CN113916910B - 一种x射线探测镜片及其制备方法和应用 - Google Patents

一种x射线探测镜片及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种X射线探测镜片及其制备方法和应用，所述X射线探测镜片包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体周围设有多个相互连接的矩形通道；每个所述矩形通道的长边与短边的比值为3：1以上。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，也就减小了整体重量。

Description

一种X射线探测镜片及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种X射线探测镜片及其制备方法和应用，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射线探测镜片成为航天器自主导航和天文观测领域研究的重要内容。众所周知，几乎所有的材料都对X射线有强烈吸收，但随着X射线波长的变短，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，采用掠入射的方式进行反射聚焦是X射线探测的一种重要手段。
现有掠入射式X射线聚焦镜头主要有两种：(1)Wolter型探测镜头。Wolter型探测镜头是由一个旋转抛物面和旋转双曲面所组成，X射线经过两次反射，聚焦在同一点，对X光子有较高的聚焦效率。现阶段许多大型高能X射线探测器大都采用这种结构设计。Wolter系统型式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，光轴方向的长度达到1.5m以上，存在体积过大、重量大的问题，限制了其搭载应用的范围。(2)龙虾眼型探测镜头。龙虾眼型探测镜头是由百万至千万个微米级的正方形通道排列而成的正方形阵列，制备是采用了玻璃纤维制备微通道板的方法，以微米级超薄反射镜替代传统玻璃反射镜，可以满足轻小型化需求。但龙虾眼型探测镜头成像为十字像，由于十字臂分散了部分能量，探测效率低。
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射线探测镜片及其制备方法和应用，既能达到高的探测效率又能满足轻质、小型化的需求，同时便于制备。
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X射线探测镜片，所述X射线探测镜片包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体周围设有多个相互连接的矩形通道；每个所述矩形通道的长边与短边的比值为3：1以上。
优选地，前述的X射线探测镜片，其中同一圆环上的多个所述矩形通道的大小相同。
优选地，前述的X射线探测镜片，其中多个所述矩形通道包括依次连接的多个所述第一矩形通道至多个所述第M矩形通道，M为大于1的整数。
优选地，前述的X射线探测镜片，其中多个所述第一矩形通道至多个所述第M矩形通道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射线探测镜片，其中多个所述矩形通道呈多层围绕的圆周排列，每个所述矩形通道为微米级通道。
优选地，前述的X射线探测镜片，其中所述X射线探测镜片的各参数存在如下关系：
矩形通道的长边材料的密度ρ、X射线的能量E、掠入射临界角θc之间的关系为：焦距F、X射线的能量E或波长λ、X射线探测镜头的矩形通道的短边边长d之间的关系为：/>焦距F与镜片的曲率半径R之间的关系为：R＝2F；焦距F、掠入射临界角θc、镜片外径D之间的关系为：D＝4F×tanθc，镜片厚度t、X射线波长λ、焦距F、掠入射临界角θc之间的关系为：/>
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种X射线探测镜片的制备方法，具体包括以下步骤：
1)玻璃片准备：以铅硅酸盐玻璃为长边通道壁材料及短边通道壁材料，以硼硅酸盐玻璃作为通道区材料；分别将长边通道壁材料、短边通道壁材料及通道区材料切为薄片并抛光；
2)预制棒制备：将三种材料的薄片中的长边通道壁薄片与通道区薄片贴合逐层交替叠加，叠加至高度等于短边通道宽度；将两片短边通道薄片放置于两侧；将组合紧固为一体，再经预熔形成矩形预制棒；
3)纤维拉制分两次进行，先进行预制棒拉制，得到多个一次复丝；将该些一次复丝经过组合排列，得到矩形复丝棒，之后进行复丝棒的拉制，得到矩形二次复丝；
4)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段圆柱体小棒，将矩形二次复丝以小棒为轴进行圆周状排列，形成圆柱体坯板；
5)纤维束熔压：将步骤4)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合；
6)冷加工：将熔压后的坯板切为薄片，将该薄片精雕为所需镜片的外形尺寸，再抛光至所需镜片厚度；
7)热弯成型：将圆形镜片放置于热弯模具，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；
8)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。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤1)中，所述长边通道壁材料的密度大于短边通道壁材料的密度。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤1)中，所述长边通道壁材料的密度大于短边通道壁材料的密度；所述长边通道壁材料、短边通道壁材料及通道区材料三者的薄片的长宽高三边之间的关系为：三者薄片长度相等；长边通道壁薄片分为外围长边通道壁薄片与内部长边通道壁薄片两种，其长度与宽度相同，外围长边通道壁薄片的高度是内部长边通道壁薄片的一半；长边通道壁薄片与通道区薄片的宽度相等；短边通道壁薄片的宽度为内部长边通道壁薄片和通道区薄片高度之和的整数倍；短边通道壁薄片的高度与外围长边通道壁的高度相等；通道区薄片的高度大于长边通道壁薄片的高度；通道区薄片的宽度与高度的比值大于3：1。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤2)中，所述矩形预制棒的异形比为小于2：1。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤2)中，所述预熔温度高于长边、短边通道壁薄片的软化点而低于通道区薄片的软化点。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤4)中，所述圆柱体坯板的外径比镜片外径大2～4mm。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤5)中，所述圆柱体玻璃管的各处与坯板之间的距离小于2mm，所述圆柱体玻璃管的软化点比长边通道壁材料低20～60℃。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤5)中，所述气熔压的最高温度高于长边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射线探测镜片的制备方法，其中步骤6)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°。
优选地，前述的X射线探测镜片的制备方法，其中步骤7)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射线探测镜片的制备方法，其中步骤8)中，所述刻蚀液是浓度为1～8wt％的HNO3溶液与浓度为0.5～2wt％的NaOH溶液。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种X射线探测器，其包括上述的X射线探测镜片。
借由上述技术方案，本发明提出的一种X射线探测镜片及其制备方法和应用至少具有下列优点：
1、聚焦效率高。与龙虾眼型镜头相比，本发明用异形度大的矩形通道代替方形通道，异形度可达3：1以上，大大减少了径向通道壁对X射线的阻挡，使尽可能多的X射线进入通道，提高了镜头的聚焦效率。
2、信噪比高。本发明中，起聚焦作用的长边通道壁采用对X射线有高反射率的玻璃，起支撑作用的短边通道壁采用对X射线有高吸收的玻璃，减少了短边通道壁反射X射线带来的噪声。
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，也就减小了整体重量。
4、制备工艺简单，成本低。传统的纤维拉制方法是将玻璃棒与玻璃管配合为一体进行拉制。这种方法一般用于拉制圆形纤维或方形纤维，如果用于拉制异形纤维尤其是异形度大于3：1以上的纤维时极易发生变形不能满足设计要求。本发明用薄玻璃片叠加的方式组合成外形接近正方形的预制棒，解决了高异形度纤维难以拉制的问题。
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X射线探测镜片的整体结构示意图；其中，1-矩形通道，2-镜头本体。
图2是本发明的玻璃薄片示意图；其中，3-长，4-宽，5-高。
图3是本发明的预制棒截面示意图；其中，6-外围长边通道壁薄片，7-内部长边通道壁薄片，8-短边通道壁薄片，9-通道区薄片。
图4是本发明的复丝棒截面示意图；其中，6-外围长边通道壁薄片，7-内部长边通道壁薄片，8-短边通道壁薄片，9-通道区薄片。
图5是本发明的排丝结构示意图。其中，10-二次复丝，11-圆柱体小棒，12-矩形通道长边，13-矩形通道短边。
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射线探测镜片及其制备方法和应用的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1-图5所示，本发明提供了一种X射线探测镜片，所述X射线探测镜片包括呈圆形的镜头本体2，所述镜头本体2周围设有多个相互连接的矩形通道1；每个所述矩形通道1的长边与短边的比值为3：1以上；矩形通道1的长边为X射线反射面，采用对X射线有高反射率的材料，矩形通道1的短边起支撑作用，为了减少短边对斜入射X射线的反射，采用对X射线有高吸收率的材料。
在一些实施例中，为了便于制备，同一圆环上的多个所述矩形通道1的大小相同。多个所述矩形通道1包括依次连接的多个所述第一矩形通道至多个所述第M矩形通道，M为大于1的整数。多个所述第一矩形通道至多个所述第M矩形通道分别位于直径不同的圆环上，M为大于1的整数。
在一些实施例中，多个所述矩形通道1呈多层围绕的圆周排列，每个所述矩形通道1为微米级通道。圆周排列可以使X射线聚向球心，聚焦效率更高。微米级通道可以使X射线成像像差较小。
在一些实施例中，所述X射线探测镜片的各参数存在如下关系：
根据矩形通道的长边材料的密度ρ、X射线的能量E确定掠入射临界角θc：根据焦距F、X射线的能量E或波长λ确定X射线探测镜头的矩形通道的短边边长d：/>根据焦距F可得镜片的曲率半径R：R＝2F；根据焦距F、掠入射临界角θc可得镜片外径D：D＝4F×tanθc，镜片厚度t、X射线波长λ、焦距F、掠入射临界角θc之间的关系为：/>
根据焦距及探测目的，将镜头热弯为一定的曲率，采用单层或双层叠加使用。如果探测目的是进行能量探测，则采用单层镜片，镜片的曲率半径与焦距的两倍。如果探测目的是进行成像探测，则采用双层镜片，双层镜片的曲率半径分别为焦距的四倍与三分之四倍。其中双层镜片是通过中心对准叠加而叠拼为双层镜片。
另，本发明还提供了一种X射线探测镜片的制备方法，具体包括以下步骤：
1)材料熔制：以铅硅酸盐玻璃为长边通道壁材料及短边通道壁材料，长边通道壁材料组分及比例例如SiO2，57.2～65.6mol％；PbO，13.5～22.2mol％；Na2O和K2O的总含量为，5.6～11.2mol％；BaO和MgO的总含量为，5.2～9.3mol％；Al2O3，1.6～1.8mol％；TiO2，0～2.4mol％。短边通道壁材料组分及比例例如：SiO2，65.2～71.9mol％；PbO，6.9～12.1mol％；Na2O和K2O的总含量为，5.8～11.7mol％；BaO和MgO的总含量为，6.7～11.6mol％；Al2O3，1.5～2.3mol％；TiO2，2.0～2.3mol％。以硼硅酸盐玻璃作为通道区材料，组分及比例例如：SiO2，30.3～36.4mol％；B2O3，18.9～20.2mol％；La2O3，5.9～6.1mol％；BaO和CaO的总含量为，33.7～39.4mol％；Al2O3，1.6～2.3mol％；TiO2，2.0～2.9mol％。
其中长边通道壁材料的密度大于短边通道壁材料；掠入射的X射线可在光滑材料表面发生全反射，掠入射临界角的经验公式为：其中，θc表示掠入射临界角，ρ表示密度，E表示X射线能量，可见，在X射线能量一定的情况下，材料的密度越大，掠入射的临界角就越大。焦距F、X射线的能量E或波长λ、X射线探测镜头的矩形通道的短边边长d之间的关系为：/>焦距与镜片的曲率半径R之间的关系为：R＝2F；焦距F、掠入射临界角θc、镜片外径D之间的关系为：D＝4F×tanθc，镜片厚度t、X射线波长λ、焦距F之间的关系为：/>该镜片结构中，长边通道壁为反射面，选用高密度玻璃，例如可以选择密度大于3g/cm3，优选大于3.5g/cm3，可提高临界角，进而提高反射率；密度越高，掠入射临界角越大，可以进行反射的X射线越多，聚焦效率越高。
此外，该制备过程是采用三种玻璃组合再将通道区材料刻蚀除去的方法，所以通道壁材料需要耐酸蚀。短边通道壁主要起支撑作用，当X射线斜入射时，如果在短边通道壁发生反射会产生噪声，因此短边通道壁要求尽可能吸收X射线，同时短边通道壁材料同样为耐酸蚀材料，例如可以选择短边通道壁材料的密度大于3g/cm3，且长边通道壁材料的密度与短边通道壁材料的密度二者之间的差值越大越好，从而保证入射到长边通道壁的X射线满足掠入射条件而入射到短边通道壁的X射线不满足掠入射条件。因此，长边通道壁材料与短边通道壁材料均选用铅硅酸盐玻璃，长边通道壁的密度要大于短边，进入通道的X射线如果入射在长边通道壁，则进行反射，如果入射在短边通道壁，则被吸收，从而保证制备的X射线探测镜片有高的信噪比。通道区材料为硼硅酸盐玻璃，硼硅酸盐玻璃易溶于酸，可在后续工艺被酸蚀形成通道。
2)玻璃片准备：分别将三种材料切为薄片并抛光，抛光后表面粗糙度优于0.5μm，粗糙度越优，制板后通道内壁的粗糙度越好，可减少X射线的漫反射。如图2、图3所示，三种薄片的长3、宽4、高5三边之间的关系为：三种薄片长度相等；长边通道壁薄片又分为外围长边通道壁薄片6与内部长边通道壁薄片7两种，这两种的长度与宽度相同，外围长边通道壁薄片6的高度是内部长边通道壁薄片7的一半；长边通道壁薄片与通道区薄片9的宽度相等；短边通道壁薄片8的宽度为内部长边通道壁薄片7和通道区薄片9高度之和的整数倍；短边通道壁薄片8的高度与外围长边通道壁薄片6的高度相等；通道区薄片9的高度大于长边通道壁薄片的高度。若通道区薄片9的高度小于长边通道壁薄片的高度或短边通道壁薄片8的高度，则进入通道区的X射线过少，聚焦效率较低。以上设置的几何关系可使三种薄片组合为外形规整的矩形预制棒。通道区薄片9的宽度与高度的比值大于3：1，从而保证尽可能多的X射线入射于长边通道壁上。
3)预制棒制备：将三种材料的薄片叠加组合，其中长边通道壁薄片与通道区薄片9贴合逐层交替叠加，最外侧的两个长边通道壁采用外围长边通道壁薄片6，其余长边通道壁采用内部长边通道壁薄片7，叠加至高度等于短边通道宽度。将两片短边通道薄片8放置于两侧；将组合捆扎紧固为一体，再经高温炉进行预熔形成矩形预制棒，所述预熔温度高于两种通道壁薄片的软化点而低于通道区薄片的软化点，从而保证通道壁材料包覆在通道区材料上同时通道区材料能够保持矩形形状；所述矩形预制棒的异形比为小于2：1，从而保证在拉制时能够均匀缩径尽可能保持原有比例，因异形比过大的纤维在拉制时极易变形；
4)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，拉丝温度为高于通道区薄片的软化点以上60～80℃的范围。第一次为拉制预制棒，得到多个一次复丝，截面为矩形，其内部包括多个小矩形，所述预制棒为步骤3)得到的矩形预制棒。将多个一次复丝进行排列形成矩形复丝棒(其横截面为矩形，见图4)，所述复丝棒异形比为小于2：1。排列时，每根一次复丝的上下面与左右面不可翻转，从而保证复丝内部为均匀结构。将所述复丝棒通过捆扎紧固后进行二次拉制，制出矩形二次复丝，二次复丝的对边小于1mm，对边过大会导致在下一步围绕过程中存在较大缝隙。
5)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段圆柱体小棒11作为圆周排列的中心轴，小棒的截面直径为5～10mm，将矩形二次复丝10以小棒为轴进行多层围绕(圆周状排列)，形成圆柱体坯板，其中所述矩形二次复丝10包括多数个矩形通道，所述矩形通道包括矩形通道长边12及矩形通道短边13，如图5所示。
此处需要说明的是，围绕时，所有矩形二次复丝上下面与左右面不可翻转；考虑到热压后会收缩，坯板要留余量，因需要设计坯板的外径比镜片外径大2～4mm；
6)纤维束熔压：将步骤5)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合，得到坯板；玻璃管的几何尺寸由坯板的尺寸决定，玻璃管各处与坯板之间的距离小于2mm，玻璃管的软化点比长边通道壁玻璃低20～60℃，采用气熔压的方式实现原位熔合。气熔压的最高温度高于长边通道壁玻璃的软化点2～10℃以内。所述气熔压的压力为0.5～2MPa，保压时间为0.5～2h。
7)冷加工：将步骤5)得到的坯板切为薄片，切片时需保证切面与通道的角度为90°±0.1°，将该薄片精雕为所需镜片的外形尺寸，厚度方向留有0.05～0.1mm的余量，再抛光至所需镜片厚度。
8)热弯成型：将圆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；所述热弯模具的材料为殷钢，殷钢的热膨胀系数低，可以保证在热弯中模具不变形；凹面模的曲率与镜片的曲率相同，凹面模与凸面模的曲率差值为镜片的厚度。
9)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，形成具有光滑内壁的通道，粗糙度优于1nm。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
在本发明以下实施例中，若无特殊说明，所涉及的组分均为本领域技术人员熟知的市售商品，若没有特殊说明，所涉及的方法皆为常规方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。
实施例1
本实施例提供了一种X射线探测镜片，其参数设计如表1所示。
表1
上述X射线探测镜片的具体制备过程如下：
1)玻璃片制备：熔制作为通道区材料的硼硅酸盐玻璃，组分及比例为：SiO2，30.3mol％；B2O3，20.2mol％；La2O3，6.1mol％；BaO，27.8mol％；Al2O3，1.6mol％；CaO，11.6mol％；TiO2，2.4mol％，软化点为578℃，切片并抛光为长600mm，宽38mm，高8mm的薄片作为通道区薄片；熔制作为长边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，65.6mol％；PbO，21.8mol％；Na2O，2.5mol％；K2O，3.1mol％；BaO，4.4mol％；MgO，0.8mol％；Al2O3，1.8mol％，软化点为452℃，切片并抛光为长600mm，宽38mm，高2mm的薄片作为内部长边通道壁薄片，切片并抛光为长600mm，宽38mm，高1mm的薄片作为外围长边通道壁薄片，其密度为4.0g/cm3；熔制作为短边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，71.9mol％；PbO，12.1mol％；Na2O，1.8mol％；K2O，4.0mol％；BaO，3.3mol％；MgO，3.4mol％；Al2O3，1.5mol％，TiO2，2.0mol％，软化点为501℃，切片并抛光为长600mm，宽40mm，高1mm的薄片作为短边通道壁薄片，其密度为3.4g/cm3。三种材料的薄片抛光后的表面粗糙度均优于5nm。
2)预制棒制备：将长边通道壁薄片与通道区薄片贴合逐层交替叠加，内部采用的是内部长边通道壁薄片，最外层采用的是外围长边通道壁薄片，将2片短边通道薄片放置于两侧；将组合紧固为一体，经预熔，预熔温度为530℃，形成长600mm，宽40mm，高40mm的矩形预制棒。
3)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，拉丝温度为高于通道区薄片的软化点以上60℃。第一次为拉制预制棒，得到多个一次复丝，一次复丝的横截面为2mm×2mm的矩形，将多个一次复丝进行排列形成矩形复丝棒，排列时，每根丝的上下面与左右面不可翻转，从而保证复丝内部为均匀结构。矩形复丝棒的截面为14mm×14mm的矩形，异形比为1：1。将矩形复丝棒通过捆扎紧固后进行二次拉制，制出矩形二次复丝，矩形二次复丝的截面为0.98mm×0.98mm的矩形。
5)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段截面直径6mm的圆柱体小棒作为圆周排列的中心轴，将矩形二次复丝以小棒为轴进行多层围绕(圆周状排列)，形成圆柱体坯板，围绕时，所有矩形复丝的上下面与左右面不可翻转；圆柱体坯板的外径为54mm；
6)纤维束熔压：将步骤5)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合，得到坯板；玻璃管内径为56mm，玻璃管各处与坯板之间的距离小于2mm，玻璃管的软化点比长边通道壁材料低20℃。采用气熔压的方式实现原位熔合，气熔压的最高温度高于长边通道壁玻璃的软化点2℃，压力为1MPa，保压时间为1h。
7)冷加工：将步骤5)得到的坯板切为薄片，切片时切面与通道的角度为90°，将该薄片精雕为直径52mm的圆片，厚度为0.88mm，再抛光至0.78mm。
8)热弯成型：将圆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，加热至高于通道区材料的软化点3℃的范围内保温5h，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；所述热弯模具的材料为殷钢，凹面模的曲率半径为1000mm，凸面模的曲率半径为999.22mm。
9)通道刻蚀：采用浓度为1wt％的HNO3溶液与浓度为0.5wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有光滑内壁的通道，粗糙度为0.9nm。
最终得到的镜片性能参数如表2所示。
表2
性能 数值
聚焦效率 23％
镜片质量 4.3g
信噪比 54
实施例2
本实施例提供了一种X射线探测镜片，其参数设计如表3所示。
表3
上述X射线探测镜片的具体制备过程如下：
1)玻璃片制备：熔制作为通道区材料的硼硅酸盐玻璃，组分及比例为：SiO2，36.4mol％；B2O3，20.2mol％；La2O3，6.1mol％；BaO，22.1mol％；Al2O3，1.6mol％；CaO，11.6mol％；TiO2，2.0mol％，软化点为614℃，切片并抛光为长600mm，宽32mm，高8mm的薄片作为通道区薄片；熔制作为长边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，62.7mol％；PbO，13.5mol％；Na2O，4.9mol％；K2O，6.3mol％；BaO，4.5mol％；MgO，4.4mol％；Al2O3，1.6mol％；TiO2，2.1mol％，软化点为487℃，切片并抛光为长600mm，宽32mm，高2mm的薄片作为内部长边通道壁薄片，切片并抛光为长600mm，宽32mm，高1mm的薄片作为外围长边通道壁薄片，其密度为3.6g/cm3；熔制作为短边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，65.2mol％；PbO，6.9mol％；Na2O，6.2mol％；K2O，5.5mol％；BaO，3.9mol％；MgO，7.7mol％；Al2O3，2.3mol％；TiO2，2.3mol％，软化点为545℃，切片并抛光为长600mm，宽30mm，高1mm的薄片作为短边通道壁薄片，其密度为3.1g/cm3。三种材料的薄片抛光后的表面粗糙度均优于10nm。
2)预制棒制备：将长边通道壁薄片与通道区薄片贴合逐层交替叠加，内部采用的是内部长边通道壁薄片，最外层采用的是外围长边通道壁薄片，将2片短边通道薄片放置于两侧；将组合紧固为一体，经预熔，预熔温度为565℃，形成长600mm，宽34mm，高30mm的矩形预制棒。
3)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，拉丝温度为高于通道区薄片的软化点以上80℃。第一次为拉制预制棒，得到多个一次复丝，一次复丝的横截面为2.26mm×2mm的矩形，将多个一次复丝进行排列形成矩形复丝棒，排列时，每根丝的上下面与左右面不可翻转，从而保证复丝内部为均匀结构。矩形复丝棒的截面为22.6mm×20mm的矩形，异形比为1.13：1。将矩形复丝棒通过捆扎紧固后进行二次拉制，制出矩形二次复丝，矩形二次复丝的横截面为0.93mm×0.82mm的矩形。
5)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段截面直径5mm的圆柱体小棒作为圆周排列的中心轴，将矩形二次复丝以小棒为轴进行多层围绕(圆周状排列)，形成圆柱体坯板，围绕时，所有矩形复丝的上下面与左右面不可翻转；圆柱体坯板的外径为35mm；
6)纤维束熔压：将步骤5)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合，得到坯板；玻璃管内径为37mm，玻璃管各处与坯板之间的距离小于2mm，玻璃管的软化点比长边通道壁材料低30℃。采用气熔压的方式实现原位熔合，气熔压的最高温度高于长边通道壁玻璃的软化点5℃，压力为0.5MPa，保压时间为2h。
7)冷加工：将步骤5)得到的坯板切为薄片，切片时切面与通道的角度为90.1°，将该薄片精雕为直径32mm的圆片，厚度为0.86mm，再抛光至0.81mm。
8)热弯成型：将圆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保温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；所述热弯模具的材料为殷钢，凹面模的曲率半径为800mm，凸面模的曲率半径为799.19mm。
9)通道刻蚀：采用浓度为4wt％的HNO3溶液与浓度为1wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有光滑内壁的通道，粗糙度为0.8nm。
最终得到的镜片性能参数如表4所示。
表4
性能 数值
聚焦效率 19％
镜片质量 1.7g
信噪比 32
实施例3
本实施例提供了一种X射线探测镜片，其参数设计如表5所示。
表5
上述X射线探测镜片的具体制备过程如下：
1)玻璃片制备：熔制作为通道区材料的硼硅酸盐玻璃，组分及比例为：SiO2，32.0mol％；B2O3，18.9mol％；La2O3，5.9mol％；BaO，24.4mol％；Al2O3，2.3mol％；CaO，13.6mol％；TiO2，2.9mol％，软化点为597℃，切片并抛光为长600mm，宽28mm，高8mm的薄片作为通道区薄片；熔制作为长边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，57.2mol％；PbO，22.2mol％；Na2O，2.3mol％；K2O，4.8mol％；BaO，5.2mol％；MgO，4.1mol％；Al2O3，1.8mol％；TiO2，2.4mol％，软化点为461℃，切片并抛光为长600mm，宽28mm，高2mm的薄片作为内部长边通道壁薄片，切片并抛光为长600mm，宽28mm，高1mm的薄片作为外围长边通道壁薄片，其密度为4.3g/cm3；熔制作为短边通道壁材料的铅硅酸盐玻璃，组分为：SiO2，71.9mol％；PbO，12.1mol％；Na2O，1.8mol％；K2O，4.0mol％；BaO，3.3mol％；MgO，3.4mol％；Al2O3，1.5mol％，TiO2，2.0mol％，软化点为501℃，切片并抛光为长600mm，宽30mm，高1mm的薄片作为短边通道壁薄片，其密度为3.4g/cm3。三种材料的薄片抛光后的表面粗糙度均优于20nm。
2)预制棒制备：将长边通道壁薄片与通道区薄片贴合逐层交替叠加，内部采用的是内部长边通道壁薄片，最外层采用的是外围长边通道壁薄片，将2片短边通道薄片放置于两侧；将组合紧固为一体，经预熔，预熔温度为532℃，形成长600mm，宽30mm，高30mm的矩形预制棒。
3)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，拉丝温度为高于通道区薄片的软化点以上70℃。第一次为拉制预制棒，得到多个一次复丝，一次复丝的横截面为2mm×2mm的矩形，将多个一次复丝进行排列形成矩形复丝棒，排列时，每根丝的上下面与左右面不可翻转，从而保证复丝内部为均匀结构。矩形复丝棒的截面为20mm×20mm的矩形，异形比为1：1。将矩形复丝棒通过捆扎紧固后进行二次拉制，制出矩形二次复丝，矩形二次复丝的横截面为0.9mm×0.9mm的矩形。
5)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段截面直径10mm的圆柱体小棒作为圆周排列的中心轴，将矩形二次复丝以小棒为轴进行多层围绕(圆周状排列)，形成圆柱体坯板，围绕时，所有矩形复丝的上下面与左右面不可翻转；圆柱体坯板的外径为44mm；
6)纤维束熔压：将步骤5)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合，得到坯板；玻璃管内径为47mm，玻璃管各处与坯板之间的距离小于2mm，玻璃管的软化点比长边通道壁材料低60℃。采用气熔压的方式实现原位熔合，气熔压的最高温度高于长边通道壁玻璃的软化点10℃，压力为2MPa，保压时间为0.5h。
7)冷加工：将步骤5)得到的坯板切为薄片，切片时切面与通道的角度为89.9°，将该薄片精雕为直径40mm的圆片，厚度为1.10mm，再抛光至1.04mm。
8)热弯成型：将圆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，加热至高于通道区材料的软化点5℃，保温3h，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；所述热弯模具的材料为殷钢，凹面模的曲率半径为1200mm，凸面模的曲率半径为1198.96mm。
9)通道刻蚀：采用浓度为8wt％的HNO3溶液与浓度为2wt％的NaOH溶液为刻蚀液，通过酸-碱-酸交替刻蚀的方式使通道区玻璃溶解，形成具有光滑内壁的通道，粗糙度为0.8nm。
最终得到的镜片性能参数如表6所示。
表6
性能 数值
聚焦效率 9％
镜片质量 3.9g
信噪比 35
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 (9)

1.一种X射线探测镜片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)玻璃片制备：以铅硅酸盐玻璃为长边通道壁材料及短边通道壁材料，以硼硅酸盐玻璃作为通道区材料；分别将长边通道壁材料、短边通道壁材料及通道区材料切为薄片并抛光；所述长边通道壁材料的密度大于短边通道壁材料的密度；所述长边通道壁材料、短边通道壁材料及通道区材料三者的薄片的长宽高三边之间的关系为：三种薄片长度相等；长边通道壁薄片分为外围长边通道壁薄片与内部长边通道壁薄片两种，所述外围长边通道壁薄片与内部长边通道壁薄片的长度相同，所述外围长边通道壁薄片与内部长边通道壁薄片的宽度相同，外围长边通道壁薄片的高度是内部长边通道壁薄片的一半；长边通道壁薄片与通道区薄片的宽度相等；短边通道壁薄片的宽度为内部长边通道壁薄片和通道区薄片高度之和的整数倍；短边通道壁薄片的高度与外围长边通道壁的高度相等；通道区薄片的高度大于长边通道壁薄片的高度；通道区薄片的宽度与高度的比值大于3：1；
2)预制棒制备：将三种材料的薄片中的长边通道壁薄片与通道区薄片贴合逐层交替叠加，叠加至高度等于短边通道宽度；将两片短边通道薄片放置于两侧；将组合紧固为一体，预熔形成矩形预制棒；
3)纤维拉制：纤维拉制分两次进行，先进行预制棒拉制，得到多个一次复丝；将该些一次复丝经过组合排列，得到为矩形复丝棒，之后进行复丝棒的拉制，得到矩形二次复丝；
4)纤维排列：用长边通道壁玻璃材料加工出一段圆柱体小棒，将矩形二次复丝以小棒为轴进行圆周状排列，形成圆柱体坯板；
5)纤维束熔压：将步骤4)得到的圆柱体坯板装入整型的圆柱体玻璃管，采用气熔压的方式进行原位熔合；
6)冷加工：将熔压后的坯板切为薄片，将该薄片精雕为所需镜片的外形尺寸，再抛光至所需镜片厚度；
7)热弯成型：将圆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；
8)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；
所述X射线探测镜片包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体周围设有多个相互连接的矩形通道；每个所述矩形通道的长边与短边的比值为3：1以上。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述矩形预制棒的异形比为小于2：1；所述预熔温度高于长边、短边通道壁薄片的软化点而低于通道区薄片的软化点；步骤4)中，所述圆柱体坯板的外径比镜片外径大2～4mm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述圆柱体玻璃管的各处与坯板之间的距离小于2mm，所述圆柱体玻璃管的软化点比长边通道壁材料低20～60℃；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；步骤6)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°。
4.一种权利要求1-3任一项所述的方法制备的X射线探测镜片，其特征在于，所述X射线探测镜片包括呈圆形的镜头本体，所述镜头本体周围设有多个相互连接的矩形通道；每个所述矩形通道的长边与短边的比值为3：1以上。
5.如权利要求4所述的X射线探测镜片，其特征在于，同一圆环上的多个所述矩形通道的大小相同；多个所述矩形通道包括依次连接的多个第一矩形通道至多个第M矩形通道，M为大于1的整数。
6.如权利要求5所述的X射线探测镜片，其特征在于，多个所述第一矩形通道至多个所述第M矩形通道分别位于直径不同的圆环上，M为大于1的整数。
7.如权利要求4所述的X射线探测镜片，其特征在于，多个所述矩形通道呈多层围绕的圆周排列，每个所述矩形通道为微米级通道。
8.如权利要求4所述的X射线探测镜片，其特征在于，所述X射线探测镜片的各参数存在如下关系：
矩形通道的长边材料的密度ρ、X射线的能量E、掠入射临界角θc之间的关系为：焦距F、X射线的能量E或波长λ、X射线探测镜片的矩形通道的短边边长d之间的关系为：/>焦距F与镜片的曲率半径R之间的关系为：R＝2F；焦距F、掠入射临界角θc、镜片外径D之间的关系为：D＝4F×tanθc，镜片厚度t、X射线波长λ、焦距F、掠入射临界角θc之间的关系为：/>
9.一种X射线探测器，其特征在于，其包括权利要求4-8任一项所述的X射线探测镜片。
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Title
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