CN108922646A - 准直器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种准直器及制备方法。该准直器包括基体，呈平板状，所述基体具有相互平行的上表面和下表面，在该基体设有至少一个通孔，所述通孔贯穿所述的上表面和下表面，所述通孔的孔径为1‑100微米，所述基体的材质为玻璃。本发明采用玻璃棒管嵌套拉制法来制得玻璃坯板，进行光学冷加工，再经化学酸蚀，得到准直器。本发明确定准直器的玻璃后，设计与之匹配的芯玻璃，并经酸蚀除去芯玻璃。在制备过程中芯玻璃主要作为微孔的填充材料，以确保微孔的圆整度。本发明有效提高粒子的准直效率和粒子运动的稳定性，降低粒子的散射角，为原子钟、射线照相机等精密器件的高稳定性、高可靠性和小型化创造条件。

Description

准直器及制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料制备技术领域，特别是涉及一种准直器及制备方法。
背景技术
在一些精密仪器、医疗器件和电子器件中，原子、电子、离子、分子等粒子的准直化运动已显著影响了器件的稳定性、可靠性，以及使用寿命。准直化的粒子运动可以形成散射角很小的粒子束，有利于形成稳定而持久的气流或液流，从而给相关器件提供高稳定的信号源或气、液粒子束流。因此，粒子的准直化率在一定程度上可以决定器件的使用性能。
准直器作为粒子准直运动系统的核心元件，承担着粒子准直射出的关键作用，其材料和结构直接决定了粒子运动的散射角和粒子的速度。然而，目前采用的单孔的准直器，体积大，粒子散射角难以精确控制，且粒子在孔内的运动速度不易控制，导致粒子准直化率低，最终导致粒子的利用率极低。此外，受限于打孔的制备方法，单孔准直器的通孔直径不能做到微米级及以下尺度，从而影响粒子的准直化效率和利用率。在报道中也有采用金属质的多孔准直器作为粒子准直系统的元件，但是使用材料的可靠性差，特别是通孔尺寸的精度低，结构均匀性差，难以提供稳定的粒子束流，且准直效果差，导致器件的使用寿命短、准直率低下。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种准直器及制备方法，所要解决的技术问题是制造外形尺度小、材料稳定性高、通孔尺寸精度高的准直器，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种准直器，包括:基体，呈平板状，所述基体具有相互平行的上表面和下表面，在该基体设有至少一个通孔，所述通孔贯穿所述的上表面和下表面，所述通孔的孔径为1-100微米，所述基体的材质为玻璃。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的准直器，其中所述的玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
所述玻璃的膨胀系数为(40-60)×10-7/℃。
优选的，前述的准直器，其中所述的玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成；
所述玻璃的膨胀系数为(80-100)×10-7/℃。
优选的，前述的准直器，其中所述通孔的形状为圆形或方形，所述通孔大小均匀，且彼此沿轴向平行排列，所述通孔的数量为1-100000个。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种准直器的制备方法，包括以下步骤：
对皮玻璃预制管和芯玻璃预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，将所述管棒复合体进行拉制，形成第一单丝；
对所述的第一单丝进行排列，捆绑，并拉制，形成第一复合丝；
对皮玻璃预制棒进行拉制，形成第二单丝；
将所述第二单丝排列在所述第一复合丝周围，并经热熔压，得到玻璃坯板；
对所述的玻璃坯板进行光学冷加工，再进行化学酸蚀，除去芯玻璃，得到准直器。
优选的，前述的制备方法，其中所述芯玻璃的膨胀系数比所述皮玻璃的膨胀系数高(5-10)×10-7/℃及以上，所述芯玻璃的软化温度比所述皮玻璃的软化温度高50℃及以上，所述芯玻璃的酸蚀速率比所述皮玻璃的酸蚀速率高100倍及以上。
优选的，前述的制备方法，其中所述皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
所述皮玻璃的膨胀系数为(40-60)×10-7/℃；
所述芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，X2O由Na2O和K2O组成；
所述芯玻璃的膨胀系数为(45-75)×10-7/℃。
优选的，前述的制备方法，其中所述皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成，Y2O由Na2O和K2O组成；
所述皮玻璃的膨胀系数为(80-100)×10-7/℃；
所述芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Na2O和K2O组成；
所述芯玻璃的膨胀系数为(85-115)×10-7/℃。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种原子钟，所述的原子钟包括上述任一项所述的准直器。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
依据本发明提出的一种射线照相机，所述的射线照相机包括上述任一项所述的准直器。
借由上述技术方案，本发明一种准直器及制备方法至少具有下列优点：
(1)本发明的准直器包括基体，在该基体设有至少一个通孔，通孔的孔径为1-100微米，通孔的数量为1-100000个，通孔的孔径可小到1微米，通孔的数量可达到十万个，通孔大小均匀，且彼此沿轴向平行排列，解决了准直器尺寸均匀性和高精度的问题。
(2)本发明采用玻璃棒管嵌套拉制法来制备准直器，在制备过程中易于控制尺寸的精度，可制备孔径较小的通孔，通孔的形状和大小均匀，并且孔径小到1微米，解决准直器尺寸均匀性和高精度的问题，同时，本发明的制备方法易于调节通孔尺寸大小和长径比，从而可以调节粒子束散射角度来提升准直效率，可增强对加工尺寸精度的可控性，也降低了后期光学冷加工的复杂性，从而提高准直器加工质量的稳定性，适用于批量生产制造技术。
(3)本发明的准直器根据准直器的基底材料对准直器的玻璃体系进行相应的设计，以满足热膨胀系数、使用温度和化学稳定性的匹配性。本发明对准直器玻璃(皮玻璃)的组成设计解决准直器可靠性和稳定性问题。
本发明制备的准直器，在材料上选定玻璃，这种玻璃具有高化学、热学稳定性，较高玻璃转变温度。根据准直器使用条件的需要，本发明的准直器材料分为中膨胀玻璃和高膨胀玻璃以匹配准直器的基底材料的热膨胀系数。
为适用于本发明所采用的棒管嵌套拉制成型法，选定准直器的基础玻璃后，必须设计与之匹配的芯玻璃组分，芯玻璃在制备过程中主要起到通孔的填充材料，以确保通孔的圆整度。本发明中，芯玻璃的膨胀系数比准直器玻璃高(5-10)×10-7/℃及以上，在玻璃软化温度上要高于准直器玻璃50℃及以上，而耐酸蚀性能方面较差，其酸蚀速率是准直器玻璃的100倍及以上，其材料的设计如下：
①设计中膨胀的准直器玻璃，其膨胀系数为(40-50)×10-7/℃，本发明设计准直器玻璃为高铝的硼硅玻璃体系，其主要组分包括有B2O3、SiO2、Al2O3和R2O(碱金属氧化物)，其中，R2O由氧化锂(Li2O)和氧化钠(Na2O)引入，并且适量引入氧化锆(ZrO2)提高玻璃的抗碱性和耐水性。
设计与其对应的芯玻璃，其膨胀系数为(45-60)×10-7/℃，该芯玻璃选择含高镧的硼硅玻璃体系，其组分包括有B2O3、SiO2、La2O3、Al2O3和R2O(碱金属氧化物)。芯玻璃是准直器通孔的主要支撑材料，是保持通孔圆整度和均匀性的关键材料。其中，氧化镧(La2O3)是决定芯玻璃耐酸侵蚀性的关键氧化物，其含量决定了玻璃的耐酸蚀的程度。
②设计高膨胀的准直器玻璃，其膨胀系数为(80-100)×10-7/℃。本发明设计准直器玻璃为硅酸盐玻璃体系，其主要组分包括有SiO2、B2O3、Al2O3、RO(碱土金属氧化物)和R2O(碱金属氧化物)，其中，RO由氧化镁(MgO)和氧化钙(CaO)，R2O由氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)引入，并且适量引入氧化锆(ZrO2)提高玻璃的抗碱性和耐水性。
设计与其对应的芯玻璃，其膨胀系数为(85-110)×10-7/℃，该芯玻璃选择含高镧的硼硅玻璃体系，其组分包括有B2O3、SiO2、La2O3、RO(碱土金属氧化物)和R2O(碱金属氧化物)。芯玻璃是准直器通孔的主要支撑材料，是保持通孔圆整度和均匀性的关键材料。其中，氧化镧(La2O3)是决定芯玻璃耐酸侵蚀性的关键氧化物，其含量决定了玻璃的耐酸蚀的程度。玻璃中B2O3和SiO2的含量及比例决定玻璃的膨胀系数大小，碱土金属氧化物(RO)主要由氧化钡(BaO)引入，可适当调整玻璃膨胀系数，从而获得高膨胀的芯玻璃。
(4)本发明中，准直器形状、准直器大小、准直器长径比、通孔形状、孔径，通孔倾角、准直区开口面积比等都可以根据不同的使用要求而进行个性化设计，所以，应用广泛。
(5)经检测，本发明准直器的通孔均匀，孔径可以小到1微米，通孔间尺寸偏差小于1％，通孔率不小于98％，粒子的最小散射角可达到1°，而且准直器玻璃经高温氢气表面处理其可见光透过率下降小于3％。因此，本发明可有效提高粒子准直效率、稳定粒子流量、提高粒子的准直效率，为精密器件的高可靠、高稳定、小型化创造条件。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一个实施例提出的准直器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提出的准直器的制备流程示意图；
图3是本发明另一个实施例提出的准直器的制备流程示意图。
1为基体，2为准直区，3为通孔。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种准直器及制备方法其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明实施例提供了一种准直器，下面结合图1来说明。
该准直器包括基体1，基体1呈平板状，并具有相互平行的上表面和下表面，在基体1设有至少一个通孔3，通孔3贯穿基体1的上表面和下表面，通孔3的孔径为1-100微米，该基体1的材质为玻璃。
本发明实施例对基体1的形状、大小和厚度不作具体限定，都可以根据不同的使用要求而进行个性化设计。
优选的，基体1的形状为正多边形、圆形或长方形，更优选的，基体1的形状为圆形。
优选的，基体1为圆形时，其直径为5-50mm。
优选的，基体1的厚度为0.5-3.0mm。
本发明实施例对通孔3的形状、大小、数量和倾角不作具体限定，都可以根据不同的使用要求而进行个性化设计。
优选的，通孔3的形状为圆形或方形，其均匀结构主要是通过材料热学性能的差异性和结构设计来保证。
定义通孔3的横截面形状的最大外接圆为该通孔3的孔径，
通孔3的孔径为1-100微米，通孔3的孔径的最佳范围是下限为2微米以上，5微米以上，7微米以上，10微米以上，15微米以上，20微米以上，特别是30微米以上，下限为90微米以下，80微米以下，70微米以下，60微米以下，50微米以下，特别是40微米以下，上限和下限可以任意组合成范围值。
优选的，通孔3的数量为1-100000个，通孔3的数量的最佳范围是下限为5以上，10以上，20以上，30以上，50以上，100以上，200以上，特别是500以上，下限为80000以下，50000以下，20000以下，15000以下，10000以下，8000以下，5000以下，2000以下，特别是1500以下
更优选的，通孔3的数量为200-1000个。
优选的，通孔3的大小均匀，且彼此沿轴向平行排列，
通过光学定位加工可以保证通孔3沿轴向平行排列。
定义通孔3的轴线与基体1上表面垂直线的夹角为通孔倾角，
优选的，通孔倾角为0-45°，
更优选的，通孔倾角为0-10°。
定义由一个或一个以上通孔3组成的区域为准直区2，
本发明实施例对准直区2的形状、大小和开口面积比不作具体限定，都可以根据不同的使用要求而进行个性化设计。
优选的，准直区2的形状为正多边形、圆形或方形，
更优选的，准直区2的形状为正六边形。
优选的，准直区2的大小可以为微米、毫米、厘米、甚至更大的尺寸。
定义通孔3面积与准直区2面积的比值为准直区2的开口面积比，
优选的，准直区2的开口面积比≥60％，
更优选的，准直区2的开口面积比为80％。
定义基体1的厚度与通孔3的孔径的比值为准直器的长径比，
优选的，准直器的长径比为10-100；
更优选的，准直器的长径比为50。
所述通孔间尺寸偏差小于1％，通孔率大于98％，粒子的最小散射角可达到1°。
通孔间尺寸偏差是指通孔与通孔间的尺寸偏差，最小散射角是指粒子束从准直器出射时的散射角，即出射方向与基体1上表面垂直线的夹角。
本发明实施例中，准直器的材料为玻璃，为了确保准直器的使用可靠性，必须解决与器件准直系统基底材料在热膨胀系数、使用温度和化学相容性等性能的兼容性。因此，本发明根据不同的准直器的基底材料，设计不同体系不同组成的准直器玻璃，这种玻璃具有高化学、热学稳定性，较高玻璃转变温度。根据准直器使用条件的需要，本发明的准直器材料分为中膨胀玻璃和高膨胀玻璃以匹配准直器的基底材料的热膨胀系数。
准直器材料可选择中膨胀玻璃，其膨胀系数为(40-60)×10-7/℃，与钨、钼、可伐合金等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性。
该中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
该中膨胀玻璃为高铝的硼硅玻璃体系，玻璃中碱金属氧化物R2O由氧化锂(Li2O)和氧化钠(Na2O)引入，并且适量引入氧化锆(ZrO2)提高玻璃的抗碱性和耐水性。
优选的，该中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
更优选的，该中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
准直器材料还可选择高膨胀玻璃，其膨胀系数为(80-100)×10-7/℃，与铜、不锈钢等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性。
该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成。
该高膨胀玻璃为硅酸盐玻璃体系，玻璃中的碱土金属氧化物XO由氧化钡(BaO)、氧化镁(MgO)和氧化钙(CaO)。碱金属氧化物Y2O由氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)引入，并且适量引入氧化锆(ZrO2)提高玻璃的抗碱性和耐水性。
优选的，该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成。
更优选的，该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成。
本发明实施例还提供了上述准直器的一种制备方法，下面结合图2来说明。
采用玻璃棒管嵌套拉制法，准直器的制备方法包括以下步骤：
(1)分别配制皮玻璃和芯玻璃，经高温熔制和澄清，分别获得均匀的皮玻璃熔液和芯玻璃熔液；
(2)皮玻璃熔液经机械拉管成型制成皮预制管，皮玻璃熔液经漏料成型制成皮预制棒，芯玻璃熔液经漏料成型制成芯预制棒；
(3)对皮预制管和芯预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，将管棒复合体进行拉制，形成管棒复合体的单丝；
(4)对管棒复合体的单丝进行排列，经捆绑，制得复合棒，再经拉制，形成复合丝；
(5)对皮预制棒进行拉制，形成皮预制棒的单丝；
(6)对复合丝与的皮预制棒的单丝进行排列，经热熔压，制得玻璃坯板；
(7)对玻璃坯板进行滚圆、切片、研磨、抛光等光学冷加工，制得准直器毛坯；
(8)对准直器毛坯进行化学酸蚀，除去芯玻璃，再进行清洗、脱水和烘干，得到准直器。
本发明实施例中，根据不同的准直器的基底材料，设计不同体系不同组成的准直器玻璃，确定准直器的玻璃后，设计与之匹配的芯玻璃组分，并且在酸侵蚀下芯玻璃能全部溶解。以便在整个制备过程中芯玻璃主要起到通孔的填充材料，以确保通孔的圆整度。
芯玻璃的膨胀系数较准直器玻璃高(5-10)×10-7/℃及以上，在玻璃软化温度上要高于准直器玻璃50℃及以上，而耐酸蚀性能方面较差，其酸蚀速率是准直器玻璃的100倍及以上。
准直器玻璃即为皮玻璃。
皮玻璃可选择中膨胀玻璃，与钨、钼、可伐合金等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
说明：SiO2作为高稳定态准直器玻璃的基础组成，在玻璃形成[SiO4]四面体，是构成玻璃的主要骨架，其结构决定了玻璃的基本性质，本实施例中二氧化硅的重量百分比(wt％)含量超过65％；B2O3也是重要的玻璃形成体氧化物，也可构成玻璃结构的基本骨架，是准直器玻璃成分的主要成分之一，其含量超过20wt％，在玻璃结构中可形成[BO4]四面体和[BO3]三面体，当引入合适的B2O3可使玻璃中的[BO4]四面体比例增加，玻璃结构趋于更稳定，从而提高玻璃化学稳定性，对玻璃结构网络起到积极的补网作用。此外，在高熔制玻璃时，B2O3又是很好的助熔剂；Al2O3作为玻璃结构调节性氧化物，其含量的高低影响玻璃的热膨胀系数和化学、热学稳定性能；R2O是玻璃的网络外体氧化物，可以降低玻璃高温熔制的粘度，使玻璃易于熔融成型，是良好的助熔剂，同时可调整玻璃的热学膨胀系数、化学稳定性和机械强度。在高稳定玻璃中引入量不能过多。在本实施例中涉及的准直器玻璃中的碱金属氧化物选择引入氧化锂(Li2O)。Li2O在硼硅玻璃中可加强玻璃的网络结构，减少玻璃的分相。同时，在高温熔制时，Li2O具有助熔作用，可加速玻璃的熔制。碱金属氧化物也是调整准直器玻璃热膨胀系数的关键材料，本实施例中采用Na2O作为膨胀系数的调节材料。此外，在高稳定的准直器玻璃中引入适量氧化锆(ZrO2)，氧化锆的引入可显著提高玻璃的耐碱和耐水性，这样可以弥补硼硅酸盐基础玻璃的耐碱性，从而提高准直器材料的化学稳定性。但其引入重量百分比不超过5％，过高导致玻璃的熔制粘度过高，不利于玻璃的熔制成型。
该皮玻璃为含高铝的硼硅玻璃体系，其物化性能：
膨胀系数：(40-60)×10-7/℃；
玻璃软化温度：Tf＞700℃；
玻璃转变温度：Tg＞600℃；
玻璃抗水稳定性：HGB1级；
耐酸稳定性：1a级；
耐碱稳定性：A1级。
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，X2O由Na2O和K2O组成。
说明：B2O3是玻璃形成体氧化物，是玻璃结构的基本骨架，也是芯玻璃的主要成分。在本实施例芯玻璃中，其含量超过40wt％。硼反常效益发挥显著作用，过高的氧化硼的含量增加了[BO3]三面体，从而降低玻璃化学稳定性的同时，也降低了玻璃粘度和热学膨胀系数；SiO2、Al2O3作为玻璃结构调节性氧化物，其含量的高低影响玻璃的热膨胀系数和化学、热学稳定性能；La2O3是玻璃的网络外体氧化物，是提高玻璃酸溶蚀速率的主要氧化物成分，当含量高于30wt％时，可有效降低了粘度和软化温度，缩短了玻璃料性，增加了玻璃加工成型难度，因此，本发明实施例中的芯玻璃组分中的La2O3含量大于20wt％，小于30wt％；Na2O是玻璃的网络外体氧化物，可以降低玻璃高温熔制的粘度，使玻璃易于熔融，是良好的助熔剂，同时可增加玻璃的热学膨胀系数，降低玻璃的化学稳定性和力学强度，因此引入量不能过多。
该芯玻璃为含高镧的硼硅玻璃体系，其具有以下特性：具有高的浸蚀性，耐酸的级别低于3b级，其玻璃表面被0.6mol/L盐酸浸蚀时其速率大于0.1mg/mm2·h，玻璃软化温度Tf＞720℃，在20℃-300℃的热膨胀系数为(45-75)×10-7/℃。
优选的，该皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，X2O由Na2O和K2O组成。
更优选的，该皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，X2O由Na2O和K2O组成。
皮玻璃还可选择高膨胀玻璃，与铜、不锈钢等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成，Y2O由Na2O和K2O组成。
说明：SiO2作为高稳定态准直器玻璃的基础组成，在玻璃形成[SiO4]四面体，是构成玻璃的主要骨架，其结构决定的玻璃的基本性质，在本实施例中SiO2的含量在(55-65)wt％；B2O3是重要的玻璃形成体氧化物，也可构成玻璃结构的骨架。但在本实施例中其含量控制在5wt％以下，不同的B2O3含量可改变玻璃中的[BO4]四面体和[BO3]三面体比例，玻璃中[BO4]四面体比例高可使玻璃结构趋于更稳定，从而提高玻璃化学稳定性，对玻璃结构网络起到积极的补网作用，当[BO3]三面体含量增加时，降低结构的致密性，从而增加膨胀系数；Al2O3作为玻璃结构调节性氧化物，其含量的高低影响玻璃的热膨胀系数和化学、热学稳定性能；XO当作为玻璃网络外体时，可以显著调节玻璃的热膨胀系数，本实施例中XO主要由BaO引入；Y2O是玻璃网络外体氧化物，可以降低玻璃高温熔制的粘度，使玻璃易于熔融，是良好的助熔剂，同时可提高玻璃的热学膨胀系数，降低玻璃的化学稳定性和机械强度，但在高稳定玻璃中引入量不能过多。在本实施例中的碱金属氧化物选择引入氧化钠(Na2O)和氧化钾(K2O)，氧化钠和氧化钾也是调整玻璃膨胀系数的关键，并且还可以通过混合碱效应调整玻璃的物化性能。此外，在高稳定的准直器玻璃中引入适量氧化锆(ZrO2)，氧化锆的引入可显著提高玻璃的耐碱和耐水性，这样可以弥补硼硅酸盐基础玻璃的耐碱性，其引入重量百分比不超过5％，过高导致玻璃的熔制粘度过高，不利于玻璃的熔制成型。
该皮玻璃为含铝的硅酸盐玻璃体系，其物化性能：
膨胀系数：(80-100)×10-7/℃；
玻璃软化温度：Tf＞600℃；
玻璃转变温度：Tg＞500℃；
玻璃抗水稳定性：HGB1级；
耐酸稳定性：1a级；
耐碱稳定性：A1级。
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Na2O和K2O组成。
说明：SiO2构成芯玻璃的主要骨架，其结构决定的芯玻璃的主要性质，在本实施例中SiO2的含量在(10-15)wt％；B2O3也是芯玻璃的主要成分，在本实施例中的芯玻璃中其含量为(25-35)wt％。B2O3作为影响玻璃结构关键性氧化物，其含量的高低影响玻璃的热膨胀系数和化学、热学稳定性能；La2O3是玻璃的网络外体氧化物，是提高玻璃酸溶蚀速率的主要氧化物成分，当含量高于30wt％时，可有效降低了粘度和软化温度，缩短了玻璃料性，增加了玻璃加工成型难度，因此，本实施例中的芯玻璃组分中的La2O3含量大于20wt％，小于30wt％；R2O当作为玻璃网络外体时，可以显著调节玻璃的热膨胀系数，本实施例芯玻璃中R2O由Na2O引入；Na2O是玻璃的网络外体氧化物，可以降低玻璃高温熔制的粘度，使玻璃易于熔融，是良好的助熔剂，同时可增加玻璃的热学膨胀系数，降低玻璃的化学稳定性和力学强度，因此引入量不宜过多。
该芯玻璃为含高镧的硼硅玻璃体系，其具有以下特性：具有高的浸蚀性，耐酸的级别应低于3b级，其玻璃表面被0.6mol/L盐酸浸蚀时其速率大于20mg/mm2·h，玻璃软化温度Tf＞650℃，在20℃-300℃的平均热膨胀系数为(85-115)×10－7/℃。
优选的，该皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成；
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Na2O和K2O组成。
更优选的，该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成；
与上述皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Na2O和K2O组成。
本实施例制备的准直器包括基体，呈平板状，所述基体具有相互平行的上表面和下表面，在该基体设有至少一个通孔，所述通孔贯穿所述的上表面和下表面，所述通孔的孔径为1-100微米，所述基体的材质为玻璃。
上述通孔直径d1、厚度H、外径D、倾角θ、准直区形状和开口比可以根据不同的使用要求而进行设计。
本发明实施例还提供了上述准直器的另一种制备方法，下面结合图3来说明。
采用玻璃管拉制法，准直器的制备方法包括以下步骤：
(1)配制玻璃，经高温熔制和澄清获得均匀的玻璃熔液；
(2)玻璃熔液经机械拉管成型制成预制管，玻璃熔液经漏料成型制成预制棒；
(3)将预制管进行拉制，形成预制管的单丝；
(4)将预制管的单丝进行排列，捆绑，制得复合棒，再经拉制，形成复合丝；
(5)将预制棒进行拉制，形成预制棒的单丝；
(6)将复合丝与预制棒的单丝进行排列，再热熔压，制得玻璃坯板；
(7)将玻璃坯板进行光学冷加工，经清洗后，制得准直器。
本发明实施例中，根据不同的准直器的基底材料，设计不同体系不同组成的准直器玻璃。
该玻璃可选择中膨胀玻璃，其膨胀系数为(40-60)×10-7/℃，可与钨、钼、可伐合金等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
优选的，该中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
更优选的，该中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成。
该玻璃还可选择高膨胀玻璃，其膨胀系数为(80-100)×10-7/℃，可与铜、不锈钢等金属材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成，Y2O由Na2O和K2O组成。
优选的，该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成。
更优选的，该高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成。
本实施例制备的准直器包括基体，呈平板状，所述基体具有相互平行的上表面和下表面，在该基体设有至少一个通孔，所述通孔贯穿所述的上表面和下表面，所述通孔的孔径为1-100微米，所述基体的材质为玻璃。
上述通孔直径d1、厚度H、外径D、倾角θ、准直区形状和开口比可以根据不同的使用要求而进行设计。
本发明实施例还提供了一种原子钟，该原子钟包括上述的准直器，其中，原子钟中准直器的通孔尺寸为10-20微米。
本发明实施例还提供了一种射线照相机，该射线照相机包括上述的准直器。
实施例1
本实施例的准直器与钨材料和膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性。
该准直器的制备方法，采用玻璃棒管嵌套拉制成型法，包括以下步骤：
(1)分别配制皮玻璃和芯玻璃：
皮玻璃选择中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：SiO2：69.0％，B2O3：23.5％，Al2O3：3.0％，Li2O：1.5％，Na2O：2.0％，ZrO2：1.0％，其膨胀系数为41×10-7/℃；
与皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：B2O3：44.0％，La2O3：24.0％，SiO2：23.5％，Al2O3：3.5％，Na2O：3.0％，K2O：2.0％，其膨胀系数为55×10-7/℃；
(2)皮玻璃经机械拉管成型制成皮预制管，皮预制管的内径控制在(32±0.5)mm，皮预制管的壁厚控制在(4.0±0.1)mm；皮玻璃经漏料成型制成皮预制棒，外径控制(20±5.0)mm；芯玻璃经漏料成型制成芯预制棒，芯预制棒的外径控制在(31±0.5)mm；
(3)对皮预制管和芯预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，要求棒管配合间隙≤0.5mm，将管棒复合体进行拉制，形成管棒复合体的单丝，单丝直径为(0.8±0.005)mm；
(4)对管棒复合体的单丝进行捆绑制得正六边形复合棒，每边单丝为15根，对边(20.7±0.1)mm，在850-870℃下拉制形成复合丝，复合丝对边(0.5±0.005)mm，单丝、复丝拉制尺寸精度控制在±1μm；
(5)对皮预制棒进行拉制，形成皮预制棒的单丝，单丝丝径控制(0.12±0.005)mm；
(6)将皮预制棒的单丝排列在复合丝的周围，经高温热熔压，制得玻璃坯板，其中高温热熔压采用机械自动熔压技术，熔压温度为750-800℃，压力在1.5×103MPa，真空度2×10-2Pa；
(7)玻璃坯板经滚圆、内圆切片机切片、双面研磨抛光，制得薄片式毛坯板；毛坯板研磨抛光后的厚度为0.8±0.005mm，平行度为0.002mm，平面度为0.001mm；
(8)薄片式毛坯板经0.6mol/L盐酸溶液的溶蚀形成通孔，酸液的温度为50℃，采用频率为40MHz的超声波清洗机对通孔进行清洗，确保通孔率，最后，在100℃的烘箱内进行烘干处理，得到准直器。
通过本实施例1，可制得圆形的玻璃质准直器，准直器的形状为圆形，通孔的形状为圆形，通孔直径为(0.02±0.002)mm，准直器外径D为10±0.5mm，厚度为800μm，准直器的长径比(厚度/孔径)为40，通孔倾角θ＝0°，准直区的形状为正六边形，准直区的开口面积比≥60％，其通孔尺寸精度达到±1μm。该准直器可应用于原子钟的准直装置中。
实施例2
本实施例的准直器与不锈钢材料或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性。
该准直器的制备方法，采用玻璃棒管嵌套拉制成型法，包括以下步骤：
(1)分别配制皮玻璃和芯玻璃：
皮玻璃选择高膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：SiO2：63.0％，B2O3：4.5％，Al2O3：1.0％，BaO：8.0％，CaO：4.5％，MgO：3.0％，Na2O：10.0％，K2O：5.0％，ZrO2：1.0％；其膨胀系数为92×10-7/℃；
与皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：B2O3：31.0％，BaO：21.0％，La2O3：28.0％，SiO2：10.0％，Al2O3：1.0％，Na2O：5.0％，K2O：4.0％，其膨胀系数为102×10-7/℃；
(2)皮玻璃经机械拉管成型制成皮预制管，皮预制管的内径控制在(32±0.5)mm，皮预制管的壁厚控制在(4.0±0.1)mm；皮玻璃经漏料成型制成皮预制棒，外径控制(20±5.0)mm；芯玻璃经漏料成型制成芯预制棒，芯预制棒的外径控制在(31±0.5)mm；
(3)对皮预制管和芯预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，要求棒管配合间隙≤0.5mm，将管棒复合体进行拉制，形成管棒复合体的单丝，单丝直径为(1.0±0.002)mm；
(4)对管棒复合体的单丝进行捆绑制得正六边形复合棒，对边(20±0.1)mm，再经拉制，形成复合丝，复合丝对边(0.87±0.002)mm，单丝、复丝拉制尺寸精度控制在±2μm及以下；
(5)对皮预制棒进行拉制，形成皮预制棒的单丝，单丝丝径控制(0.15±0.005)；
(6)将皮预制棒的单丝排列在复合丝的周围，经高温热熔压，制得玻璃坯板，其中高温热熔压采用机械自动熔压技术，熔压温度为700-750℃，压力在1.5×103MPa，真空度2×10-2Pa；
(7)玻璃坯板经滚圆、内圆切片机切片、双面研磨抛光，制得超薄毛坯板；通孔倾斜角通过调节内圆切片的Z轴转角至1.5°，实现通孔的倾斜；毛坯板研磨抛光后的厚度为2mm，平行度为2μm，平面度为0.1μm；
(8)薄片式毛坯板经0.6mol/L盐酸溶液的溶蚀形成通孔，酸液的温度为50℃，采用频率为40MHz的超声波清洗机对通孔进行清洗，确保通孔率，最后，在100℃的烘箱内进行烘干处理，得到准直器。
通过本实施例2，可制得圆形的玻璃质准直器，准直器的形状为圆形，通孔的形状为圆形，通孔直径为35μm，厚度为H＝2mm，准直器外径D为10±0.5mm，准直器长径比(厚度/孔径)57，通孔倾角θ＝1.5°，准直区为圆形，准直区的开口面积比≥60％，其通孔尺寸精度达到±2μm。该准直器可应用于原子钟的准直装置中。
实施例3
本实施例的准直器与可伐合金材料(铁钴镍合金)或膨胀系数相近的玻璃材料具有良好的匹配性。
该准直器的制备方法，采用玻璃棒管嵌套拉制成型法，，包括以下步骤：
(1)分别配制皮玻璃和芯玻璃：
皮玻璃选择中膨胀玻璃，以质量百分含量计，包括：SiO2：68.0％，B2O3：22.5％，Al2O3：1.0％，Li2O：1.5％，Na2O：6.0％，ZrO2：1.0％，其膨胀系数为51×10-7/℃；
与皮玻璃对应的芯玻璃，以质量百分含量计，包括：B2O3：42.5％，La2O3：25.0％，SiO2：22.5％，Al2O3：4.0％，Na2O：5.0％，K2O：1.0％，其膨胀系数为65×10-7/℃；
(2)皮玻璃经机械拉管成型制成皮预制管，皮预制管的内径控制在(32±0.5)mm，皮预制管的壁厚控制在(4.0±0.1)mm；皮玻璃经漏料成型制成皮预制棒，皮预制棒的外径控制(20±5.0)mm；芯玻璃经漏料成型制成芯预制棒，芯预制棒的外径控制在(31±0.5)mm；
(3)对皮预制管和芯预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，要求棒管配合间隙≤0.5mm，将管棒复合体进行拉制，形成管棒复合体的单丝，单丝直径为(0.8±0.005)mm；
(4)对管棒复合体的单丝进行捆绑制得正六边形复合棒，每边单丝为15根，对边(20.7±0.1)mm，在800-850℃下拉制形成复合丝，复合丝对边(0.5±0.005)mm，单丝、复丝拉制尺寸精度控制在±1μm；
(5)对皮预制棒进行拉制，形成皮预制棒的单丝，单丝丝径控制(0.12±0.005)；
(6)将皮预制棒的单丝排列在复合丝的周围，经高温热熔压，制得玻璃坯板，其中高温热熔压采用机械自动熔压技术，熔压温度为730-760℃，压力在1.5×103MPa，真空度2×10-2Pa；
(7)玻璃坯板经滚圆、内圆切片机切片、双面研磨抛光，制得薄片式毛坯板；毛坯板研磨抛光后的厚度为0.8±0.005mm，平行度为0.002mm，平面度为0.001mm；
(8)薄片式毛坯板经0.6mol/L盐酸溶液的溶蚀形成通孔，酸液的温度为50℃，采用频率为40MHz的超声波清洗机对通孔进行清洗，确保通孔率，最后，在100℃的烘箱内进行烘干处理，得到准直器。
通过本实施例3，可制得圆形的玻璃质准直器，准直器的形状为圆形，通孔的形状为圆形，通孔直径为(0.02±0.002)mm，准直器外径D为10±0.5mm，厚度为800μm，准直器长径比(厚度/孔径)40，通孔倾角θ＝0°，准直区为正六边形，准直区的开口面积比≥60％，其通孔尺寸精度达到±1μm。上述准直器可应用于原子钟的准直装置中。
上述的实施例1、实施例2和实施例3制备的多孔玻璃质准直器具有稳定性好、通孔尺寸精度高的优点，通孔间尺寸偏差小于1％，通孔率大于98％，粒子的最小散射角可达到1°。
上述的实施例1、实施例2和实施例3只是针对一定的通孔直径、厚度、倾角等结构参数来说明，可以通过改变实施例中的工艺参数，实现准直器通孔长径比、直径、倾角、通孔区的开口比、通孔区的形状、准直器的外径及形状等结构参数，满足定制要求。目前，比较典型的通孔直径在0.01mm-0.05mm间，而厚度在0.5mm-3.0mm间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种准直器，其特征在于，包括:基体，呈平板状，所述基体具有相互平行的上表面和下表面，在该基体设有至少一个通孔，所述通孔贯穿所述的上表面和下表面，所述通孔的孔径为1-100微米，所述基体的材质为玻璃。
2.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于，
所述玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
所述玻璃的膨胀系数为(40-60)×10-7/℃。
3.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于，
所述玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成；Y2O由Na2O和K2O组成；
所述玻璃的膨胀系数为(80-100)×10-7/℃。
4.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于，
所述通孔的形状为圆形或方形，
所述通孔大小均匀，且彼此沿轴向平行排列，
所述通孔的数量为1-100000个。
5.一种准直器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对皮玻璃预制管和芯玻璃预制棒进行嵌套，形成管棒复合体，将所述管棒复合体进行拉制，形成第一单丝；
对所述的第一单丝进行排列，捆绑，并拉制，形成第一复合丝；
对皮玻璃预制棒进行拉制，形成第二单丝；
将所述第二单丝排列在所述第一复合丝周围，并经热熔压，得到玻璃坯板；
对所述的玻璃坯板进行光学冷加工，再进行化学酸蚀，除去芯玻璃，得到准直器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述芯玻璃的膨胀系数比所述皮玻璃的膨胀系数高(5-10)×10-7/℃及以上，
所述芯玻璃的软化温度比所述皮玻璃的软化温度高50℃及以上，
所述芯玻璃的酸蚀速率比所述皮玻璃的酸蚀速率高100倍及以上。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，
所述皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Li2O和Na2O组成；
所述皮玻璃的膨胀系数为(40-60)×10-7/℃；
所述芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，X2O由Na2O和K2O组成；
所述芯玻璃的膨胀系数为(45-75)×10-7/℃。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，
所述皮玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，XO由BaO、CaO和MgO组成，Y2O由Na2O和K2O组成；
所述皮玻璃的膨胀系数为(80-100)×10-7/℃；
所述芯玻璃，以质量百分含量计，包括：
其中，R2O由Na2O和K2O组成；
所述芯玻璃的膨胀系数为(85-115)×10-7/℃。
9.一种原子钟，其特征在于，所述的原子钟包括权利要求1-4任一项所述的准直器。
10.一种射线照相机，其特征在于，所述的射线照相机包括权利要求1-4任一项所述的准直器。
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