鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡制造技術(shù)

一種鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，包括玻璃基板和母鏡，母鏡安裝在玻璃基板上，母鏡包括母鏡主體和在母鏡主體上順序間隔布置的圓柱形空腔和正方形空腔，各個(gè)圓柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于母鏡主體的長度方向的同一直線上，圓柱形空腔設(shè)有第一圓柱面，各個(gè)正方形空腔內(nèi)嵌入子鏡體，子鏡體的截面呈正方形，子鏡體正中設(shè)有圓柱形通孔，圓柱形通孔設(shè)有第二圓柱面，第一圓柱面與第二圓柱面相互呈正交結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型專利技術(shù)光軸可高精度自校準(zhǔn)、聚焦效率高、制作工藝精度高、透鏡材料限制較小、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試簡便。（*該技術(shù)在2021年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及一種X射線微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件，適用于對(duì)高能X射線波段(＞5keV)輻射進(jìn)行二維聚焦和成像的場合。
技術(shù)介紹
X射線組合透鏡是A.Snigirev在1996年提出的一種適用于高能X射線波段(即X射線輻射能量超過5keV)的、基于折射效應(yīng)的X射線微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件。具有不需要折轉(zhuǎn)光路、高溫穩(wěn)定性好且易冷卻、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、對(duì)透鏡表面粗糙度要求低等優(yōu)點(diǎn)。在超高分辨率X射線診斷科學(xué)和
有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，基于X射線組合透鏡的各種X射線診斷技術(shù)研究非常活躍。比如用于樣本中元素分布測量的高能X射線熒光微層析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；利用鋁材料X射線組合透鏡的中子顯微鏡；以及用于單細(xì)胞檢測、化學(xué)微分析、早期胸部腫瘤檢測等的高能X射線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等等。最初的X射線組合透鏡是采用計(jì)算機(jī)精密控制鉆孔的方法，在鋁金屬材料上制作出幾十至幾百個(gè)順序排布的圓柱狀孔來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)X射線進(jìn)行一維聚焦，并利用其開展X射線探測和診斷技術(shù)研究。之后為了提高制作精度，多采用平面微制作技術(shù)(包括薄膜沉積，光學(xué)刻蝕、電子束刻蝕、離子束刻蝕等技術(shù))制作截面形狀為圓形、拋物面形、橢圓面形的X射線組合透鏡，組合透鏡材料擴(kuò)展到鋁、硅、鋰、硼、碳、氧化鋁、有機(jī)材料PMMA等等，聚焦的效果大幅度改善，只是這樣的X射線組合透鏡依然是一維聚焦的。然而，X射線探測和診斷技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，通常需要微米甚至亞微米量級(jí)的X射線探測光斑(即聚焦焦斑)，而不僅僅是聚焦焦線。因此必須發(fā)展能夠?qū)射線輻射進(jìn)行二維聚焦的X射線組合透鏡。目前二維聚焦的X射線組合透鏡國內(nèi)尚未見報(bào)道，國際上主要采取兩種方式來達(dá)到對(duì)X射線二維聚焦的目的。一種是采用平面光刻技術(shù)，制作兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡，將兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡正交放置，分別對(duì)X射線束進(jìn)行水平方向線聚焦和垂直方向線聚焦，以達(dá)到二維聚焦的目的(C.G.Schroer，et?al.，Appl.Phys.Lett.，2003，vol.82，pp1485-1487)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是：(1)一維聚焦X射線組合透鏡本身是微結(jié)構(gòu)器件，X射線又是不可見光，兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡在系統(tǒng)中放置時(shí)，光軸校準(zhǔn)極其困難；(2)兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡共同完成二維X射線束聚焦，使得X射線束穿越透鏡材料的長度約是一個(gè)組合透鏡的兩倍，X射線束損耗大幅增加；(3)兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡的焦距必須按一定規(guī)則匹配，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)都很復(fù)雜。另一種方法是首先制作旋轉(zhuǎn)拋物面形的透鏡折射單元模具，然后采用模壓技術(shù)在鋁材料上壓制一個(gè)單個(gè)的組合透鏡折射單元，將組合透鏡折射單元一個(gè)一個(gè)順序排列組合起來形成二維聚焦的X射線組合透鏡，靠著每一個(gè)折射單元的旋轉(zhuǎn)拋物面實(shí)現(xiàn)二維聚焦(B.Lengeler，et?al.，Appl.Phys.Lett.，1999，vol.74，pp3924-3926)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是：(1)采用精密機(jī)械制造技術(shù)，微結(jié)構(gòu)尺寸不可能制作得很小，因此對(duì)X射線輻射的聚焦效率不可能很高；(2)組合透鏡由一個(gè)一個(gè)分立的折射單元順序排放組成，光軸對(duì)準(zhǔn)極困難，光軸的偏差將引起組合透鏡性能的降低；(3)基于精密機(jī)械制作技術(shù)的方法對(duì)于組合透鏡的材料限制較大，通常只適用于機(jī)械加工性能-->好、延展性好的金屬材料，比如鋁材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服已有二維聚焦X射線組合折射透鏡的光軸對(duì)準(zhǔn)極其困難、聚焦效率不夠高、制作工藝精度不夠高、透鏡材料限制較大、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)很復(fù)雜的不足，本技術(shù)提供一種光軸可高精度自校準(zhǔn)、聚焦效率高、制作工藝精度高、透鏡材料限制較小、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試簡便的鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡。本技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，包括玻璃基板和母鏡，所述母鏡安裝在所述玻璃基板上，所述母鏡包括母鏡主體和在所述母鏡主體上順序間隔布置的圓柱形空腔和正方形空腔，各個(gè)圓柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母鏡主體的長度方向的同一直線上，所述圓柱形空腔設(shè)有用以對(duì)X射線進(jìn)行折射以達(dá)到對(duì)X射線輻射沿第一圓柱軸線垂直方向的聚焦的第一圓柱面，各個(gè)正方形空腔內(nèi)嵌入子鏡體，所述子鏡體的截面呈正方形，所述子鏡體正中設(shè)有圓柱形通孔，所述圓柱形通孔設(shè)有用以對(duì)X射線進(jìn)行折射以達(dá)到對(duì)X射線輻射沿第二圓柱軸線垂直方向的聚焦的第二圓柱面，所述第一圓柱面與所述第二圓柱面相互呈正交結(jié)構(gòu)。作為優(yōu)選的一種方案，多個(gè)子鏡體安裝在夾持臂上，相鄰子鏡體的中心間距與相鄰正方形空腔的中心間距相等。作為優(yōu)選的另一種方案，所述子鏡體為正方體，所述圓柱形通孔的直徑比所述正方體邊長小，所述正方體的中心線與所述圓柱形通孔的軸線重合，所述正方形空腔的邊長比所述正方體邊長大，所述圓柱形空腔的深度和正方形空腔的深度與所述正方體的邊長相等。進(jìn)一步，所述正方形空腔的中心和圓柱形空腔的中心之間的距離與所述正方體的邊長相等。再進(jìn)一步，所述圓柱形空腔的直徑比所述正方體的邊長小。所述圓柱形空腔的直徑和所述圓柱形通孔的直徑相等。當(dāng)然，也可以不相等。所述母鏡主體和子鏡體的材料為下列之一：①SU-8、②銅、③鎳。所述圓柱形空腔和正方形空腔的個(gè)數(shù)為范圍為20到100個(gè)。所述玻璃基板的厚度為1～2毫米，所述圓柱形腔體和圓柱形通孔的直徑范圍為40微米到240微米，所述正方形的邊長范圍為50微米到250微米，所述正方形空腔和正方向邊長的差值范圍為1微米到2微米。所述夾持臂厚度50-100微米。本技術(shù)的技術(shù)構(gòu)思為：所述母鏡和子鏡，經(jīng)在顯微鏡下組裝后，即形成本技術(shù)鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡(如圖1所示)，圖1所示坐標(biāo)系的z軸為所述鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡的光軸。所述鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡的二維聚焦功能，由其內(nèi)的一個(gè)個(gè)二維聚焦折射單元(如圖1c所示)完成，所述二維聚焦折射單元，由一個(gè)沿y軸、一個(gè)沿x軸的兩個(gè)相互垂直的圓柱面共同構(gòu)成。入射X射線束沿著如圖1所示坐標(biāo)系的z軸方向射向鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，經(jīng)一個(gè)個(gè)二維聚焦折射單元的多次折射，從所述鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡出射后，形成二維聚焦-->焦斑。本技術(shù)的有益效果主要表現(xiàn)在：1、提出一種由母鏡和子鏡構(gòu)成的新型鑲嵌式X射線組合折射透鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線輻射二維聚焦的目的；2、X射線組合透鏡的光軸校準(zhǔn)是技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)組合透鏡的性能影響非常大，本技術(shù)提出的鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡的光軸校準(zhǔn)是靠子鏡嵌入母鏡的組裝過程來完成的，由于母鏡和子鏡由平面微細(xì)加工技術(shù)完成，精度非常高，因此保證了高精度的光軸校準(zhǔn)，解決了X射線器件光軸校準(zhǔn)的技術(shù)難題；3、通過新穎的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線輻射的二維聚焦，聚焦性能和光學(xué)性能由器件結(jié)構(gòu)來保證，避免了使用兩個(gè)一維聚焦X射線組合透鏡正交排布所面臨的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和裝調(diào)都很復(fù)雜的問題；4、采用平面微細(xì)加工技術(shù)，加工精度高，器件深寬比大，對(duì)材料限制小，可以一體化、一次性精密加工成型。附圖說明圖1a是本技術(shù)鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡的正視圖。圖1b是本技術(shù)鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡的俯視圖。圖1c是本技術(shù)鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡中二維聚焦折射單元的局部I的放大圖。圖1d是本技術(shù)鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡中二維聚焦折射單元的局部I的俯視圖。圖本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種鑲嵌式二維聚焦Ｘ射線組合折射透鏡，其特征在于：包括玻璃基板和母鏡，所述母鏡安裝在所述玻璃基板上，所述母鏡包括母鏡主體和在所述母鏡主體上順序間隔布置的圓柱形空腔和正方形空腔，各個(gè)圓柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母鏡主體的長度方向的同一直線上，所述圓柱形空腔設(shè)有用以對(duì)Ｘ射線的折射達(dá)到對(duì)Ｘ射線輻射沿第一圓柱軸線垂直方向的聚焦的第一圓柱面，各個(gè)正方形空腔內(nèi)嵌入子鏡體，所述子鏡體的截面呈正方形，所述子鏡體正中設(shè)有圓柱形通孔，所述圓柱形通孔設(shè)有用以對(duì)Ｘ射線的折射達(dá)到對(duì)Ｘ射線輻射沿第二圓柱軸線垂直方向的聚焦的第二圓柱面，所述第一圓柱面與所述第二圓柱面相互呈正交結(jié)構(gòu)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，其特征在于：包括玻璃基板和母鏡，所述母鏡安裝在所述玻璃基板上，所述母鏡包括母鏡主體和在所述母鏡主體上順序間隔布置的圓柱形空腔和正方形空腔，各個(gè)圓柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母鏡主體的長度方向的同一直線上，所述圓柱形空腔設(shè)有用以對(duì)X射線的折射達(dá)到對(duì)X射線輻射沿第一圓柱軸線垂直方向的聚焦的第一圓柱面，各個(gè)正方形空腔內(nèi)嵌入子鏡體，所述子鏡體的截面呈正方形，所述子鏡體正中設(shè)有圓柱形通孔，所述圓柱形通孔設(shè)有用以對(duì)X射線的折射達(dá)到對(duì)X射線輻射沿第二圓柱軸線垂直方向的聚焦的第二圓柱面，所述第一圓柱面與所述第二圓柱面相互呈正交結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述的鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，其特征在于：多個(gè)子鏡體安裝在夾持臂上，相鄰子鏡體的中心間距與相鄰正方形空腔的中心間距相等。3.如權(quán)利要求1或2所述的鑲嵌式二維聚焦X射線組合折射透鏡，其特征在于：所述子鏡體為正方體，所述圓柱形通孔的直徑比所述正方體邊長小，所述正方體的中心線與所述圓柱形通孔的軸線重合，所述正方形空腔的邊長比所述正...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董文，樂孜純，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江工業(yè)大學(xué)，
類型：實(shí)用新型
國別省市：86