CN111427077B - 一种x射线探测镜头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X射线探测镜头及其制备方法，所述X射线探测镜头包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体包括金属框架及拼接于所述金属框架中的多个扇形镜片组，所述金属框架包括镜头中心区、与所述镜头中心区连接且与多个所述扇形镜片组相配合的多个扇形区。本发明通过多层镜片叠拼的方式，既克服了单层镜片像差大的问题，又可以使反射光线迅速向光轴靠近，大大减小了焦距。与龙虾眼型聚焦镜头相比，本发明用扇形通道代替方形通道，用弧形反射面代替平面反射面，使得反射光线由十字臂向中心焦点处集中，提高了镜头的聚焦效率。

Description

一种X射线探测镜头及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种X射线探测镜头，属于X射线探测技术领域。
背景技术
随着深空探测、脉冲星导航与天文观测技术的快速发展，研制高效率、集成度高的X射线探测镜头成为航天器自主导航和天文观测领域研究的重要内容。几乎所有的材料都对波长小于110nm的光有强烈吸收，但随着波长的变短，折射率越来越接近于1，掠入射的X射线可以在材料表面发生全反射。因此，通常采用掠入射的系统型式，对X射线进行聚焦探测。
现有掠入射型X射线聚焦探测镜头主要有两种：(1)Wolter I型探测镜头，是由一个旋转抛物面和一个旋转双曲面所组成，或将抛物面或双曲面简化为圆锥面，X射线经过两次反射，聚焦在同一点，克服了单个曲面反射镜存在的严重像差问题，对X射线有较高的聚焦效率。Wolter I型聚焦镜头大多采用传统的玻璃研磨或电镀镍等工艺路线，为了获得较大的集光面积，一般采用大口径以及多层嵌套的设计，如现有技术的光轴方向的长度达到1.5m以上，体积大、质量大，成本较高。(2)仿龙虾眼型探测镜头，是由许多排列在球面上的矩形微孔组成，聚焦呈十字像。结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，具有大视场特性。又有现有技术公开了龙虾眼型以超薄反射镜替代传统玻璃与金属反射镜，其具有体积小、重量轻的特点，但是由于成像的十字臂分散了部分能量，探测效率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明目的在于提供一种X射线探测镜头，既能达到高的探测效率又能满足轻质、小型化的需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种X射线探测镜头，所述X射线探测镜头包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体包括金属框架及拼接于所述金属框架中的多个扇形镜片组，所述金属框架包括镜头中心区、与所述镜头中心区连接且与多个所述扇形镜片组相配合的多个扇形区。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中所述镜头中心区为实体区。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中同一圆环上的多个所述扇形区的大小相同。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中多个所述扇形区包括依次连接的多个所述第一扇形区至多个所述第M扇形区，M为大于1的整数。
多个所述第一扇形区至多个所述第M扇形区分别位于直径不同的圆环上，M为大于1的整数。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中所述扇形镜片组包括与多个所述第一扇形区至多个所述第M扇形区分别相配合的多个所述第一扇形镜片组至多个所述第M扇形镜片组，M为大于1的整数。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中多个所述第一扇形镜片组至多个所述第M扇形镜片组均由多层镜片叠拼而成，M为大于1的整数。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中多层所述镜片均包含数百万个微米级通道。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中所述微米级通道的横截面为两条直线边与两条弧线边组成的扇形，直线边长小于弧长。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中X射线探测镜头的各参数存在如下关系：通道内壁X射线掠入射临界角α、镜片外圆半径R、焦距F、每组镜片叠拼层数N(N≥2)之间的关系为：α＝arctan(R/F)/(2N)；单通道的长度Lx、该通道距镜头中心的距离Rx、该通道的掠入射角αx，通道内间距D之间的关系为：Lx＝D/tanαx＝D/tan{[arctan(Rx/F)]/(2N)}；叠拼层数N、各镜片所在的层数n(从靠近焦点的一端开始计数)、镜片沿通道方向的曲率半径Rn与焦距F的关系为：Rn＝2N×F/(2N-2n+1)，通道内间距与通道壁厚的比值为3～5。
镜头的分割方式由镜片材料的机械强度及镜头整体的外径大小决定。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中X射线探测镜头的最内层镜片的内径与镜头中心区的外径相同，同一组内叠拼的镜片内径、外径相同。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种X射线探测镜头的制备方法，具体包括以下步骤：
1)棒管制备：以硼酸盐玻璃作为通道区材料，以铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料，通过通道材料与通道壁材料的配合得到棒管；
2)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，先进行单丝拉制，使得芯区能保持扇形结构而管料充分流动均匀包覆在芯区外围，得到多个扇形单丝；将该些扇形单丝经过组合排列，得到横截面为扇形的复丝棒，之后进行截面为扇形的复合纤维拉制；
3)纤维排列：将步骤2)拉制出的扇形复丝组合排列，以形成扇柱体坯板；
4)纤维束熔压：将步骤3)得到的扇柱体坯板装入整型的扇柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合；
5)冷加工：将熔压后的坯板切为薄片，将该薄片精雕为所需扇形的外形尺寸，再抛光至所需镜片厚度；
6)热弯成型：将扇形镜片放置于热弯模具，加热至通道材料的软化点以上0～5℃的范围内保温3～6h，使镜片变形与模具完全贴服；
7)通道刻蚀：以HNO3溶液与NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有光滑内壁的通道；
8)增反膜的涂覆：通过原子层沉积在通道内壁涂覆增反膜；
9)拼接：将多片不同曲率半径的扇形镜片进行对孔叠拼，之后将多组叠拼好的镜片安装在金属框架上，得到所述X射线探测镜头。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤1)中，所述硼酸盐玻璃的软化点为500～700℃，不耐酸蚀。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤1)中，所述铅硅酸盐玻璃的软化点比硼酸盐玻璃的软化点低50～150℃，耐酸蚀。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤1)中，所述通道材料与通道壁材料的配合包括：
将该硼酸盐玻璃精雕为横截面为扇形的扇柱体作为芯棒，将通道壁玻璃用整形机整型为截面为扇形的管，将芯棒与管配合进行纤维拉制；所述扇形的弧线边与直线边的长度比值为2：1～4：1；
或者将通道壁材料制成方棒，拉制为方形单丝并均匀包覆在通道玻璃芯棒外围；所述方形单丝的丝径与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道内间距比值的一半。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤1)中，所述扇形的弧线边、直线边与最终制得的通道的弧线边、直线边的比值为定值；所述弧线边包括长弧线边与短弧线边，长弧线边与短弧线边为同心圆弧；所述截面为扇形的管的壁厚与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道内间距比值的一半。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤2)中，所述单丝拉制温度比通道玻璃的软化点高60～80℃，所述复合纤维的拉制温度比通道玻璃的软化点高60～80℃。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤2)中，同一圆环上的扇形单丝的直线边尺寸相同。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤3)中，同一圆环上的扇形复丝的直线边尺寸相同；所述扇柱体坯板的内径比镜片内径小2～4mm，外径比镜片外径大2～4mm。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤4)中，所述扇柱体玻璃管的软化点比通道壁材料的软化点低20～60℃，所述扇柱体玻璃管的各边与坯板各边的尺寸的差值小于2mm。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤4)中，所述气熔压的最高温度高于通道壁材料的软化点2～10℃，所述气熔压的压力为0.5～2MPa，保压时间为0.5～2h。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤5)中，所述薄片比所需镜片厚0.05～0.1mm，且切为薄片时的切面与通道的角度为90°±0.1°；所述扇形的弧线边与直线边与最终制得的镜片尺寸相同，所述镜片的厚度为所述通道的长度Lx。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤6)中，所述热弯模具由凹面模和凸面模两部分组成，所述凹面模的曲率与镜片的曲率相同，所述凸面模的曲率小于镜片曲率，所述凹面模与凸面模的曲率差值为镜片的厚度；所述热弯模具的材质为殷钢。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤7)中，所述HNO3的浓度为1～8wt％；与NaOH溶液的浓度为0.5～2wt％；所述通道的粗糙度优于1nm。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤8)中，所述增反膜的厚度为20nm以上。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤8)中，所述增反膜的材质选自金、铱或镍。
优选地，前述的X射线探测镜头的制备方法，其中步骤9)中，所述对孔叠拼时，镜片凸面朝向X射线入射端，各层镜片按自X射线入射端起曲率半径从大到小的顺序叠拼。
上述镜片中微米级通道是通过拉制玻璃纤维再酸蚀成孔的方式得到，制备过程包括棒管制备、纤维拉制、纤维排列、纤维束熔压、冷加工、热弯成型、通道刻蚀、增反膜的涂覆、拼接这些步骤。
借由上述技术方案，本发明提出的一种X射线探测镜头至少具有下列优点：
1、焦距短。本发明通过多层镜片叠拼的方式，既克服了单层镜片像差大的问题，又可以使反射光线迅速向光轴靠近，大大减小了焦距。
2、聚焦效率高。与龙虾眼型聚焦镜头相比，本发明用扇形通道代替方形通道，用弧形反射面代替平面反射面，使得反射光线由十字臂向中心焦点处集中，提高了镜头的聚焦效率。
3、质量轻。与Wolter I型聚焦镜头相比，本发明用微米级通道代替了毫米级通道，用微米级超薄反射面代替了毫米级反射面，镜片体积大大减小，焦距的缩短又进一步减小整个聚焦系统的体积，也就减小了整体重量。
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是采用本发明制备的镜头拼接示意图；其中，1-框架，2-镜片组；
图2是镜片显微结构示意图；其中，3-通道壁，4-扇形通道。
图3是单通道的结构示意图；其中，5-通道壁长弧边，6-通道壁短弧边，7、8-通道壁直线边，9-通道区，5与6之间的间距为通道内间距，5、6、7、8的厚度为通道壁厚；
图4是扇形管的横截面示意图；其中，10-管壁长弧边，11-管壁短弧边，12、13-管壁直线边；
图5是芯棒的横截面示意图；其中，14-芯棒长弧边，15-芯棒短弧边，16、17-芯棒直线边；
图6是采用本发明制备的3层叠拼镜片的纵截面以及聚焦原理的示意图；其中，18-第一层镜片，19-第二层镜片，20-第三层镜片，21-镜头中心轴，α-通道内壁X射线掠入射临界角，αx-该通道的掠入射角，R-镜片外圆半径，Rx-该通道距镜头中心的距离，F-焦距，Lx-单通道的长度，Rn-镜片沿通道方向的曲率半径。
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X射线探测镜头及其制备方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1-图6所示，本发明提供了一种X射线探测镜头，所述X射线探测镜头包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体包括金属框架1及拼接于所述金属框架1中的多个扇形镜片组2，所述金属框架1包括镜头中心区、与所述镜头中心区连接且与多个所述扇形镜片组2相配合的多个扇形区；所述镜头中心区为实体区。因镜头中心区域的通道倾斜角很小，进入此区域的X射线绝大多数都可以直接穿过通道而未发生反射，中心区域对于X射线聚焦作用贡献很小，考虑到镜头的机械强度，将镜头中心区设计为实体区，将圆形其他区域分割成若干扇形区。
此外，同一圆环上的多个所述扇形区的大小相同。
此外，多个所述扇形区包括依次连接的多个所述第一扇形区、多个所述第二扇形区……多个所述第M扇形区，M为大于1的整数。
此外，多个所述第一扇形区、多个所述第二扇形区……多个所述第M扇形区分别位于直径不同的圆环上，M为大于1的整数。
优选地，前述的X射线探测镜头，其中所述扇形镜片组包括与多个所述第一扇形区、多个所述第二扇形区……多个所述第M扇形区分别相配合的多个所述第一扇形镜片组、多个所述第二扇形镜片组……多个所述第M扇形镜片组，M为大于1的整数。
此外，因单层镜片的聚焦焦距过长，且像差大，所以将多个所述第一扇形镜片组、多个所述第二扇形镜片组……多个所述第M扇形镜片组均设计为由多层镜片叠拼而成，M为大于1的整数。
此外，多层所述镜片均包含数百万个微米级通道。如图3所示，所述微米级通道的横截面为两条直线边与两条弧线边组成的扇形通道区9，两条所述弧线边包括通道壁长弧边5及通道壁短弧边6，通道壁长弧边5的内侧为X射线反射面，通道壁短弧边6的外侧为下一通道中的反射面，两条直线边分别为通道壁直线边7、8，通道壁直线边7、8起支撑作用，因直线边会阻挡部分入射光线降低聚焦效率，所以要求直线边长小于弧长。
此外，根据镜头的视场角、掠入射临界角、焦距等要求可以计算出镜头通道间距、通道长度、外圆半径、曲率半径等结构参数。如图6所示，X射线探测镜头的各参数存在如下关系：通道内壁X射线掠入射临界角α、镜片外圆半径R、焦距F、每组镜片叠拼层数N(N≥2)之间的关系为：α＝arctan(R/F)/(2N)；单通道的长度Lx、该通道距镜头中心的距离Rx、该通道的掠入射角αx，通道间距D之间的关系为：
Lx＝D/tanαx＝D/tan{[arctan(Rx/F)]/(2N)}；叠拼层数N、各镜片所在的层数n(从靠近焦点的一端开始计数，如图6所示，靠近焦点一端的为第一层镜片18，沿镜头中心轴21指向光源方向依次为第二层镜片19、第三层镜片20，第一层镜片18、第二层镜片19、第三层镜片20的曲率半径为由小到大排列)、镜片沿通道方向的曲率半径Rn与焦距F的关系为：
Rn＝2N×F/(2N-2n+1)。通道内间距D与通道壁厚的比值为3～5。镜头的分割方式由镜片材料的机械强度及镜头整体的外径大小决定。X射线探测镜头的最内层镜片的内径与镜头中心区的外径相同，同一组内叠拼的镜片内径、外径相同。
上述X射线探测镜头的制备方法，包括以下步骤：
1)棒管制备：以高软化点(软化点为500～700℃)、不耐酸蚀的硼酸盐玻璃作为通道区材料，以低软化点(其软化点比硼酸盐玻璃的软化点低50～150℃)、耐酸蚀的铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料，通过通道材料与通道壁材料的配合得到棒管；所述通道材料与通道壁材料的配合包括：将通道区玻璃加工为横截面为扇形的柱体(以下简称为“扇柱体”)作为芯棒，如图5所示，扇形的弧线边与直线边的长度比值为2：1～4：1，扇形各边与最终制得的通道的各边比值为定值，所述弧线边包括芯棒长弧线边14与芯棒短弧线边15，二者为同心圆弧，所述直线边包括芯棒直线边16、17；将通道壁玻璃整型为截面为扇形的扇形管，如图4所示，扇形管的壁厚与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道直线边比值的一半，所述扇形管包括弧线边及直线边，扇形的弧线边与直线边的长度比值为2：1～4：1，扇形各边与最终制得的通道的各边比值为定值，所述弧线边包括管壁长弧线边10与管壁短弧线边11，二者为同心圆弧，所述直线边包括管壁直线边12、13，扇形管各边的比例与芯棒相同，将芯棒与扇形管配合进行纤维拉制；或者通道玻璃与通道壁玻璃的配合也可包括：将通道壁玻璃制成方棒，拉制为方形单丝并均匀包覆在通道玻璃芯棒外围，方形单丝的丝径与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道直线边比值的一半。
2)纤维拉制：纤维拉制分两次进行。设计不同几何尺寸的扇形单丝，同一环上的扇形单丝直线边尺寸相同。第一次是单丝拉制，拉丝温度比通道玻璃的软化点高60～80℃，使得芯区能保持扇形结构而管料充分流动均匀包覆在芯区外围，得到多个扇形单丝。将该些扇形单丝经过组合排列，得到横截面为扇形的复丝棒，之后进行截面为扇形的复合纤维拉制。复合纤维的拉制温度比通道玻璃的软化点高60～80℃。
3)纤维排列：将步骤2)拉制出的扇形复丝(不同几何尺寸)组合排列，同一环上的扇形复丝直线边尺寸一致，形成扇柱体坯板。坯板的内径比镜片内径小2～4mm，外径比镜片外径大2～4mm。
4)纤维束熔压：利用整形机整型出底部密封的扇柱体玻璃管，将步骤3)得到的扇柱体坯板装入整型的扇柱体玻璃管，之后将其安装在气熔压炉内，扇柱体玻璃管的几何尺寸由扇柱体坯板的尺寸决定，扇柱体玻璃管各处与扇柱体坯板之间的距离小于2mm，所述扇柱体玻璃管的软化点比通道壁材料低20～60℃，熔压时玻璃管软化包覆在坯板外围起保护作用。所述扇柱体玻璃管的各边与坯板各边的尺寸的差值小于2mm。采用气熔压的方式实现原位熔合。所述气熔压的最高温度高于通道壁材料的软化点2～10℃，所述气熔压的压力为0.5～2MPa，保压0.5～2h，使得熔压时通道壁软化互相熔合而通道还能保持原有的扇形结构。
5)冷加工：将熔压后的坯板切为薄片，所述薄片比所需镜片厚0.05～0.1mm，切为薄片时需保证切面与通道的角度为90°±0.1°。用精雕机去除外围的玻璃管，雕为所需扇形的外形尺寸，所述扇形的弧线边与直线边与最终制得的镜片尺寸相同，厚度方向留有0.05～0.1mm余量，再抛光至所需镜片厚度，其厚度为所述通道的长度Lx。
6)热弯成型：将多片扇形镜片均匀放置于热弯模具的凹面模与凸面模中间，叠放顺序从上到下为凸面模、镜片、凹面模，一起放置于高温炉内，加热至通道区材料的软化点以上0～5℃的范围内保温3～6h，使镜片变形与模具完全贴服，从而使镜片内的通道均指向曲面的球心处；所述热弯模具由凹面模和凸面模两部分组成。所述凹面模的曲率与镜片的曲率相同，所述凹面模与凸面模的曲率差值为镜片的厚度。所述热弯模具的材质为殷钢。
7)通道刻蚀：采用浓度为1～8wt％的HNO3溶液与浓度为0.5～2wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有超光滑内壁的通道，粗糙度优于1nm。
8)增反膜的涂覆：通过原子层沉积技术在通道内壁涂覆厚度为20nm以上的增反膜，膜材可选用金、铱、镍等，作用是提高内壁对X射线的掠入射临界角以及反射率。
9)拼接：将多片不同曲率半径的扇形镜片进行对孔叠拼，叠拼时，镜片凸面朝向X射线入射端，各层镜片叠拼顺序为从X射线入射方向起曲率半径逐渐减小。之后将多组叠拼好的镜片进行串联拼接并安装在金属框架上，得到一个完整的圆形X射线探测镜头。
实施例1
本实施例提供了一种X射线探测镜头，其参数设计如表1所示。
表1
Figure BDA0002465770480000091
Figure BDA0002465770480000101
以下以实施例1所述的X射线探测镜头的内环第一层镜片为例阐述制备过程，具体包括以下步骤：
以软化点680℃的硼酸盐玻璃作为通道区材料，以软化点580℃的铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料。将通道区材料用精雕机加工为截面为扇形的芯棒，以第一层通道对应的芯棒为例，棒的尺寸为长弧的弧长为30.04mm、短弧为30mm，直线边15mm，长弧与短弧为同心圆弧。其余层通道对应的芯棒直线边长一致，弧长由通道各层至镜头中心的距离计算得出。
将通道壁材料用整形机整型为截面为扇形的管，管壁厚2.2mm，将芯棒与皮管组合进行单丝拉制，得到扇形单丝。单丝拉制温度为760℃，扇形单丝的直线边长为1mm。
将得到的扇形单丝组合排列为扇柱体的复丝棒(横截面为扇形)，复丝棒包括二十层单丝，在760℃下拉制出直线边为0.52mm的复合纤维，再经组合排列后形成扇柱体坯板，坯板的内径为38mm，外径为86mm。
将坯板装入整型为内径为37mm、外径为87mm的扇柱体玻璃管进行气熔压，玻璃管的软化点为520℃，气熔压最高温度为582℃，压力0.5MPa，保压1h。
将熔压后的坯板切为厚2.34mm的薄片，切片角度为89.9°，用精雕机去除外围的玻璃管，雕为所需扇形的尺寸，即内径40mm，外径84mm，圆心角为48°，抛光至2.24mm。
将六片扇形镜片均匀放置于热弯模具的凹面模和凸面模中间，叠放顺序从上到下为凸面模、镜片、凹面模，一起放置于高温炉内，凹面模的曲率半径为897mm，凸面模的曲率半径为894.76mm。在685℃加热、保温3小时，使镜片变形与模具完全贴服。
采用浓度2wt％的HNO3溶液与浓度为1wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀，使得芯料溶解形成内间距为20μm的通道，内壁粗糙度0.9nm。
通过原子层沉积在通道内壁涂覆20nm厚的金膜。
第二层镜片的制备流程同上，热弯曲率半径为2692mm。将曲率半径为897mm的第一层镜片和曲率半径为2692mm的第二层镜片用激光进行对孔拼接形成一组，再重复以上过程制备出六组镜片，之后将六组镜片(都是897mm和2692mm的镜片叠加)进行串联拼接，形成内环。九组外环镜片制备过程同理，最终串联拼接并安装在中心实心区直径为40mm的框架上，成为一个完整的圆形X射线探测镜头，如图1所示。
最终拼接的镜头性能参数如表2所示：
表2
性能 数值
焦距 673mm
聚焦效率 ≥20％
有效面积 ≥19.7cm<sup>2</sup>
实施例2
本实施例提供了一种X射线探测镜头，其参数设计如表3所示。
表3
Figure BDA0002465770480000111
Figure BDA0002465770480000121
以下以实施例2所述的X射线探测镜头的内环第一层镜片为例阐述制备过程。以软化点655℃的硼酸盐玻璃作为通道区材料，以软化点535℃的铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料。将通道区材料用精雕机加工为截面为扇形的芯棒，以第一层通道对应的芯棒为例，棒的尺寸为长弧的弧长为40.05mm、短弧为40mm，直线边10mm，长弧与短弧为同心圆弧。其余层通道对应的芯棒直线边长一致，弧长由通道各层至镜头中心的距离计算得出。
将通道壁材料用整形机加工为方形棒，将该方形棒于600℃拉制出丝径为1mm的方形丝，之后将该方形丝包覆在芯棒外围进行单丝拉制，得到扇形单丝。单丝拉制温度为715℃，扇形单丝的直线边长为1mm。
将得到的扇形单丝组合排列为扇柱体的复丝棒(横截面为扇形)，复丝棒包括三十层单丝，在715℃下拉制出直线边为1.08mm的复合纤维，再经组合排列后形成扇柱体坯板，坯板的内径为56mm，外径为118mm。
将坯板装入整型为内径为54mm，外径为120mm的扇柱体玻璃管进行气熔压，玻璃管的软化点为515℃，气熔压最高温度为545℃，压力2MPa，保压0.5h。
将熔压后的坯板切为厚2.25mm的薄片，切片角度为90.1°，用精雕机去除外围的玻璃管，雕为所需扇形尺寸，即内径60mm，外径114mm，圆心角为50°，抛光至2.20mm。
将六片扇形镜片均匀放置于热弯模具的凹面模和凸面模中间，叠放顺序从上到下为凸面模、镜片、凹面模，一起放置于高温炉内，凹面模的曲率半径为516mm，凸面模的曲率半径为513.8mm。在655℃加热、保温6小时，使镜片变形与模具完全贴服。
采用浓度8wt％的HNO3溶液与浓度为2wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀，使得芯料溶解形成内间距为30μm的通道，内壁粗糙度0.7nm。
通过原子层沉积在通道内壁涂覆30nm厚的镍膜。
第二、三层镜片的制备流程同上，热弯曲率半径分别为860mm、2580mm。将曲率半径分别为516mm、860mm和2580mm的第一层镜片、第二层镜片及第三层镜片用激光进行对孔拼接形成一组，再重复以上过程制备出六组镜片，之后将六组镜片(都是516mm、860mm和2580mm的镜片叠加)进行串联拼接，形成内环，九组外环镜片制备过程同理，最终拼接在中心实心区直径为60mm的框架上，成为一个完整的圆形X射线探测镜头，如图1所示。
最终拼接的镜头性能参数如表4所示：
表4
性能 数值
焦距 430mm
聚焦效率 ≥15％
有效面积 ≥25.9cm<sup>2</sup>
实施例3
本实施例提供了一种X射线探测镜头，其参数设计如表5所示。
表5
Figure BDA0002465770480000131
Figure BDA0002465770480000141
以下以实施例3所述的X射线探测镜头的内环第一层镜片为例阐述制备过程。以软化点671℃的硼酸盐玻璃作为通道区材料，以软化点566℃的铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料。将通道区材料用精雕机加工为截面为扇形的芯棒，以第一层通道对应的芯棒为例，棒的尺寸为长弧的弧长为42.05mm、短弧为42.00mm，直线边14.00mm，长弧与短弧为同心圆弧。其余层通道对应的芯棒直线边长一致，弧长由通道各层至镜头中心的距离计算得出。
将通道壁材料加工为方形棒拉制出丝径为1.4mm的方形丝包覆在芯棒外围进行单丝拉制，得到扇形单丝。单丝拉制温度为742℃，扇形单丝的直线边长1.00mm。
将得到的扇形单丝组合排列为扇柱体的复丝棒(横截面为扇形)，复丝棒包括二十五层单丝，在742℃下拉制出直线边为0.75mm的复合纤维，再经组合排列后形成扇柱体坯板，坯板的内径为47mm，外径为123mm。
将坯板装入整型为内径为46mm，外径为124mm的扇柱体玻璃管进行气熔压，玻璃管的软化点为530℃，气熔压最高温度为572℃，压力1MPa，保压2h。
将熔压后的坯板切为厚2.89mm的薄片，切片角度为90.0°，用精雕机去除外围的玻璃管，雕为所需扇形尺寸，即内径50mm，外径120mm，圆心角为49°，抛光至2.82mm。
将六片扇形镜片均匀放置于热弯模具的凹面模和凸面模中间，叠放顺序从上到下为凸面模、镜片、凹面模，一起放置于高温炉内，凹面模的曲率半径为457mm，凸面模的曲率半径为454.18mm。在674℃加热、保温4小时，使镜片变形与模具完全贴服。
采用浓度1wt％的HNO3溶液与浓度为0.5wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀，使得芯料溶解形成内间距为25μm的通道，内壁粗糙度0.8nm。通过原子层沉积在通道内壁涂覆30nm厚的铱膜。
第二、三、四层镜片的制备流程同上，热弯曲率半径分别为640mm、1067mm、3200mm。将曲率半径分别为457mm、640mm、1067mm和3200mm的第一层镜片、第二层镜片、第三层镜片及第四层镜片用激光进行对孔拼接形成一组，再重复以上过程制备出六组镜片，之后将六组镜片(都是457mm、640mm、1067mm和3200mm的镜片叠加)进行串联拼接，形成内环，八组中环镜片、九组外环镜片制备过程同理，最终串联拼接并安装在中心实心区直径为50mm的框架上，成为一个完整的圆形X射线探测镜头如图1所示。
最终拼接的镜头性能参数如表6所示：
表6
性能 数值
焦距 400mm
聚焦效率 ≥12％
有效面积 ≥60.1cm<sup>2</sup>
以上实施例通过2至4层镜片叠加，缩短了镜头焦距，也就缩小了镜头体积，减小了整体重量；通过制备扇形通道，提高了聚焦效率，也就提高了有效面积。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
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 (8)

1.一种X射线探测镜头，其特征在于，所述X射线探测镜头包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体包括金属框架及拼接于所述金属框架中的多个扇形镜片组，所述金属框架包括镜头中心区、与所述镜头中心区连接且与多个所述扇形镜片组相配合的多个扇形区；
所述镜头中心区为实体区；同一圆环上的多个所述扇形区的大小相同，多个所述扇形区包括依次连接的多个第一扇形区至多个第M扇形区，多个所述第一扇形区至多个所述第M扇形区分别位于直径不同的圆环上，所述扇形镜片组包括与多个所述第一扇形区至多个所述第M扇形区分别相配合的多个第一扇形镜片组至多个第M扇形镜片组，多个所述第一扇形镜片组至多个所述第M扇形镜片组均由多层镜片叠拼而成，M为大于1的整数；多层所述镜片均包含数百万个微米级通道；所述微米级通道的横截面为两条直线边与两条弧线边组成的扇形，直线边长小于弧长。
2.如权利要求1所述的X射线探测镜头，其特征在于，所述X射线探测镜头的各参数存在如下关系：通道内壁X射线掠入射临界角α、镜片外圆半径R、焦距F、每组镜片叠拼层数N之间的关系为：α={arctan(R/F)}/(2N) ，N≥2；单通道的长度Lx、该通道距镜头中心的距离Rx、该通道的掠入射角αx，通道内间距D之间的关系为：Lx=D/tanαx=D/tan{[arctan(Rx/F)]/(2N)}；叠拼层数N、各镜片所在的层数n、镜片沿通道方向的曲率半径Rn与焦距F的关系为：Rn=2N×F/(2N-2n+1)，通道内间距与通道壁厚的比值为3~5，其中层数n从靠近焦点的一端开始计数。
3.如权利要求1所述的X射线探测镜头，其特征在于，所述X射线探测镜头的最内层镜片的内径与镜头中心区的外径相同，同一组内叠拼的镜片内径、外径相同。
4.一种权利要求1-3任一项所述的X射线探测镜头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）棒管制备：以硼酸盐玻璃作为通道区材料，以铅硅酸盐玻璃作为通道壁材料，通过通道区材料与通道壁材料的配合得到棒管；
2）纤维拉制：纤维拉制分两次进行，先进行单丝拉制，使得芯区能保持扇形结构而管料充分流动均匀包覆在芯区外围，得到多个扇形单丝；将该些扇形单丝经过组合排列，得到横截面为扇形的复丝棒，之后进行截面为扇形的复合纤维拉制；
3）纤维排列：将步骤2）拉制出的扇形复丝组合排列，以形成扇柱体坯板；
4）纤维束熔压：将步骤3）得到的扇柱体坯板装入整型的扇柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合；
5）冷加工：将熔压后的坯板切为薄片，将该薄片精雕为所需扇形的外形尺寸，再抛光至所需镜片厚度；
6）热弯成型：将扇形镜片放置在热弯模具中，加热至通道材料的软化点以上0~5℃的范围内保温3~6h，使镜片变形与模具完全贴服；
7）通道刻蚀：以HNO3溶液与NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有光滑内壁的通道；
8）增反膜的涂覆：通过原子层沉积在通道内壁涂覆增反膜；
9）拼接：将多片不同曲率半径的扇形镜片进行对孔叠拼，之后将多组叠拼好的镜片安装在金属框架上，得到所述X射线探测镜头。
5.如权利要求4所述的X射线探测镜头的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述通道区材料与通道壁材料的配合包括：
将该硼酸盐玻璃精雕为横截面为扇形的扇柱体作为芯棒，将通道壁玻璃用整形机整型为截面为扇形的管，将芯棒与管配合进行纤维拉制；
或将该硼酸盐玻璃精雕为横截面为扇形的扇柱体作为芯棒，将通道壁材料制成方棒，拉制为方形单丝并均匀包覆在通道玻璃芯棒外围；所述方形单丝的丝径与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道内间距比值的一半。
6.如权利要求5所述的X射线探测镜头的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述扇柱体的弧线边、直线边与最终制得的通道的弧线边、直线边的比值为定值；所述弧线边包括长弧线边与短弧线边，长弧线边与短弧线边为同心圆弧；所述截面为扇形的管的壁厚与芯棒直线边的比值为最终制得的通道壁厚与通道直线边比值的一半；所述芯棒扇形的弧线边与直线边的长度比值为2：1~4：1。
7.如权利要求4所述的X射线探测镜头的制备方法，其特征在于，步骤2）中，同一圆环上的扇形单丝的直线边尺寸相同；步骤3）中，同一圆环上的扇形复丝的直线边尺寸相同；所述扇柱体坯板的内径比镜片内径小2~4mm，外径比镜片外径大2~4mm。
8.如权利要求4所述的X射线探测镜头的制备方法，其特征在于，步骤9）中，所述对孔叠拼时，镜片凸面朝向X射线入射端，各层镜片按自X射线入射端起曲率半径从大到小的顺序叠拼。
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