CN113447508B - 一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，属于光学晶体制造技术领域，解决了简单锥面存在理论相像差、柱面晶体谱仪检测面只能在柱面中心轴线位置处的问题，本发明包括如下步骤：S1、建模：采用三维软件建模；S2、晶片制作：用X射线定向仪定向切割α石英晶体片，抛光第一个面，完工后光胶上盘抛光第二面；S3、弯晶基底：采用石英材料进行加工；S4、面型精度测量：采用精度为1μm的三坐标机测量；S5、面型保持定位压块制作：用石英材料，制作外型尺寸与弯晶相同、反射面面型与弯晶相同、凹凸相反的标准压块；S6、定型胶合：用面型保持定位压块的面型来完成胶合完工后的弯晶面型。本发明制作的变锥面弯晶精度复测≤5μm，精度高。

Description

一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法

技术领域

本发明属于光学晶体制造技术领域，具体涉及一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法。

背景技术

X射线晶体光谱仪是利用晶体作分光器的X射线光谱仪。晶体具有适当的点阵间隔， 对一定波长的X射线产生衍射作用，可起到类似于光学式分析仪器中衍射光栅的作用。其 工作原理如下：

激光与等离子体相互作用产生X射线照射在晶体上，经过晶体衍射分光后，在记录面 (X射线CCD或X射线CMOS)上形成空间强度分布。X射线经过晶体衍射满足Bragg衍 射方程：

2d·sinΘ＝m·λ(m＝0，1，2，...)

式中d为晶体的晶面间距，θ为入散光与晶体间的掠入射角，m为衍射级次。

当晶体为锥面时，若光源位于锥面轴线上，则其聚焦面也在轴线上。这样的几何光路记 录面的位置过长且不便于配接时间分辨设备，而且要求圆锥的曲率半径很小，实际操作中 很难满足。此外，若光源不在锥面轴线上，则简单锥面结构有其明显的缺点，如像差较大， 理论上只有一点是无像差聚焦，而且检测光谱范围相对较窄。

当晶体为柱面时，柱面晶体谱仪检测面只能在柱面中心轴线位置，检测受限。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决简单锥面存在理论相像差、柱面晶体谱仪检测面只能在柱面中心轴线位置处的缺 陷，提供一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，可同时克服这两种结构的缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，包括如下步骤：

S1、建模：采用三维软件建模；为了克服简单锥面的弊端，需要建立新型的光路汇聚模 型，其基本要求是：1)满足基本的衍射公式以及几何面形的一般反射原理；2)聚焦面与 晶体中心剖面线垂直，即针对晶体不同位置，设置不同的曲率半径，使其汇聚点的位置落 在预设区域。

S2、晶片制作：用X射线定向仪定向切割α石英晶体片，切割厚度在1mm及以上，再上盘抛光第一个面，完工后光胶上盘抛光第二面，使晶体片厚度均匀性≤1μm；

S3、弯晶基底制作：采用石英材料，利用建立的三维模型采用光学五轴加工中心进行加 工，粗糙度≤0.5μm，面型精度≤5μm；

S4、面型精度测量：采用精度为1μm的三坐标机测量；

S5、面型保持定位压块制作：采用石英材料，用光学五轴加工中心制作外型尺寸与弯晶 相同、反射面面型与弯晶相同、凹凸相反的标准压块，粗糙度≤0.5μm，面型精度≦5μm；

S6、晶片与基底模压定型胶合：采用面型保持定位压块模压定型的方法，用面型保持定 位压块的面型来完成胶合完工后的弯晶面型。

进一步地，所述步骤S1中建模的方法为：采用各理论圆弧线作为轮廓线、X轴及X轴两侧共三条引导线的成面方式，在X轴各坐标点处，画出相应圆弧线，在Z坐标做出各圆 弧的两个端点，分别连接圆弧在Z坐标上两个端点处的各个端点，做出两条样条线，完成 建模。

进一步地，所述步骤S4中三坐标机测量的方法为：三坐标测量前先生成测量点的XYZ 坐标，采用三维软件的数控加工模块生成NC程序，用已建立的三维模型，设定测量点的距离、球形测头，用加工模块生成NC加工程序，运行程序后，程序上面刀具加工起点的 坐标即测量面型所要求该点的XYZ理论坐标，用这些坐标值作为三坐标设定测点位置，得 出理论Z坐标和实测Z坐标的面型差值；

进一步地，所述步骤S6中采用高精度面型保持定位压块模压定型的方法包括：将基底 与晶片清洗干净后，将基底固定放在工作台上，上面涂紫外胶，晶片和基底的前后左右对 齐后，把晶片放在胶液上，并把保持定位压块对齐压实，排出气泡，上面压上压铁，保持 固定，用紫外灯烤24小时以上，取出洗清干净后留待检验。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的变锥面弯晶结构具有柱面与锥面晶体谱仪的高集光效率及宽测谱范围的优 点，同时采用针对晶体不同位置，设置不同的曲率半径的结构设计，同时克服了简单锥面 存在理论相像差、柱面晶体谱仪检测面只能在柱面中心轴线位置处的问题，且很好的满足 了光路的紧凑性，制作的高集光高分辨变锥面弯晶精度复测≤5μm，并在后期实验中取得 良好结果，也为今后时间分辨设备的配接拓展提供了良好的条件。

2、本发明在面型精度的测量中采用三维软的数控加工模块生成NC程序的方式，巧妙 地解决了生成测量点的XYZ坐标难度大的问题，克服了由于三坐标测量是球形测头接触式 测量，准确计算或在模型上测出测头接触点的理论XYZ坐标值难度极大的问题。

3、本发明为保障弯晶的面型精度，在基底面型精度适当的情况下，采用高精度面型保 持定位压块模压定型的方法，用高精度面型保持定位压块的面型来确保胶合完工后的弯晶 面型，有效提高了制作出的变锥面弯晶的面型精度。

附图说明

图1为本发明的变锥面晶体衍射几何光路示意图；

图2为本发明的变锥面晶体半径变化示意图；

图3为本发明的变锥面弯晶的应用原理图；

图4为本发明的弯晶反射面面型的形成示意图；

图5为本发明的变锥面弯晶结构示意图；

图6为本发明的面型保持定位压块形状示意图。

图中标记：S点为光源位置，L为光源到记录面的距离，R为晶体某点处的曲率半径，I 为该能点的光线经过晶体衍射后落在记录面的位置，i为每一个聚焦锥面的编号。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。

一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，包括如下步骤：

S1、建模：采用三维软件建模；

S2、晶片制作：用X射线定向仪定向切割α石英晶体片，切割厚度在1mm及以上，再上盘抛光第一个面，完工后光胶上盘抛光第二面，使晶体片厚度均匀性≤1μm，可保证面 型精度及两面的平行度；

S3、弯晶基底制作：采用与晶片热膨胀系数相近的石英材料，利用建立的三维模型采用 光学五轴加工中心进行加工，粗糙度≤0.5μm，接近亮面，面型精度≤5μm；

S4、面型精度测量：采用精度为1μm的三坐标机测量；

S5、面型保持定位压块制作：采用石英材料，用光学五轴加工中心制作外型尺寸与弯晶 相同、反射面面型与弯晶相同、凹凸相反的标准压块，粗糙度≤0.5μm，面型精度≦5μm；

S6、晶片与基底模压定型胶合：采用面型保持定位压块模压定型的方法，用面型保持定 位压块的面型来完成胶合完工后的弯晶面型。

实施例1

步骤S1中建模的方法为：采用各理论圆弧线作为轮廓线、X轴及X轴两侧共三条引导 线的成面方式，在X轴各坐标点处，画出相应圆弧线，在Z坐标做出各圆弧的两个端点，分别连接圆弧在Z坐标上两个端点处的各个端点，做出两条样条线，完成建模。

例如：

取X坐标：253.00，253.01，253.02，253.03……313.00；

取Z坐标：-30，+30；

在X轴各坐标点处，画出相应圆弧线，在Z坐标为-30和30时做出各圆弧的两个端点， 分别连接圆弧在Z＝-30和Z＝30时的各个端点，做出两条样条线，这两条样条线和X轴一 起作为成面时的引导线，而反射面则由引导线和各圆弧线作为的轮廓线组成，建模完成。

实施例2

步骤S4中三坐标机测量的方法为：三坐标测量前先生成测量点的XYZ坐标，采用三维 软件的数控加工模块生成NC程序，用已建立的三维模型，设定测量点的距离、球形测头，用加工模块生成NC加工程序，运行程序后，程序上面刀具加工起点的坐标即测量面型所 要求该点的XYZ理论坐标，用这些坐标值作为三坐标设定测点位置，得出理论Z坐标和实 测Z坐标的面型差值；

例如，采用UG软件时，方法如下：用已建立的三维模型，设定测量点的距离(相当于加工步长)、球形测头(相当于球形铣刀，测头半径相当于铣刀半径)，用UG加工模块生 成NC加工程序，打开程序后，程序上面刀具加工起点的坐标就是测量面型所要求该点的 XYZ理论坐标，用这些坐标值可为三坐标设定测点位置从而得出理论Z坐标和实测Z坐标 的面型差值。

实施例3

步骤S6中采用高精度面型保持定位压块模压定型的方法包括：将基底与晶片清洗干净 后，将基底固定放在工作台上，上面涂紫外胶，晶片和基底的前后左右对齐后，把晶片轻 轻放在胶液上，并把保持定位压块对齐轻轻压实，排出气泡，上面压上适当重量的压铁，保持固定，用紫外灯烤24小时以上，取出洗清干净后留待检验。

晶片与基底定型胶合时，为保障弯晶的面型精度，在基底面型精度适当的情况下，本实 施例采用高精度面型保持定位压块模压定型的方法，用高精度面型保持定位压块的面型来 确保胶合完工后的弯晶面型。

本发明的光路模型如图1所示。其中S点为光源位置，L为光源到记录面的距离，R为晶体某点处的曲率半径，I为该能点的光线经过晶体衍射后落在记录面的位置，i为每一个聚焦锥面的编号，D为光源到变锥面的垂直距离，ρ为曲率半径在SI连线上的垂线，x，y， z为B点在x，y，z轴上的坐标值，根据几何关系和相似三角形关系，则有：

R＝2D(1-x/L) (1)

ρ＝Rcosα (2)

(z-ρ_i)²+y²＝ρ² (4)

其中：

如图4所示，弯晶反射面是由根据光路计算的一系列与Y轴呈不同角度且同时具有不 同相应半径的圆弧组成，例如：

其中：

x₁＝253

x₂＝253+60

式中r为锥角半径，α为与x轴的倾斜角。

变锥面弯晶应用原理图如图3所示，光源S发出X光经变锥面弯晶分辨反射后，呈线性聚焦于检测面上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建模：采用三维软件建模；

S2、晶片制作：用X射线定向仪定向切割α石英晶体片，切割厚度在1mm及以上，再上盘抛光第一个面，完工后光胶上盘抛光第二面，使晶体片厚度均匀性≤1μm；

S3、弯晶基底制作：采用石英材料，利用建立的三维模型采用光学五轴加工中心进行加工，粗糙度≤0.5μm，面型精度≤5μm；

S4、面型精度测量：采用精度为1μm的三坐标机测量；

S5、面型保持定位压块制作：采用石英材料，用光学五轴加工中心制作外型尺寸与弯晶相同、反射面面型与弯晶相同、凹凸相反的标准压块，粗糙度≤0.5μm，面型精度≦5μm；

S6、晶片与基底模压定型胶合：采用面型保持定位压块模压定型的方法，用面型保持定位压块的面型来完成胶合完工后的弯晶面型；

所述步骤S6中采用高精度面型保持定位压块模压定型的方法包括：将基底与晶片清洗干净后，将基底固定放在工作台上，上面涂紫外胶，晶片和基底的前后左右对齐后，把晶片放在胶液上，并保持定位压块对齐压实，排出气泡，上面压上压铁，保持固定，用紫外灯烤24小时以上，取出洗清干净后留待检验。

2.根据权利要求1所述的一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中建模的方法为：采用各理论圆弧线作为轮廓线、X轴及X轴两侧共三条引导线的成面方式，在X轴各坐标点处，画出相应圆弧线，在Z坐标做出各圆弧的两个端点，分别连接圆弧在Z坐标上两个端点处的各个端点，做出两条样条线，完成建模。

3.根据权利要求1所述的一种高集光高分辨变锥面弯晶的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中三坐标机测量的方法为：三坐标测量前先生成测量点的XYZ坐标，采用三维软件的数控加工模块生成NC程序，用已建立的三维模型，设定测量点的距离、球形测头，用加工模块生成NC加工程序，运行程序后，程序上面刀具加工起点的坐标即测量面型所要求该点的XYZ理论坐标，用这些坐标值作为三坐标设定测点位置，得出理论Z坐标和实测Z坐标的面型差值。

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