低温冷却单色器的多晶体硅-金共晶焊接工艺性能研究

The 4th genetation synchrotron sources require extreme surface profile and stability from a crystal monochromator, while the complicated structure of multi crystal switching monochromator make the stability issue worse. To solve this problem, 2 crystals can be bonded together to realize fast switching between cryststas and no compromising of stability. Eutectic bonding is a promising method of getting low thermal contact resistance due to its unique process, by eutectic bonding of silicon and gold, two silicon crystals with different miller index can be bonded together, which enables them to be cooled together by a single pair of cooling structure while keeping the same surface profile due to the possible low thermal contact resistance of the bonded interface, one can get a much simpler crystal assembly, resulting in a much more stable monochromator. This project will go through the process of crystal fabrication, PVD of eutectic metal, low temperature eutectic bonding, get a batch of bonded test crystal samples. The stress and deformation information of the crystal surface and lattice caused in this process will be studied by surface metrology and online test. The thermal contact resistance between bonded silicon crystals will be studied, the fatigue life of the bonding process will also be studied after high and low temperature cycles. This research will provide information for possible appication of this process on monochromators, and exploring new technology for future light sources.

第四代同步辐射光源的发展对晶体单色器提出了越来越高的面型、稳定性要求，而对多能量分辨率的切换需求又导致单色器结构复杂，稳定性降低。为解决这一问题，可将多块晶体拼接实现快速切换和保证稳定性，但要求拼接晶体能有效缓释热负荷。硅-金共晶焊接工艺因其特殊工艺流程，焊接晶体间的接触热阻可能满足晶体单色器冷却需求，能将不同指数面的硅晶体拼接到一起，共用一对冷却结构，降低晶体冷却和装夹结构的复杂性，提高单色器的稳定性。本项目将通过高精度的晶体加工，晶体镀膜，低温共晶焊接，得到一批共晶焊接晶体试样。利用高精度面型检测系统评价共晶焊接应力对晶体面型的影响，通过同步辐射光束线在线测试表征焊缝对晶格畸变的影响范围。同时在低温下测定焊接界面的接触热阻，以及进行低温循环疲劳测试，评估该工艺应用于同步辐射低温冷却单色器可行性，为单色器技术和建设新光源提供新思路。

低温冷却晶体单色器目前是制约同步辐射束线性能的主要瓶颈，对光束线性能最关键的指标为单色器的稳定性及晶体面形。硅晶体作为常用的分光元件，多组不同指数面的晶体经常被组合到一起使用，获得不同的能量分辨率和能量范围，带来了单色器机械装夹结构、冷却结构复杂，整体稳定性难以控制的问题。硅-金-硅共晶焊接方法理论上可以获得较好的冷却效果并具有抗辐射的优势，具有潜在应用于同步辐射单色器的前景，但其低温下接触热阻、低温疲劳特性及光学性能需要进行实验研究。针对这些问题，本课题开展了如下研究：1.工艺路线研究，通过摸索工艺路线及发展焊接工装技术，掌握了共晶焊接工艺路线并获得了优质的焊接样品。2.利用接触热阻装置，测试了焊接晶体的低温冷却性能，其接触热阻在1.5~2.8×10-6K·m2/W之间，大大优于其它导热介质，能够满足同步辐射晶体单色器的冷却要求。3.测试了焊接晶体的低温疲劳性能，结果表明低温-常温热循环50次的情况下，不会对焊接界面的热阻有明显影响，具有实际工程应用价值。4.利用同步辐射在线测试了共晶焊接晶体的衍射性能，结果表明，焊缝对晶体的摇摆曲线影响较小，光学性能在距离焊缝0.6mm以外基本没有变化。综合上述结论，基于硅-金-硅共晶焊接的多晶体结构具有较低的热导率，较好的低温疲劳特性，对光学性能几乎没有影响，同时具有真空兼容性、抗辐射性能，认为其可以用于与同步辐射低温冷却晶体单色器。

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