负载下旧能降低其温度，减小热变形及支撑 固定部位 的应力集 中。HD18的各项参数如表 l所示。

表 l 缝片材料(HDI8)参数Tab.1 Properties of HD1 8 considered for slit blade材料参数 室温 400℃传导率 K/(W ·cm ·K) 1.65弹性模量 E/MPa 3.65×10热胀系数 4/(1·℃ ) 4.5×10泊松 比 u 0.28屈服强度 ay/MPa 580极 限强 度 /MPa 1 5001.353.1× 104.6× 10-O.2838O1 500四刀狭缝要求对应的缝片刀口相互平行，并和相邻的狭缝 正交，垂直 狭缝 (缝片刀 口水平排列)位于上游。每个缝片的运动由单-的线性驱动装置进行控制，在驱动装置的端部装有限位开关，可以非常准确地控制位置精度。在垂直和水平方向上，狭缝 可在 -5～250 p.m调节 。每对缝片相对中心点对称移动，狭缝可以达到-个完全闭合的状态。四刀狭缝的缝片空间位置分布如图2所示 。

缝片片2图 2 精密四刀狭缝的缝片位置分布Fig.2 Spaeial displacement of precision slit为实现上述的运动性能 ，设计 的等效原理图如图 3所示，垂直狭缝的上、下缝片分别固定在刚体 AB、CD上 ，当竖直方向的线性驱动装置的驱动位移为 Y时，它们分别会有向下、向上的垂直位移。当驱动位移逐渐减小时，在弹簧回复力的作用下 ，狭缝开 口实现反方向的运动。水平方向的设计类似。根据此原理 ，设计 的狭缝的结构如图4所示，狭缝的上、下缝片分别固定在两个上轨座上，通过精密线性导轨与下轨座配合，上轨座与下轨座之间还有弹簧连接，线性驱动装置推动上轨座带动缝片运动，配合弹簧回复力的作用，实现刀 口的开合。

图 3 狭缝结构的等效原理图Fig.3 Diagram of equivalent principal of precision slit图 4 垂直方向的狭缝结构图Fig.4 Diagram of vertical precision slit光学 精密工程 第21卷2.2 狭缝的有限元分析在光束线中，很多元件都会受到同步辐射热载的影响。对于狭缝来讲，其刀口的热变形影响到了光束 的空间性质 ，因此需对其在热载下的温升情况及刀口的热变形进行分析。第三代同步辐射光束线使用的精密狭缝-般都需要水冷，考虑到主线上已有-个狭缝定义了整个光束线的接收角，并吸收掉-部分不必要 的热负载。因此定义二次光源的精密狭缝系统的主要功能是保证光束的空间相干性及光束质量，满足实验站的使用要求。但该精密狭缝仍具有热负载的要求 ，需采取- 定的冷却措施。

B：radiation r：0 3(ANSYSTemperatureType：TemperatureUnit： CTime：l20l2.05.16 l6：49Max775533I8866432l99Mia)刀片的温度分布(a)Temperature COntour ofthe slit bladeC：Static Stmctural(ANSYS)Equivalent Stress 2TypeEquivalent(yon-Mises)StressUnit.MPa758 03M ax673 8358962505 4242l 22337 02252 82I68 6284 4150 21371 Min(b)刀片的应力分布(b)Stress contour ofslit blade图5 狭缝完全关闭时温度和应力分布图Fig.5 Thermo-mechanical analysis when aperture is zero运用有限元分析软件 ANSYS对缝片在热负载情况下进行热-结构耦合分析。在没有冷却的条件下，4刀狭缝完全关闭时(此时温度及应力最大)，缝片的温度和应力分布如图 5所示。在同步辐射光照射的情况下，缝片的最大温度为 1l9℃，最大热应力约为 753 MPa，超出了 HD18材料的热疲劳承受范围，应力主要集中在螺钉孑L定位处。利用 ANSYS软件后处理功能得到刀 口边缘的热变形分布，如图6所示，其最大变形为 5.77 m，最小变形为 5.37 m，超出了XII 对狭缝的精度要求。

图 6 刀 口的热变形Fig.6 Thermal deformation of slit blade edge由于在热负载下刀 口的变形较大 .对光斑 的空间性质产生影响，因此需要采取适当的冷却方案，采用铜辫子进行冷却，材料为紫铜～其沿缝片上的螺钉孔固定，然后连接到容纳整个狭缝结构的真空腔体上，下面对其冷却效果进行分析。

紫铜和 HD18的接触热 阻为 1×10 m ·K ·w-。对流系数为 0.01 W ·mm ·C。用热传导换热模式进行冷却，缝片通过热传导把吸收的x射线所转化的热量经由铜辫子传递给外部腔体得以冷却。用有限元方法对其进行热-结构耦合分析，得到缝片的温度和应力分布如图 7所示。

缝片的最大温度为 24.1。C，和图 5相 比，得到大幅度的下降 ；最大热应力约为 2.6 MPa，在 HDI8材料的热疲劳承受范围，应力集中现象得以明显的削减。刀口边缘处的热变形和斜率误差如图 8所示，其最大值为 0.034 pm，最小值为 0.028m。和没有采取冷却方案的图 6相比，刀口的变形量降低了两个数量级。此时的斜率误差最大值为 3.07 prad。该冷却方案合理有效，满足了XII光束线的使用要求。

第7期 高飒飒，等：超高真空精密四刀狭缝的结构原理及有限元分析D：copper conven60n(ANSYS)Temperaturepe：TemperatureUnit：℃Time：12O13.1.2l l5：44(b)缝片的应力分布(b)Stress contour of slit blade图 7 加铜辫子后狭缝完全关闭时的温度和应力分布图Fig.7 Thermo-mechanical analysis when aperture is zerowith copper plait图 8 刀口边缘的热变形和斜率误差Fig.8 Thermal deformation and slope error of slit blade edge3 狭缝 的性 能测试根据狭缝的结构及运动原理，设计的精密 4刀狭缝如 图 9所示，主要 由垂直 和水平方向的狭缝机构，容纳狭缝机构的真空容器，连接到各自缝片的铜辫子，线性驱动装置，限位开关等组成。垂直和水平方向的狭缝机构由 4个缝片成十字分布，在束线方向错开分布，上、下两缝片控制垂直方向的接收角，左、右两缝片控制水平方向的接收角 。

图 9 精密4刀狭缝总体结构Fig.9 Diagram of precision slit表 2 狭 缝刀 口的直线度Tab.1 Straightness of slit blade edge (m)刀 口名称 直线度3 4 平均值缝片 1缝 片 2缝片 3缝 片 41.251.252.5O2.OO狭缝 的性能包括缝 片刀 口的直线度 、平行度和刀口运动的重复精度。采用影像法，利用三坐标测量仪，探头接触法进行测量。在每个刀口上分4段来测量其直线度，用其平均值表征刀口的直线度，其结果如表 2所示，可以看出该四刀狭缝刀VI的直线度优于 2.5 m。在入光口和出光口1 1 3 3 l l O6 1 gT1/l10焉 JoJ -光学 精密工程 第21卷相对应的刀 口上取两段来评价它们 的平行 度，重复测量 4次 ，取平均值 ，得到的结果如表 3所示 ，其刀口平行度优于0.5 mrad。

表 3 相对缝片的平行度Tab.3 Parallelism of relative slit blade (trad)重复精度是测量狭缝运动高稳定性的-个非常重要的精度指标，受线性驱动装置系统特性、导轨问隙以及摩擦特性等的影响。精密线性驱动装置选用 PI(Piezo Nano Positioning)公司生 产 的M-235.2DG，分辨率为 0.016 Fm，单向重复精度为0.1 m，双向重复精度为 1 Fm，通过测试，狭缝的开口可以达到 300 m，运动分辨率为 0.019Fm。以法兰中心为固定点，分别测量狭缝各刀口零点到法兰中心的距离 X ，重复测量 5次，利用重复精度计算公式计算狭缝运动的重复性，得到的结果如表 4所示，可以看出其重复精度优于 2Fm。重复精度计算公式为：S