CN115621102A - 改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微通道板技术领域，公开一种改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法。在传统微通道板的制板工艺基础上，本发明在排棒工序中选择相同丝径不同孔径的两种单丝，按一定要求进行复丝棒排制，其中复丝边界最外一排采用略大孔径的单丝，复丝顶角和内部采用略小孔径的单丝，由此拉制的复丝可获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相当，在不影响其他性能的情况下，显著降低小孔径微通道板复丝边界与复丝中心区域因通道增益不均而造成的六边形网格问题，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。

Description

改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法
技术领域
本发明涉及微通道板技术领域，尤其涉及高分辨率、低噪声微光像增强器配套使用的大开口面积比、小孔径微通道板的制作，具体而言涉及改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法。
背景技术
微通道板(MCP)是一种数百万根微孔电子倍增器件集合在一起的平行列阵，为薄片结构的二维真空电子倍增器，对电子、离子和加速的中性粒子、紫外光子和X射线是敏感的，被广泛应用在像增强器、显示器、空间科学和分析仪器领域。常规的微通道板的制备工艺中，依赖于玻璃多纤维拉制技术(GMD)，在制备得到铅硅酸盐皮料玻璃管以及与之配套的芯料棒一起高温拉制成单纤维丝，在经过排棒、拉复丝、排屏、熔压、切片、滚圆、精磨、倒边、抛光、化学腐蚀等一系列工艺，制造出多通道(多孔结构)的列阵式薄片。
在传统微通道板的制备过程中，受GMD工艺的限制，微孔通道的直径存在微小的偏差，通道直径的偏差会导致微通道板的增益不均匀，制管后出现固定图案噪声，影响微光像增强器成像质量。固定图案噪声的成因与玻璃纤维复丝的拉制工艺息息相关，由于六边形复丝是由圆形单丝按一定顺序排制而成，在复丝拉制过程中，因最外排单丝缺少束缚，在高温下会发生流动变形，形成“眼镜状”的椭圆形貌。然而复丝除最外排单丝外，内部其余排单丝仍保持圆形。复丝内外排单丝存在形貌差异进而会影响最终的增益，因此在图像上就表现为每根复丝的最外排与内部亮度不一致，整个MCP板面图像呈现出六边形网格。
作为影响微光像增强器分辨率的重要因素之一，微通道板的孔径微小化是重要的改进方向。然而在传统制造工艺中，小孔径微通道板网格问题尤为突出。
发明内容
鉴于现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于根据高分辨率、低噪声微光像增强器配套使用的大开口面积比、小孔径微通道板的配套需求，提供一种大开口面积比小孔径高均匀性微通道板的制备方法，开口面积比≥67％，孔径为4μm～5μm，增益不均匀性≤10％。
在本发明的微通道板的制备方法中，提出一种改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，通过改善排棒工序的结构，在排棒工序中选择相同丝径不同孔径的两种单丝，按一定要求进行复丝棒排制，其中复丝边界最外一排采用略大孔径的单丝，复丝顶角和内部采用略小孔径的单丝，由此拉制的复丝可获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相当，在不影响其他性能的情况下，显著降低小孔径微通道板复丝边界与复丝中心区域因通道增益不均而造成的六边形网格问题，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。
根据本发明目的的第一方面，提出一种改善小孔径MCP制备过程中复丝边界网格的方法，其包括以下步骤：
步骤1：将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格1的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝1；将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格2的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝2；其中壁厚规格1的尺寸小于壁厚规格2的尺寸；
步骤2：将拉制好的单丝1和单丝2按一定顺序完成由n排单丝组成的正六边形复丝棒的排制，沿正六边形复丝棒的截面方向，单丝1排制在正六边形复丝棒的复丝顶角和内部位置，单丝2排制在正六边形复丝棒的复丝边界最外一排的位置；
步骤3：将所述正六边形复丝棒进行复丝拉制制备复丝，然后依次进行排屏、熔压、切片、滚圆、抛光处理，制备成圆形薄片；
步骤4、对薄片进行化学腐蚀，将硼硅酸盐玻璃芯料X1去除，形成多孔薄片；
步骤5、多孔薄片进行氢还原处理，使多孔薄片的通道内壁形成具有二次电子发射的功能层；以及
步骤6、对氢还原处理后的多孔薄片表面镀制合金电极，制得微通道板。
其中，微通道板的制备过程中，采用相同丝径、不同孔径的两种单丝进行复丝棒排制，以获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相同，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。
作为可选的实施例，所述单丝1排制在正六边形复丝棒截面方向的1～n-1排的内部位置、最外侧的第n排的六个顶角位置及每个顶角左右相邻一根单丝的位置，所述单丝2排制在正六边形复丝棒截面方向的最外侧的第n排中，并且位于除去六个顶角及其左右相邻一根单丝的其他位置。
由此，本发明与现有技术相比的显著优点在于：
1)采用相同丝径不同孔径的两种单丝按一定要求进行复丝棒排制，以获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相当，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度，有效改善小孔径MCP网格问题；
2)使用纤维玻璃丝无损激光切割技术，较传统的电阻丝切割技术相比，解决了复丝切割过程中玻璃表面因加热熔化形成的玻璃丝断面不平整，相邻复丝间无法紧密贴合的问题，特别是针对小孔径高均匀性MCP，大幅度改善MCP顶角阵列排列混乱的问题，为通过减薄皮料壁厚实现大开口面积比MCP制造提供有利基础。
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。
图1是本发明微通道板六边形复丝棒结构示意图。
图2A、2B是使用传统微通道板复丝结构与发明工艺的复丝结构制备的MCP显微镜对比图，图2A是传统制板工艺的MCP，图2B是使用本发明工艺制板的MCP。
图3A、3B是传统制板工艺的MCP与使用本发明工艺制板的MCP的均匀性测试对比图，图3A是传统制板工艺的MCP，图3B是使用本发明工艺制板的MCP。
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。
本发明示例性的实施例一种改善小孔径MCP制备过程中复丝边界网格的方法，适用于于高分辨率低噪声微光像增强器配套使用的MCP的制作方法，可实现工程化。
本发明公开的改善小孔径MCP制备过程中复丝边界网格的方法，尤其是根据高分辨率低噪声微光像增强器提出的配套需求，提供一种大开口面积比小孔径高均匀性微通道板，开口面积比≥67％，孔径为4μm～5μm，增益不均匀性≤10％的MCP制作方法。
根据本发明具体的实施例的一种改善小孔径MCP制备过程中复丝边界网格的方法，其实现包括以下步骤：
步骤1：将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格1的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝1；将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格2的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝2；其中壁厚规格1的尺寸小于壁厚规格2的尺寸；
步骤2：将拉制好的单丝1和单丝2按一定顺序完成由n排单丝组成的正六边形复丝棒的排制，沿正六边形复丝棒的截面方向，单丝1排制在正六边形复丝棒的复丝顶角和内部位置，单丝2排制在正六边形复丝棒的复丝边界最外一排的位置；
步骤3：将所述正六边形复丝棒进行复丝拉制制备复丝，然后依次进行排屏、熔压、切片、滚圆、抛光处理，制备成圆形薄片；
步骤4、对薄片进行化学腐蚀，将硼硅酸盐玻璃芯料X1去除，形成多孔薄片；
步骤5、多孔薄片进行氢还原处理，使多孔薄片的通道内壁形成具有二次电子发射的功能层；以及
步骤6、对氢还原处理后的多孔薄片表面镀制合金电极，例如镍铬合金电极，制得微通道板。
由以上技术方案可见，本发明提出的方法，在大开口面积比微通道板的制备过程中，采用相同丝径、不同孔径的两种单丝进行复丝棒排制，以获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相同，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。
作为可选的实施例，单丝1排制在正六边形复丝棒截面方向的1～n-1排的内部位置、最外侧的第n排的六个顶角位置及每个顶角左右相邻一根单丝的位置，如图1所示，以标号1表示单丝1；单丝2排制在正六边形复丝棒截面方向的最外侧的第n排中，并且位于除去六个顶角及其左右相邻一根单丝的其他位置，如图1所示，以标号2表示单丝2，并以红色部分标注出。
在本发明的实施例中，铅硅酸盐玻璃皮料P1为管状，皮料壁厚为2.6mm～3.0mm，同根管的皮料壁厚差≤0.05mm，规格2比规格1的皮料的壁厚大7％～10％。
其中，皮料的铅硅酸盐玻璃材质以及芯料硼硅酸盐玻璃材质，可采用现有设计中的成分，例如北方夜视技术股份有限公司在微通道板的制备工艺中使用的材质与组分比例。
在排屏过程中，使用纤维玻璃丝无损激光切割技术将对边尺寸为0.4mm～0.6mm，长400mm～600mm的复丝切割成长小于100mm的短复丝，然后按照预定顺序在卧式排屏模具内进行屏段排制，卧式排屏模具与水平面的倾斜角度为10°～20°。
多孔薄片的外径为φ25mm，通道斜切角为5°～8°，板厚为0.22mm～0.26mm。
在步骤6中，在镀制合金电极前，还包括在多孔薄片表面和/或通道内壁镀制功能膜层。
由此，制备得到的微通道板，开口面积比≥67％，孔径为4μm～5μm，增益不均匀性≤10％，获得大开口面积比、小孔径、高均匀性的微通道板。
下面我们结合以上实施例的方法，更具体地阐述上述方法的实施。
步骤1：将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格1的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套拉制成直径为0.34mm的单丝1；硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格2的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套拉制成直径为0.34mm的单丝2；其中的两种壁厚规格的P1皮料，均为精密机械加工后的精加工管，规格1皮料壁厚为2.7mm±0.05mm，规格2皮料壁厚为3.0mm±0.05mm；
步骤2：将拉制好的单丝1和单丝2按一定顺序完成由52排单丝组成的正六边形复丝棒的排制，其中单丝1排制在复丝棒1～51排和最外第52排六个顶角及其左右相邻一根单丝的位置，单丝2排制在除去六个顶角及其左右相邻一根单丝的第52排位置；
步骤3：将所述正六边形进行复丝拉制、排屏、熔压、切片、滚圆、抛光制备成圆形薄片；
步骤4、对薄片进行化学腐蚀，将X1芯料去除，形成多孔薄片；
步骤5、多孔薄片进行氢还原处理，使多孔通道内壁形成具有二次电子发射的功能层；
步骤6、氢还原处理后的多孔薄片表面镀制镍铬合金电极，制备成大开口面积比小孔径高均匀性的微通道板。
如前述的方案，其中采用相同丝径不同孔径的两种单丝按一定要求进行复丝棒排制，以获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相当，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。
排屏过程中，使用纤维玻璃丝无损激光切割技术将上千根对边尺寸为0.53mm，长500mm的复丝切割成长为70mm短复丝，然后按照一定顺序在卧式排屏模具内进行屏段排制，模具与水平的倾斜角度为12°。
由此，制得的多孔(多个微米级孔径的通道)薄片，外径为φ25±0.04mm，通道斜切角为7°±20′板厚为0.24mm±0.01mm。
结合图所示的显微镜下的通道结构以及均匀性测试结果可见，通过本发明的方法制备的微通道板，通过在排棒工序中选择相同丝径不同孔径的两种单丝进行排制，其中复丝边界最外一排采用略大孔径的单丝，复丝顶角和内部采用略小孔径的单丝，由此拉制的复丝可获得阵列结构补偿，复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相同，如图3A、3B所示，由此保证制板后各个通道获得一致的增益亮度，均匀性较好。
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)

1.一种改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格1的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝1；将硼硅酸盐玻璃芯料X1与壁厚规格2的铅硅酸盐玻璃皮料P1嵌套，拉制成直径为m的单丝2；其中壁厚规格1的尺寸小于壁厚规格2的尺寸；
步骤2：将拉制好的单丝1和单丝2按一定顺序完成由n排单丝组成的正六边形复丝棒的排制，沿正六边形复丝棒的截面方向，单丝1排制在正六边形复丝棒的复丝顶角和内部位置，单丝2排制在正六边形复丝棒的复丝边界最外一排的位置；
步骤3：将所述正六边形复丝棒进行复丝拉制制备复丝，然后依次进行排屏、熔压、切片、滚圆、抛光处理，制备成圆形薄片；
步骤4、对薄片进行化学腐蚀，将硼硅酸盐玻璃芯料X1去除，形成多孔薄片；
步骤5、多孔薄片进行氢还原处理，使多孔薄片的通道内壁形成具有二次电子发射的功能层；以及
步骤6、对氢还原处理后的多孔薄片表面镀制合金电极，制得微通道板。
2.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述微通道板的制备过程中，采用相同丝径、不同孔径的两种单丝进行复丝棒排制，以获得阵列结构补偿，使拉复丝过程中复丝边界单丝发生形变后的孔面积与复丝中心区域基本相同，保证制板后各个通道获得一致的增益亮度。
3.根据权利要求1或2所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述单丝1排制在正六边形复丝棒截面方向的1～n-1排的内部位置、最外侧的第n排的六个顶角位置及每个顶角左右相邻一根单丝的位置，所述单丝2排制在正六边形复丝棒截面方向的最外侧的第n排中，并且位于除去六个顶角及其左右相邻一根单丝的其他位置。
4.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述铅硅酸盐玻璃皮料P1为管状，皮料壁厚为2.6mm～3.0mm，同根管的皮料壁厚差≤0.05mm，规格2比规格1的皮料的壁厚大7％～10％。
5.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述壁厚规格1的皮料壁厚为2.7mm±0.05mm，壁厚规格2的皮料壁厚为3.0mm±0.05mm。
6.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，在所述排屏过程中，使用纤维玻璃丝无损激光切割技术将对边尺寸为0.4mm～0.6mm，长400mm～600mm的复丝切割成长小于100mm的短复丝，然后按照预定顺序在卧式排屏模具内进行屏段排制，卧式排屏模具与水平面的倾斜角度为10°～20°。
7.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述多孔薄片的外径为φ25mm，通道斜切角为5°～8°，板厚为0.22mm～0.26mm。
8.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述步骤6中，在镀制合金电极前，还包括在多孔薄片表面和/或通道内壁镀制功能膜层。
9.根据权利要求1所述改善小孔径微通道板制备过程中复丝边界网格的方法，其特征在于，所述制备得到的微通道板，开口面积比≥67％，孔径为4μm～5μm，增益不均匀性≤10％。
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