CN114646455B - 一种矩形通道x射线探测镜片的热弯工艺检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种矩形通道X射线探测镜片的检测方法，其克服了现有技术中存在的测试成本非常高，生产单位难以及时做到热弯工艺的检测问题，本发明可对热弯工艺进行检测评价，检测方法方便快捷，准确度高，成本低。本发明采用表观曲率测试、指向测试、激光成像测试相结合，对热弯工艺进行检测，研制单位可根据检测结果对热弯工艺做出相应调整最终确定热弯的工艺。本发明包括以下步骤：步骤1：通过测量镜片各处的三坐标数值拟合镜片的表观曲率半径。步骤2：通过测量镜片剖面处通道的倾斜角测量通道的实际指向。步骤3：采用激光成像系统测试成像。

Description

一种矩形通道X射线探测镜片的热弯工艺检测方法

技术领域：

本发明属于X射线探测技术领域，涉及一种矩形通道X射线探测镜片的检测方法。

背景技术：

矩形通道X射线探测镜片是一种基于微孔光学的曲面玻璃镜片，是由数百万个微米级矩形通道规则排列为矩形阵列。镜片利用超光滑通道内壁对掠入射X射线进行反射聚焦实现对X射线光子的成像探测，具有高分辨、轻小型、易于集成等优点，我国龙虾眼X射线探测卫星搭载的龙虾眼型X射线探测器以及欧洲航天局发射的水星探测器BepiColombo上的X射线探测系统均采用了矩形通道X射线探测镜片。

矩形通道X射线探测镜片的制备是采用了玻璃纤维制备微通道板的方法，即分别熔制玻璃芯棒与玻璃管，芯棒为通道区材料，玻璃管为通道壁材料，将二者配套结合拉制矩形单丝，矩形单丝规则排列为截面为矩形的复丝棒，拉制复丝棒得到矩形复丝，将复丝定长切断并精确对位排板为方形阵列，模具加热加压熔合成坯板，切片抛光得到平面坯片，将坯片放置于曲面模具热弯成型为曲面，将芯料酸溶形成通道，再经过镀高反膜完成制备。

热弯成型是制备矩形通道X射线探测镜片的一个关键工序，理想情况下，热弯成型后，所有通道均指向同一点，X射线经通道壁反射后汇聚在焦点处，通过探测焦点的位置可判断X射线的入射方向。然而，实际情况下，热弯工艺不恰当会使通道指向存在较大偏差，通道指向的偏差会影响X射线探测镜片的空间分辨能力，因此需要对X射线探测镜片的热弯工艺进行检测。常规的检测手段是采用X射线成像系统检测，系统如图6所示，包括X射线辐射腔5、平行管9和样品腔10，在X射线辐射腔5内用高能射线源6轰击靶材7，产生的X射线8经平行管9进入样品腔10照射镜片11，在胶片12上成像，通过成像效果来判断热弯工艺是否合适。然而，X射线成像系统结构庞大，造价昂贵，管道达数十甚至上百米，腔内为真空低温环境，导致X射线探测镜片的测试成本非常高，生产单位难以及时做到热弯工艺的检测。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种矩形通道X射线探测镜片的简易检测方法，其克服了现有技术中存在的测试成本非常高，生产单位难以及时做到热弯工艺的检测的问题，本发明可对热弯工艺进行检测评价，检测方法方便快捷，准确度高，成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种矩形通道X射线探测镜片的热弯工艺检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过测量镜片各处的三坐标数值拟合镜片的表观曲率半径：

将X射线探测镜片凸面朝上放置于三坐标测量仪的样品台，测量仪对镜片表面密集取点，点之间的间距不超出5mm，测量取点处的X\Y\Z三坐标数值，根据测量的三坐标数值利用最小二乘法拟合出镜片的曲率半径；如果镜片曲率半径小于模具曲率半径，偏差为5％以上，则热弯温度过低或保温时间过短；根据测试结果调节热弯度，重新热弯及测量，反复迭代直至满足要求；

步骤2：通过测量镜片剖面处通道的倾斜角测量通道的实际指向：

待镜片曲率半径与模具曲率半径偏差不超出5％后，测量镜片的对边尺寸，确定镜片中线，将镜片沿中线切开，将拱形剖面作为观测面置于光学显微镜下，拱形剖面的两端处于同一水平参考线；每1～5mm选择一个通道测量通道壁与竖直参考线的夹角，作为通道的实际指向角；

根据公式计算出该通道的理论指向角，其中，θ为理论指向角，x为球面上该通道所在位置对应的弦长，R为曲率半径测量值；以x为横坐标，以通道的指向角为纵坐标分别绘出通道理论指向曲线与实际指向曲线，两者误差范围越小说明指向越精确，如果实际曲线的斜率大于理论曲线，则热弯温度过高或保温时间过长，反之则热弯温度过低或保温时间过短；

步骤3：采用激光成像系统测试成像质量：

激光成像系统包括激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机、计算机系统，其中，激光器的光束波长优选为390-780nm，发散角不大于2mrad，输出功率1-5mW；光阑实体外围大于CCD或CMOS靶面的尺寸，内部通孔的大小为X射线探测镜片口径大小；衰减片组口径不小于CCD或CMOS尺寸，衰减片组的透过率要求经衰减后的激光光束能量密度低于CCD或CMOS相机靶面的损伤阈值，CCD或CMOS相机损伤阈值大于0.1μW/cm²，单个像素尺寸4-100μm；信号处理系统计算机系统对CCD或CMOS探测信号进行读出与图像处理。

步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：将激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机调整为统一的共轴光学系统，激光器位于X射线探测镜片凸面一侧，激光出射口与X射线探测镜片的距离l、激光器发散角α、X射线探测镜片的外径D之间的关系为：从而保证激光能覆盖整个镜片；CCD或CMOS相机初始位置与X射线探测镜片的距离为X射线探测镜片的曲率半径的1/2处，X射线探测镜片的结构是，/>其中，f为焦距，R为曲率半径；

步骤3.2：激光光束照射于X射线探测镜片并汇聚，调整光阑遮挡入射范围超出X射线探测镜片的激光；

步骤3.3：用CCD或CMOS相机接收经过X射线探测镜片汇聚的激光束；

步骤3.4：通过信号处理系统得到聚焦斑尺寸、强度信息，沿光学系统轴向移动CCD或CMOS相机位置，确定聚焦斑尺寸最小的位置，该处靶面距X射线探测镜片的距离即为X射线探测镜片的焦距；如果测量的焦距小于指标焦距，则说明通道整体指向角过大，说明热弯温度过高或保温时间过长；如果测量值大于指标焦距，则说明通道整体指向角过小，说明热弯温度过低或保温时间过短；据测试结果将热弯工艺进行相应调整，通过聚焦斑强度信息判断出X射线探测镜片通道指向的一致性，强度越高，通道指向的一致性越好。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明准确度高。本发明通过表观曲率测试、解剖测试、激光成像测试相结合的方法，对于热弯工艺进行综合评价，克服了单种方法的局限，准确度高。采用本发明所确定的热弯工艺所制得的X射线探测镜片经X射线成像系统测试验证，角分辨率可优于6角分。

2、本发明成本低。传统的热弯效果评判方法是通过X射线成像系统进行成像测试，然而X射线成像系统结构庞大，管道达数十甚至上百米，腔内为真空低温环境，使用成本高昂。本发明检测方法所涉及的设备均易获得，而且无需真空环境或低温环境，成本低。

附图说明：

图1为矩形通道X射线探测镜片的正面示意图；

图2为矩形通道X射线探测镜片的剖面示意图；

图3为保温时间过长导致通道弯曲实物图；

图4为保温时间过短导致通道偏离实物图；

图5为常规X射线成像系统；

图6为激光成像测试系统示意图；

图7为实施例1通道指向实测值与理论值曲线斜率图；

图8为实施例1激光成像图像；

图9为实施例1X射线成像图。

图中，1-通道，2-通道壁，3-水平参考线，4-竖直参考线，5-X射线辐射腔，6-高能射线源，7-靶材，8-X射线，9-平行管，10-样品腔，11-镜片，12-胶片，13-激光器，14-聚焦前激光光束，15-聚焦后光线，16-衰减片组，17-CCD或CMOS相机，18-信号处理系统。

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，以下结合附图及实施例，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仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种矩形通道X射线探测镜片的热弯工艺的检测方法，采用表观曲率测试、指向测试、激光成像测试相结合，对热弯工艺进行检测，研制单位可根据检测结果对热弯工艺做出相应调整最终确定热弯的工艺。

本发明检测方法具体包括以下步骤：

步骤1：通过测量镜片各处的三坐标数值拟合镜片的表观曲率半径。

将X射线探测镜片凸面朝上放置于三坐标测量仪的样品台，凸面朝上有利于镜片稳定，避免在测试中镜片随机械振动或其他干扰发生移动。对镜片表面密集取点，点之间的间距不超出5mm，过大间距会使取点数过少拟合结果准确度降低。测量取点处的X\Y\Z三坐标数值，根据测量的三坐标数值利用最小二乘法拟合出镜片的曲率半径。

热弯时，镜片中心先变形，形成“V”字形，随热弯继续进行，向圆弧形转变。考虑到拟合结果会随取点的不同而存在偏差，待镜片曲率半径与模具曲率半径小于5％后，认为镜片与模具曲率相当。如果镜片曲率半径小于模具曲率半径，偏差(偏差指模具曲率与镜片曲率的差值与模具曲率的比值)为5％以上，则说明形状接近于“V”字形，从而说明热弯温度过低或保温时间过短。根据测试结果调节热弯制度，重新热弯及测量。

步骤2：通过测量镜片剖面处通道的倾斜角测量通道的实际指向。

待镜片曲率半径与模具曲率半径偏差不超出5％后，测量镜片的对边尺寸，确定镜片中线，将镜片沿中线切开，将拱形剖面作为观测面置于光学显微镜下，拱形剖面的两端处于同一水平参考线，对于矩形通道，中线处的通道切开后通道壁的倾斜角即为通道的指向。每1-5mm选择一通道测量通道壁与竖直参考线的夹角为通道的实际指向角。并根据公式计算出该通道的理论指向角，其中，θ为理论指向角，x为球面上该通道所在位置对应的弦长，R为曲率半径测量值。以x为横坐标，以通道的指向角为纵坐标分别绘出通道理论指向曲线与实际指向曲线，如果实际曲线的斜率大于理论曲线，说明热弯温度过高或保温时间过长，这是因为镜片凹面玻璃会在重力作用下向凹面中心流动，导致指向角过大，如图3；如果测量值小于理论值，则说明热弯温度过低或保温时间过短，通道还处于竖直下沉状态，如图4。

步骤3：采用激光成像系统测试成像。

激光成像系统包括激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机、计算机系统。其中，激光器的光束波长优选为390-780nm，从而便于人眼观察；发散角不大于2mrad，该方法是将激光器置于较远处，将其视为平行光，发散角过大则与平行光差异过大；输出功率1-5mW，输出功率过低，则聚焦能量太低不易被探测，输出功能过高可能会导致CCD或CMOS相机损坏。光阑实体外围大于CCD或CMOS靶面的尺寸，防止激光直接照射于CCD或CMOS靶面；内部通孔的大小为X射线探测镜片口径大小，从而保证激光能覆盖整个镜片。衰减片组口径不小于CCD或CMOS尺寸，防止汇聚后的激光直接照射于CCD或CMOS靶面；衰减片组的透过率要求经衰减后的激光光束能量密度低于CCD或CMOS相机靶面的损伤阈值；CCD或CMOS相机靶面尺寸不小于X射线探测镜片的一半，因X射线探测镜片为微通道结构，激光反射同时会发生衍射，导致聚焦斑面积较大，选择较大面积的CCD或CMOS从而保证能完整接收聚焦斑；损伤阈值大于0.1μW/cm²，保证不被聚焦后的激光损伤；单个像素尺寸4-100μm，保证信号处理系统在辨别聚焦斑时有足够的分辨率；信号处理系统计算机系统可对CCD或CMOS探测信号进行读出与图像处理。测试步骤为：

步骤3.1：将激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机调整为统一的共轴光学系统，激光器位于X射线探测镜片凸面一侧，激光出射口与X射线探测镜片的距离l、发散角α、X射线探测镜片的外径D之间的关系为：从而保证激光能覆盖整个镜片；CCD或CMOS相机初始位置与X射线探测镜片的距离为X射线探测镜片的曲率半径的1/2处，X射线探测镜片的结构特点是，/>其中，f为焦距，R为曲率半径。

步骤3.2：激光光束照射于X射线探测镜片并汇聚，调整光阑遮挡入射范围超出X射线探测镜片的激光；

步骤3.3：用CCD或CMOS相机接收经过X射线探测镜片汇聚的激光束；

步骤3.4：通过信号处理系统得到聚焦斑尺寸、强度信息。沿光学系统轴向移动CCD或CMOS相机位置，确定聚焦斑尺寸最小的位置，该处靶面距X射线探测镜片的距离即为X射线探测镜片的焦距。如果测量的焦距小于指标焦距，则说明通道整体指向角过大，说明热弯温度过高或保温时间过长；如果测量值大于指标焦距，则说明通道整体指向角过小，说明热弯温度过低或保温时间过短。据测试结果将热弯工艺进行相应调整。通过聚焦斑强度信息可判断出X射线探测镜片通道指向的一致性，强度越高，通道指向的一致性越好。

三种检测方式需结合起来共同进行表征。表观曲率半径的测试结果只能说明表面的曲率，而实际热弯中通道不一定完全垂直于表面，只能初步判断出是否热弯成弧面。通道指向测试测量是沿中线的通道，该测试结果能较好说明热弯指向，但不排除其他区域的通道有热弯变形不均匀的可能。激光成像测试是通过判断焦斑对应的位置来确定焦距，但需要有实际通道指向角度测量结果进行对照才能判断出指向一致性的程度。

实施例1：

X射线探测镜片口径为42mm×42mm，热弯模具曲率半径为760mm，初始热弯工艺为653℃，保温3h。

步骤1：将镜片凸面朝上放置于三坐标测量仪样品台，对镜片表面每隔2mm取一点，测量取点处的三坐标数值，拟合出整片的曲率半径，镜片拟合曲率半径656mm，小于模具曲率半径760mm，偏差为13.7％，说明热弯温度过低或保温时间过短。将热弯制度调整为653℃保温5h。重新热弯，按照同样方式测量，拟合得到镜片曲率半径为775mm，偏差为2％。

步骤2：镜片中线位于距边缘21mm处，将镜片沿中线切开，置于光学显微镜下，每2mm取一通道测量通道的指向角并绘制曲线，指向角具体数据见表1，绘制曲线结果见图7，可见测试指向与理论指向斜率基本一致。

步骤3：采用发散角1.9mrad的激光器，光束波长为632.8nm，输出功率约3mW。CMOS相机靶面尺寸为22.5mm×15.0mm，损伤阈值1mW/cm²，单个像素尺寸43μm。光阑实体外围大于CMOS靶面的尺寸，内部通孔的大小为X射线探测镜片口径大小。衰减片组口径为50mm×50mm，衰减片组的透过率1％。激光器位于X射线探测镜片凸面一侧，激光出射口与X射线探测镜片的距离为25m，CMOS相机初始位置与X射线探测镜片的距离为387.5mm。将激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CMOS相机调整为统一的共轴光学系统，激光光束照射于X射线探测镜片并汇聚，调整光阑遮挡入射范围超出X射线探测镜片的激光。移动CMOS相机寻找成像光斑最小的位置，如图8，测量镜片焦距为372mm，指标中曲率半径为760mm的X射线镜片焦距理论值应为380mm，实测焦距与理论焦距偏差为2.1％，且从图像可看出焦斑强度较高。综合以上检测结果，认为653℃保温5h的热弯工艺所得镜片质量较好。该工艺制备的X射线探测镜片经X射线成像系统测试验证，成像如图9，角分辨率优于6角分。

表1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种矩形通道X射线探测镜片的热弯工艺检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过测量镜片各处的三坐标数值拟合镜片的表观曲率半径：

将X射线探测镜片凸面朝上放置于三坐标测量仪的样品台，测量仪对镜片表面密集取点，点之间的间距不超出5mm，测量取点处的X\Y\Z三坐标数值，根据测量的三坐标数值利用最小二乘法拟合出镜片的曲率半径；如果镜片曲率半径小于模具曲率半径，偏差为5％以上，则热弯温度过低或保温时间过短；根据测试结果调节热弯度，重新热弯及测量，反复迭代直至满足要求；

步骤2：通过测量镜片剖面处通道的倾斜角测量通道的实际指向：

待镜片曲率半径与模具曲率半径偏差不超出5％后，测量镜片的对边尺寸，确定镜片中线，将镜片沿中线切开，将拱形剖面作为观测面置于光学显微镜下，拱形剖面的两端处于同一水平参考线；每1～5mm选择一个通道测量通道壁与竖直参考线的夹角，作为通道的实际指向角；

根据公式计算出该通道的理论指向角，其中，θ为理论指向角，x为球面上该通道所在位置对应的弦长，R为曲率半径测量值；以x为横坐标，以通道的指向角为纵坐标分别绘出通道理论指向曲线与实际指向曲线，两者误差范围越小说明指向越精确，如果实际曲线的斜率大于理论曲线，则热弯温度过高或保温时间过长，反之则热弯温度过低或保温时间过短；

步骤3：采用激光成像系统测试成像质量：

激光成像系统包括激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机、计算机系统，其中，激光器的光束波长为390-780nm，发散角不大于2mrad，输出功率1-5mW；光阑实体外围大于CCD或CMOS靶面的尺寸，内部通孔的大小为X射线探测镜片口径大小；衰减片组口径不小于CCD或CMOS尺寸，衰减片组的透过率要求经衰减后的激光光束能量密度低于CCD或CMOS相机靶面的损伤阈值，CCD或CMOS相机损伤阈值大于0.1μW/cm2，单个像素尺寸4-100μm；信号处理系统计算机系统对CCD或CMOS探测信号进行读出与图像处理。

2.根据权利要求1所述的一种矩形通道X射线探测镜片的热弯工艺检测方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：将激光器、X射线探测镜片、光阑、衰减片组、CCD或CMOS相机调整为统一的共轴光学系统，激光器位于X射线探测镜片凸面一侧，激光出射口与X射线探测镜片的距离l、激光器发散角α、X射线探测镜片的外径D之间的关系为：从而保证激光能覆盖整个镜片；CCD或CMOS相机初始位置与X射线探测镜片的距离为X射线探测镜片的曲率半径的1/2处，X射线探测镜片的结构是，/>其中，f为焦距，R为曲率半径；

步骤3.2：激光光束照射于X射线探测镜片并汇聚，调整光阑遮挡入射范围超出X射线探测镜片的激光；

步骤3.3：用CCD或CMOS相机接收经过X射线探测镜片汇聚的激光束；

步骤3.4：通过信号处理系统得到聚焦斑尺寸、强度信息，沿光学系统轴向移动CCD或CMOS相机位置，确定聚焦斑尺寸最小的位置，该处靶面距X射线探测镜片的距离即为X射线探测镜片的焦距；如果测量的焦距小于指标焦距，则说明通道整体指向角过大，说明热弯温度过高或保温时间过长；如果测量值大于指标焦距，则说明通道整体指向角过小，说明热弯温度过低或保温时间过短；据测试结果将热弯工艺进行相应调整，通过聚焦斑强度信息判断出X射线探测镜片通道指向的一致性，强度越高，通道指向的一致性越好。