[发明专利]一种支撑平台热膨胀的控制设备和方法

说明书

本发明涉及一种支撑平台热膨胀的控制设备，包括：微动台，安装在支撑平台上方，且微动台上安装有被支撑物；位移测量装置，包括参考位移支架，参考位移支架具有支撑部以及与支撑部成90°夹角的延伸部，支撑部平行于支撑平台的高度方向，延伸部平行并高于微动台的上表面，且延伸部上安装有位移传感器，位移传感器设置为感测微动台的上表面与位移传感器之间的距离；控制器，包括电压输入模块和电压输出模块，电压输入模块与位移传感器的信号输出端相连，电压输出模块与微动台的信号输入端相连。本发明还提供一种支撑平台热膨胀的控制方法，本发明结构简单稳定，易于操作，能够在提高束流中心观测精度的同时节约成本。

技术领域

本发明涉及纳米量级的位移自动控制装置，更具体地涉及一种支撑平台热膨胀的控制设备和方法。

背景技术

硬X射线自由电子激光装置是中国迄今为止投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目，建成后，将为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段。在硬X射线自由电子激光装置中，基于束流的准直(BBA)得到了广泛应用。具体地，使束流通过四极磁铁/六极磁铁的磁中心并与附近的光束位置监测器相关联，就可以在物理上高精度地确定束流的真实中心。在这一过程中，四极磁铁/六极磁铁由BBA平台提供支撑，因此BBA平台的位置稳定度直接决定了束流中心的观测精度和束流轨道的稳定度。

图1为BBA平台放置四极磁铁的示意图，整个装置由底部平台1’、丝杆导轨定位系统2’和四极磁铁3’组成。当环境温度发生变化时，底部平台1’和丝杆导轨定位系统2’的高度因热胀冷缩现象会产生位移的变化，进而导致四极磁铁3’的磁中心发生位置上的改变，这一改变会直接影响束流中心的观测精度并改变束流轨道。

为了降低磁中心位置受温度变化的影响，通常采用的方法有三种：方法一，降低平台所处位置的温度波动范围；方法二，采用大理石材质等低热交换系数的材料制作BBA平台，同时提高平台的比热容；方法三，精确测量平台温度的变化，制作温度-位移对应表格，温度改变时运用平台定位装置补偿抵消相对应的位移。

在工程实际中，方法一和方法二通常同时使用。对于方法一而言，温度的控制成本与难度随控制范围和控制精度的增大而增大。硬X射线自由电子激光装置长度超过3千米，需要将温度波动范围控制在0.2K以内，这会带来巨大的成本。方法二的本质是隔热并降低材料的热膨胀系数，其主要缺点表现为丝杆导轨定位系统不易采用低热膨胀系数的合金制作，且优化后的低热膨胀系数平台仍然不能满足工程要求。以上海光源为硬X射线自由电子激光装置试制的BBA平台为例，该平台高约0.7m，由大理石底座连接丝杆导轨定位系统构成。大理石的热膨胀系数约为4.6*10^-6/K，丝杆导轨定位系统采用不锈钢制作时热膨胀系数约为12.2*10^-6/K，假设温度上升0.1K，则四极磁铁的中心位置将上升322纳米以上，超出了物理所要求的限值。方法三的难点在于高精度温度测量设备价格昂贵，并且只有美国FLUKE等少数几家公司生产，同时该产品对华销售有严格的限制。其次，温度变化到位移变化有一定的时间差，其间隔的预测存在一定困难。最后，方法三实际应用时往往需要在一个平台上安装多个测点来保证对整个平台温度变化的正确估计，且针对不同平台，需要建立不同的温度-位移对应关系，测量过程复杂。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种支撑平台热膨胀的控制设备和方法，结构简单稳定，易于操作，能够在提高束流中心观测精度的同时节约成本。

本发明提供的一种支撑平台热膨胀的控制设备，包括：微动台，安装在支撑平台上方，且所述微动台上安装有被支撑物；位移测量装置，包括一参考位移支架，所述参考位移支架具有支撑部以及与所述支撑部成90°夹角的延伸部，所述支撑部平行于所述支撑平台的高度方向，所述延伸部平行并高于所述微动台的上表面，且所述延伸部上安装有一位移传感器，所述位移传感器设置为感测所述微动台的上表面与所述位移传感器之间的距离；控制器，包括电压输入模块和电压输出模块，所述电压输入模块与所述位移传感器的信号输出端相连，所述电压输出模块与所述微动台的信号输入端相连。