CN110967729A - 采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，涉及微通道板的制备领域，本发明并非完整的微通道板的制造工艺，只是提供了制作空心阵列基底的方法，其工作原理为：在光纤拉制机上，拉制空心玻璃纤维丝，进行规制矩阵排列、拉制一次复丝，排板、真空熔合为空心微通道板，再用可溶性填充材料填充微米级纤维通道，进行切片、研磨、抛光等冷加工处理，然后用高频超声清洗机清洗掉可溶性填充材料，最终制作出纤维均匀排列、通道壁光滑的MCP空心阵列基底板。本发明所提供的工艺方法，所制得的微通道板空心阵列基底，空芯通道排列规整、通道内壁超光滑，在此空心阵列基底上用ADL技术制作微通道板，提高了微通道板各方面的性能。

Description

采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法
技术领域
本发明涉及微通道板的制备领域，具体为一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法。
背景技术
在核技术、核医学仪器（如PET机）、加速器和同步辐射领域，对新型探测器的要求是：大面积、高计数率、高时间和空间分辨率、低本底、超快响应，而微通道板探测器则是最为理想的探测器之一；传统工艺制作的微通道板（简称MCP），其增益特别是经过除气后的电子增益普遍偏低、噪声因子偏大、动态范围偏小、寿命有待提高，而在实际生产过程中，后道工艺很难严格控制，导致成品率在20％左右，主要技术指标分散性大，进而导致下游产品难以采取有效手段精准控制产品质量。目前制作MCP的工艺一直采用实芯工艺，常规通道板制造工艺要求通道内壁粗糙，这样有利于二次电子倍增，但实芯法工艺所制得的粗糙内壁无法进行ALD（原子层外缘生长技术）工艺，因此我们需要采用空心法，使通道表面粗糙度达到纳米级，便于采用ALD技术制作MCP。
发明内容
本发明为了解决现有微通道板的制造中，实心法工艺所制得的粗糙内壁无法进行ALD工艺的问题，提供了一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法。
由于本发明所提供的空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法只是作为微通道板制作的基础，因此其并不是完整的微通道板的制造工艺。在本发明所提供的采用空芯丝热熔法制作MCP空心阵列基底的基础上，再采用原子层外延生长技术，在规则排列微孔阵列的绝缘材料（如玻璃、塑料）的通道内，分别生长纳米级厚度的半导体层和二次电子发射层，尔后在两个端面上蒸镀电极，来制作MCP，即为一种新型微通道板制作方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，包括如下步骤：
①采用冷加工设备对空心玻璃管进行外径和内径加工，使空心玻璃管的外径达到Φ38.5~39.5mm，并对内外壁进行抛光，使表面粗糙度达到10纳米级；同时还要保证空心玻璃管的内径、圆度、直线度等尺寸、精度达到要求；
②取多根Φ38.5~39.5mm的空心玻璃管，将单根的空心玻璃管采用光纤拉制机拉制成外径为Φ1.21±0.01mm的空芯纤维单丝，同时将玻璃棒也采用光纤拉制机拉制成实芯丝；由于测定空芯纤维单丝的直径要采用激光测径仪，因此要准确测量、控制拉丝过程中空芯丝外径精度（±0.01mm）
③将每根空芯纤维单丝采用灯工工艺将其一端按工艺要求封口，所述工艺要求为要确保封头平直、封口不漏气；
④将多根空芯纤维单丝在排棒模具中排成复丝棒，外围丝为实芯丝，且实芯丝的长度比空芯纤维单丝的长度短，将排棒完成的空芯纤维单丝与实芯丝粘好，形成一个整体；在此过程中，要控制、消除通道排列不规则、通道的破损和变形、复丝间空洞的缺陷，保持空芯阵列排列的均匀性、消除排列缺陷；
⑤采用光纤拉制机拉制此复丝棒成为光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝，并将复丝两端封口；
⑥在正六边形的排板模具中排出有效区为空芯纤维单丝的圆柱形纤维阵列板，退掉实芯丝，并通过工装将圆柱形空芯丝阵列用玻璃线绑定，放入一端封口的皮料玻璃管中；
⑦在光纤拉制机内放置装入皮料管中的空芯丝阵列，进行真空熔板，将圆柱形空芯丝阵列按照下棒速度0.5mm/min~1.5mm/min进行下棒，熔板温度在595℃~620℃；
⑧将真空熔合的圆柱形空心阵列板的纤维通道内填充上可溶性填充材料，当可溶性填充材料固化后冷加工切、磨、抛光；
⑨最后再使用超声波清洗掉纤维通道内的可溶性填充材料，最终制得结构均匀的微通道板空心阵列基底。
本发明的工作原理概述为：在光纤拉制机上，拉制空心玻璃纤维丝，进行规则矩阵排列、拉制一次复丝，排板、真空熔合为空心微通道板阵列，再用可溶性填充材料填充微米级纤维通道，进行切片、研磨、抛光等冷加工处理，然后用高频超声波清洗机清洗可溶性填充材料，最终制作出纤维均匀排列、通道壁光滑的MCP空心阵列基底板。
优选的，步骤⑧中可溶性填充材料的填充办法为采用真空抽吸式或者虹吸式；步骤⑧中所述可溶性填充材料要满足在一定温度下可熔融，并在温度降到常温时可凝固，且固化后的硬度适用于玻璃的冷加工切割、滚圆、研磨、抛光的工序，同时易溶入有机溶剂，固化后的膨胀比极小。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，所制得的微通道板空心阵列基底，空芯通道排列规整、通道内壁超光滑，在此空心阵列基底上用ADL技术制作微通道板，是一种新型的高性能的微通道板，其突破了微通道板传统制造工艺所用的铅硅酸盐玻璃，不受材料的成分的过多限制；不再进行氢还原处理工艺，具有长寿命、高增益、大动态范围、低离子反馈等优点。
附图说明
图1为本发明所提供的制作方法流程示意图。
图2 为本发明步骤④的排板示意图。
图3为本发明所制得的微通道板空心阵列基底局部放大的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。在实际生产中，根据产品的技术参数要求，制定出相应的工序工艺参数、工艺方法及配置相应的工装。
一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，如图1所示流程：包括如下步骤：
①采用冷加工设备对空心玻璃管进行外径和内径加工，使空心玻璃管的外径达到Φ38.5~39.5mm，并对内外壁进行抛光，使表面粗糙度达到10纳米级；
②取多根Φ38.5~39.5mm的空心玻璃管，将单根的空心玻璃管采用光纤拉制机拉制成外径为Φ1.21±0.01mm的空芯纤维单丝，同时将玻璃棒也采用光纤拉制机拉制成实芯丝；丝径要求与传统微通道板一致，随着丝径加粗可以适当调整公差，一般丝径公差为±0.01mm；空芯单丝丝径1.21mm，丝长800mm；
③将每根空芯纤维单丝采用灯工工艺将其一端按工艺要求封口，所述工艺要求为要确保封头平直、封口不漏气；采用人工灯工工艺，确保封头形状一致，平直、无漏气；
④将多根空芯纤维单丝在排棒模具中排成复丝棒，外围丝为实芯丝，且实芯丝的长度比空芯纤维单丝的长度短，将排棒完成的空芯纤维单丝与实芯丝粘好，形成一个整体；复丝结构要好，复丝边缘不能有破损，不能有三角洞，不能有瘪丝，控制拉制复丝的规格精度和扭转角度到达工艺要求；确保复丝表面无破损；注意在排棒和排板时要剔除封口破损或封口不正的丝。在本实施例中，排棒16×16，棒对边32.64mm。外围用短丝（实芯丝），长度50-100mm，共390根；里面11×11用长丝（空芯丝），共331根，对边22.17mm。排好棒用玻璃水粘好，使长丝跟短丝形成一个整体；
⑤采用光纤拉制机拉制此复丝棒成为光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝，并将复丝两端封口；本实施例中，断丝长度为90mm；
⑥在正六边形23×23的排板模具中排出有效区为空芯纤维单丝的圆柱形纤维阵列板，如图2所示，板对边38.2mm，退掉实芯丝，并通过工装将圆柱形空芯丝阵列用玻璃线绑定，放入一端封口的皮料玻璃管中；过程中要保证排板对位准确，消除因复丝扭转错位造成微孔排列不规则；
⑦在光纤拉制机内放置装入皮料管中的空芯丝阵列，进行真空熔板，将圆柱形空芯丝阵列按照下棒速度0.5mm/min~1.5mm/min进行下棒，熔板温度在595℃~620℃；设定相应的抽空速度，且在真空熔板时，控制复丝的膨胀方向和膨胀速度一致，确保熔合时空芯复丝膨胀性一致，从而确保空心通道板的纤维孔径一致。选择合适的熔板温度与下棒速度是要确保真空熔合既能有效填充复丝间的空隙，又能有效控制空芯通道板的纤维孔径；
⑧将真空熔合的圆柱形空心阵列板的纤维通道内填充上可溶性填充材料，当可溶性填充材料固化后冷加工切、磨、抛光；具体实践中，将可溶性填充材料加热到熔融状态，同时将空心板放入烘箱中烘烤到200摄氏度左右，加保温层取出后，固定到真空抽吸装置上，并将空心板浸入热熔为液态的可溶性填充材料中，打开真空泵，通过真空抽吸将可溶性填充材料填充到整段空芯通道板中，用保温棉包裹填充可溶性填充材料的空芯板，并放入保温罩中，让其自然降温，可溶性填充材料在降温过程中固化，具备一定的刚性，其硬度能满足后续冷加工的切割、研磨、抛光；本实施例中：将填充可溶性填充材料的空芯纤维阵列板用多线切割机切成3mm厚度，斜切角为8°，用滚圆机、双面研磨、抛光机精磨、抛光为φ33mm，厚度2mm、纤维孔径20µm的玻璃纤维阵列板；
⑨然后再使用超声波清洗机清洗掉纤维通道内的可溶性填充材料，最终制得结构均匀的微通道板空心阵列基底，本实施例中：将空芯纤维板放置在丙酮溶液中，用超声波清洗机，加热到40摄氏度，用50KHZ频率超声清洗30分钟，用纯水清洗10分钟，然后重复一次丙酮溶液超声波清洗机清洗与纯水清洗操作；最后用再用无水乙醇脱水5分钟，放入温度为120℃的真空烘箱中烘烤1小时，制备完成。
如图3所示，经过电子显微镜放大后的空心阵列基底，通道壁光滑，满足了后续采用ALD技术制备新型通道板的要求。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，其特征在于：包括如下步骤：
①采用冷加工设备对空心玻璃管进行外径和内径加工，使空心玻璃管的外径达到Φ38.5~39.5mm，并对内外壁进行抛光，使表面粗糙度达到10纳米级；
②取多根Φ38.5~39.5mm的空心玻璃管，将单根的空心玻璃管采用光纤拉制机拉制成外径为Φ1.21±0.01mm的空芯纤维单丝，同时将玻璃棒也采用光纤拉制机拉制成实芯丝；
③将每根空芯纤维单丝采用灯工工艺将其一端按工艺要求封口，所述工艺要求为要确保封头平直、封口不漏气；
④将多根空芯纤维单丝在排棒模具中排成复丝棒，外围丝为实芯丝，且实芯丝的长度比空芯纤维单丝的长度短，将排棒完成的空芯纤维单丝与实芯丝粘好，形成一个整体；
⑤采用光纤拉制机拉制此复丝棒成为光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝，并将复丝两端封口；
⑥在正六边形的排板模具中排出有效区为空芯纤维单丝的圆柱形纤维阵列板，退掉实芯丝，并通过工装将圆柱形空芯丝阵列用玻璃线绑定，放入一端封口的皮料玻璃管中；
⑦在光纤拉制机内放置装入皮料管中的空芯丝阵列，进行真空熔板，将圆柱形空芯丝阵列按照下棒速度0.5mm/min~1.5mm/min进行下棒，熔板温度在595℃~620℃；
⑧将真空熔合的圆柱形空心阵列板的纤维通道内填充上可溶性填充材料，当可溶性填充材料固化后冷加工切、磨、抛光；
⑨最后再使用超声波清洗掉纤维通道内的可溶性填充材料，最终制得结构均匀的微通道板空心阵列基底。
2.根据权利要求1所述的采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，其特征在于：步骤④中，将排棒完成的空芯纤维单丝与实芯丝用玻璃水粘好。
3.根据权利要求1所述的采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，其特征在于：步骤⑧中可溶性填充材料的填充办法为采用真空抽吸式或者虹吸式。
4.根据权利要求1所述的采用空芯丝热熔法制作微通道板空心阵列基底的方法，其特征在于：步骤⑧中所述可溶性填充材料要满足在一定温度下可熔融，并在温度降到常温时可凝固，且固化后的硬度适用于玻璃的冷加工切割、滚圆、研磨、抛光的工序，同时易溶入有机溶剂。
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