CN115602351A - 改善微通道板型x射线准直器内部结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，在微通道板型X射线准直器的单丝排棒过程中，将填充丝填充在相邻单丝之间的孔隙中，单丝与填充丝紧密交错排列形成正六边形的准直器复丝棒，单丝与填充丝的直径均为毫米级；其中，将复丝棒的外围填充丝加粗，使得外围填充丝的边缘与排棒的单丝的边缘在同一水平面上。本发明提出的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，通过设计最优的边界填充丝尺寸，降低熔压成像过程引入的挤压形变误差，进而提高阵列成像精度。

Description

改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法

技术领域

本发明涉及微通道板技术领域，具体而言涉及一种改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法。

背景技术

增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)是由中国科学家发起和领导的重大国际合作科学项目，合作组成员来自中国、意大利、德国、西班牙、英国、法国、荷兰、瑞士等20多个国家、地区和组织的100多个研究单位。eXTP科学目标为通过观测黑洞、中子星和夸克星的X射线辐射，检测和发展在极端引力、极端磁场和极端密度条件下宇宙的基本物理规律，可概括为：“一奇(黑洞)、二星(中子星和夸克星)、三极端(极端引力、磁场和密度)。

eXTP卫星拥有大面积X射线准直望远镜(LAD)、能谱测量X射线聚焦望远镜阵列(SFA)、偏振测量X射线聚焦望远镜阵列(PFA)和广角监视器(WFM)四种有效载荷。其中大面积X射线准直器载荷(LAD)作为eXTP望远镜的重要组成部分，主要工作波段在2～30kev的能量范围内的光子进行观测(对于视场外爆发事件，可扩展约到80keV)。LAD载荷包含大面积SDD能谱探测器以及微通道板型X射线准直器。

微通道板X射线准直器作为LAD载荷光学器件，是基于夜视军用领域微通道板制造技术开发的新型微孔准直器件，其微通道板型X射线准直器内部阵列结构决定了LAD载荷的有效面积和视场，是LAD载荷的核心参数。X射线准直器的内部阵列结构主要是是通过高温的光纤拉制成型，传统的方式通过提高光纤的尺寸精度，降低高温熔压过程引入边界挤压工艺误差，进而提高微孔的内部结构。然而上述方法关于复丝单元结构设计并不涉及。

发明内容

本发明目的在于提供一种改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，通过设计最优的边界填充丝尺寸，降低熔压成像过程引入的挤压形变误差，进而提高阵列成像精度。

根据本发明目的的第一方面，提出一种改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，包括：

在制备微通道板型X射线准直器的单丝排棒工艺过程中，将填充丝填充在相邻单丝之间的孔隙中，单丝与填充丝紧密交错排列形成正六边形的复丝棒；

将填充位置分为内部和外部，位于复丝棒截面方向最外侧的填充位置定义为外部，复丝棒的其余填充位置定义为内部；

其中，在复丝棒的外部填充位置的填充丝采用加粗的填充丝，作为外围填充丝，其单丝外径大于内部填充位置的填充丝的外径，使得外围填充丝的边缘与排棒的单丝的边缘在同一水平面上。

作为可选的实施例，所述单丝排棒过程中，定义内部填充位置的填充丝为内部填充丝，外围填充丝的外径是内部填充丝的单丝外径的1.2～2倍。

作为可选的实施例，外围填充丝的外径D与内部填充丝的外径d满足：

D≈1.7×d。

作为可选的实施例，所述内部填充丝的直径d和单丝的直径尺寸R的几何关系如下：

作为可选的实施例，所述单丝与填充丝的直径均为毫米级。

作为可选的实施例，所述微通道板型X射线准直器制备过程中，使用的单丝的丝径为2.5±0.1mm,内部填充丝的外径尺寸为0.38±0.03mm，外围填充丝的尺寸为0.64±0.03mm，使准直器填充密实。

作为可选的实施例，所述外围填充丝与内部填充丝为同一玻璃材料拉制而成，并与微通道板型X射线准直器所采用的皮料玻璃为同一玻璃材料。

作为可选的实施例，所述外围填充丝、内部填充丝以及准直器皮料玻璃为同一种高Pb玻璃材料。

作为可选的实施例，所述高Pb玻璃材料的成分和比例为：

PbO-49.4％；

K₂O-7.6％；

SiO₂-27.4％；

Na₂O-4.55％；

Bi₂O₃-11％；

BaO-0.05％。

由此，在本发明提出的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法中，在微通道板型X射线准直器的单丝排棒过程中，将填充丝填充在相邻单丝之间的孔隙中，单丝与填充丝紧密交错排列形成正六边形的准直器复丝棒，通过将复丝棒的外围填充丝加粗，使得外围填充丝的边缘与排棒的单丝的边缘在同一水平面上。然后可通过排棒模具进行固定成型，进行后续的屏段熔压等处理，降低熔压成像过程引入的挤压形变误差，进而提高阵列成像精度。

本发明的微通道板型X射线准直器的制作工艺与常规微通道板工艺相似，包括管棒熔制、单丝拉制、单丝排棒、复丝拉制、复丝排屏、屏段熔压、冷加工、化学腐蚀形成微孔阵列等过程。应当理解，本发明的方法主要涉及微通道板型X射线准直器的制作过程的单丝排棒阶段。

优选地，外围填充丝与内部填充丝为同一玻璃材料拉制而成。例如，填充丝与准直器皮料玻璃为同一种材料，为高铅材料，在使复丝间填充密实的同时，保证准直器对X射线的准直性能。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。

图1为外围填充丝加粗前的复丝棒示意图。

图2为本发明提出的外围填充丝加粗后的复丝棒示意图。

图3为微通道板X射线准直器制备流程图。

图4为外围填充丝加粗前的准直器外观示意图。

图5为外围填充丝加粗后的显微镜观察示意图。

图6为外围填充丝加粗前的准直器X射线成像示意图。

图7为外围填充丝加粗后的准直器X射线成像示意图。

图中附图标记的含义：

1-单丝；2-内部填充丝；3-外围填充丝。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图2-7所示示例，用于微通道板型X射线准直器，其整个制备过程主要包括管棒熔制准备(皮料玻璃管和芯料玻璃管)、单丝拉制、单丝排棒、复丝拉制、复丝排屏、屏段熔压、冷加工、化学腐蚀形成微孔阵列等过程，与常规微通道板工艺相似，如图3所示。本发明的方法主要涉及微通道板型X射线准直器的制作过程的单丝排棒阶段。

如图所示的示例，准直器的复丝棒包括数十个根单丝组成的六边形结构和位于相邻单丝之间的填充丝，单丝与填充丝直径均为毫米级，单丝与填充丝紧密交错排列形成准直器复丝棒。

如图1、2分别为外围填充丝加粗前后的复丝棒示意图，X射线准直器的复丝棒由毫米级的单丝与填充丝紧密交错排列而成。图1所示的为外围填充丝加粗前复丝棒，即采用普通的与内部填充丝的尺寸相同的填充丝，外围填充丝的尺寸与内部填充丝一致。图2所示的为外围填充丝加粗后复丝棒，外围填充丝3的尺寸较内部填充丝2增大近一倍，使外围填充丝3的边界与外围的单丝1的边界在同一条直线上。然后，可通过排棒模具进行固定成型，进行后续的加工工艺处理，例如真空熔压。

在本发明的实施例中，在复丝棒的外部填充位置的填充丝采用加粗的填充丝，作为外围填充丝2，其单丝外径大于内部填充位置的填充丝的外径，使得外围填充丝2的边缘与排棒的单丝1的边缘在同一水平面上。

其中，结合图2所示，定义内部填充位置的填充丝为内部填充丝2，外围填充丝3的外径是内部填充丝2的外径的1.2～2倍。

其中，外围填充丝2的外径D与内部填充丝3的外径d满足：

D≈1.7×d。

结合图示，内部填充丝3的直径d和单丝1的直径尺寸R的几何关系如下：

作为可选的实施例，X射线准直器填充丝的制备，可以通过高温拉丝成型，与单丝的管棒拉制不同，填充丝可以是通过单一玻璃材料拉制。

优选地，外围填充丝与内部填充丝以及单丝的皮料玻璃为同一种材料，均为高铅玻璃材料；一方面为了在后续拉丝和压屏过程中使其能顺利的熔融在一起；另一方面，为保持X射线准直器的高铅含量，保证准直器对X射线的准直性能。

作为可选的实施例，高铅玻璃材料的成分和比例选用如下：

PbO-49.4％；

K₂O-7.6％；

SiO₂-27.4％；

Na₂O-4.55％；

Bi₂O₃-11％；

BaO-0.05％。

优选地，排棒模具选择为塑胶尼龙材料，有利于减少排棒过程中对单丝和填充丝的磨损；模具使复丝棒三组对边尺寸精度控制在±0.02mm。

例如，以微通道板型X射线准直器的单丝丝径为2.5±0.1mm为例，由于微通道板型X射线准直器的单丝丝径大，在排棒的过程中，单丝间的空隙大，因此需要进行填充；依据单丝丝径的尺寸计算出内部填充丝的尺寸为0.38±0.03mm。

当单丝棒外围使用0.35mm的填充丝时，会出现填充度不足，使制作的X射线准直器的复丝边界存在紧密度不足的现象，因此我们在本发明的实施例中，将外围填充丝的尺寸进行加粗。

结合以上示例，依据单丝棒外围空隙的尺寸，计算出外围填充丝的尺寸为0.64±0.03mm，可使准直器填充密实。

优选地，将排列的复丝拉制为0.9mm±0.03mm，通过排屏模具将屏段排列为对边为138mm的正六边形的屏段。

优选地，将熔压后的屏段进行冷加工，外形尺寸为111mm×72.5mm×5mm，通过腐蚀工艺进行酸碱交替，去除芯料，保持完整的阵列结构。

通过工具显微镜观测，如图4、5外围填充丝加粗前后的显微镜观察示意图，从图中可以明显看出复丝棒边界填充丝加粗后，复丝边界的填充丝的尺寸较内部填充丝显著增大，使填充效果明显加强，且边界微结构形变少，熔压的高温挤压误差少。通过图4、5对比来看，复丝边界填充丝加粗后，明显的改善了X射线准直器的内部结构问题。

受限于常规的光学观测手段和微通道尺寸，国际上通常采用X射线成像技术，对微通道板的内部结构进行评估。指向精度的好坏表征了微结构阵列好坏，如图6、7外围填充丝加粗前后的X射线成像结果所示。改善后，X射线点扩散函数更接近理论的圆形，而改善前的点扩散严重畸变，指向精度半高全宽从8角分提升为3角分，表明内部结构改善效果明显。

如此，使用上述排棒方法形成的X射线准直器，可以有效地改善内部结构问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，包括：

在制备微通道板型X射线准直器的单丝排棒工艺过程中，将填充丝填充在相邻单丝之间的孔隙中，单丝与填充丝紧密交错排列形成正六边形的复丝棒；

将填充位置分为内部和外部，位于复丝棒截面方向最外侧的填充位置定义为外部，复丝棒的其余填充位置定义为内部；

其中，在复丝棒的外部填充位置的填充丝采用加粗的填充丝，作为外围填充丝，其单丝外径大于内部填充位置的填充丝的外径，使得外围填充丝的边缘与排棒的单丝的边缘在同一水平面上。

2.根据权利要求1所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述单丝排棒过程中，定义内部填充位置的填充丝为内部填充丝，外围填充丝的外径是内部填充丝的单丝外径的1.2～2倍。

3.根据权利要求1所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，外围填充丝的外径D与内部填充丝的外径d满足：

D≈1.7×d。

4.根据权利要求3所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述内部填充丝的直径d和单丝的直径尺寸R的几何关系如下：

5.根据权利要求1所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述单丝与填充丝的直径均为毫米级。

6.根据权利要求5所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述微通道板型X射线准直器制备过程中，使用的单丝的丝径为2.5±0.1mm,内部填充丝的外径尺寸为0.38±0.03mm，外围填充丝的尺寸为0.64±0.03mm，使准直器填充密实。

7.根据权利要求1所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述外围填充丝与内部填充丝为同一玻璃材料拉制而成，并与微通道板型X射线准直器所采用的皮料玻璃为同一玻璃材料。

8.根据权利要求7所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述外围填充丝、内部填充丝以及准直器皮料玻璃为同一种高Pb玻璃材料。

9.根据权利要求7所述的改善微通道板型X射线准直器内部结构的方法，其特征在于，所述高Pb玻璃材料的成分和比例为：

PbO-49.4％；

K₂O-7.6％；

SiO₂-27.4％；

Na₂O-4.55％；

Bi₂O₃-11％；

BaO-0.05％。

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