2025大赛优秀作品 | 基于热电制冷器和电阻加热片的偏转镜热管理方案研究

作品名称：基于热电制冷器和电阻加热片的偏转镜热管理方案研究

作者： 徐中民 | 深圳先进光源研究院研究员

关键词：热管理、热电制冷器、电阻加热片、偏转镜、Ansys Multiphysics

 

新的冷却方案模型. (a) 侧视图; (b)热电制冷器和冷却块模型

在S3FEL中在1 MHz重复频率模式下工作的反射镜面临着显著的热负荷，需要校正其面形误差以保持X射线相干传输。虽然REAL方案可以补偿面形误差以满足要求，但过多的热能导致反射镜温度和变形的大幅增加。为了解决温度升高和能耗问题，提出了一种基于帕尔贴效应的热管理方案，利用七个热电制冷器和十九个电阻加热片组成的主动补偿系统来校正反射镜面形。本文还提出了一个包含了帕尔贴效应的修正反射镜面形补偿数学模型。通过优化施加到热电制冷器的电流和电阻加热片上的热通量，结果显示最大温度和变形都有显著降低。高度误差RMS降低到亚纳米级别，斜率误差RMS降低到100 nrad以下。与REAL方案相比，能耗减少了57%以上，证实了使用热电制冷器对于降低能耗是有效的。

挑战/需求

 

第四个热电制冷器的温度分布云图    

作者所在机构希望通过仿真工具解决REAL面形补偿方案引入的副作用，就是需要额外的热功率来校正反射镜的面形，这对于长期运行来说是不经济的。针对S3FEL在1 MHz重复频率模式下工作的偏转镜，在实施REAL方案的基础上提出了一种基于帕尔贴效应的多个热电制冷器方案来解决这个能耗问题。

使用工具

Ansys Multiphysics

最终成果

 

整个模型的温度分布云图    

本文提出的新方案，一方面用热电制冷器冷却光斑附近的区域以减少反射镜的温度和变形，另一方面用电阻加热片补偿表面面形，并为偏转镜变形提出了改进的数学模型，从而解决了高重复频率FEL光束线中的高热负载反射镜使用REAL方案进行面形补偿导致高功耗和过高温升的问题。