CN101930893A - 具有高开口面积比的不对称封装模式的微通道板 - Google Patents

Abstract

用于制造微通道板(MCP)的毛坯包括(a)至少两组纤维行，每组设置为形成六边形结构纤维边界；和(b)位于两组六边形结构纤维边界的纤维行之间的一组附加纤维行。附加纤维行具有水平方向的纤维行，其堆叠于一水平方向纤维边界的顶部。纤维边界中水平方向纤维行的一个纤维被封装成相邻于附加纤维行中两个连续的纤维，从而形成一种三角形态的纤维。所述三角形态的纤维形成了一个至少为90％的最大开口面积比(OAR)。

Description

具有高开口面积比的不对称封装模式的微通道板

技术领域

本发明涉及用于图象增强器中的微通道板(MCP)。更特别地，本发明涉及一种制造可产生高开口面积比(OAR)的不对称封装模式的微通道板的装置和方法。

背景技术

微通道板在图像增强器中用作电子倍增器。它们是具有贯穿其延伸的通道阵列的薄玻璃板，并且它们位于光电阴极和荧光屏之间。从光电阴极入射的电子进入微通道板的输入侧并撞击通道壁。当电压施加于微通道板两端时，这些入射或初级电子被放大，产生次级电子。然后次级电子在微通道板的后端离开通道，并用于在荧光屏上产生图像。

一般情况下，微通道板的制造开始于纤维拉制工艺，如在1990年3月27日授予Ronald Sink的美国专利N0.4912314中所公开的，这篇文献以引用的方式全文并入本文中。为了方便起见，这里包括了美国专利N0.4912314中所公开的图1-4，并在下面进行讨论。

在图1中，示出了用于微通道板的起始纤维10。纤维10包括玻璃芯12和包围该芯的玻璃包层14。芯12由玻璃材料制成，并且该玻璃材料可以在合适的刻蚀溶液中刻蚀。玻璃包层14由玻璃材料构成，该玻璃材料具有与玻璃芯基本上相同的软化温度。然而，包层14的玻璃材料不同于芯12的玻璃材料的地方在于：它具有更高的铅含量，这使得在用于刻蚀芯材料的相同条件下包层不能被刻蚀。因此，在刻蚀玻璃芯之后，包层14保留。合适的包层玻璃是铅型玻璃，如康宁玻璃8161。

用以下方式形成光学纤维：将可刻蚀的玻璃棒和同轴地包围该棒的包层管垂直地悬挂在拉丝机(draw machine)中，该拉丝机并入了区域(zone)熔炉。将熔炉的温度升高到玻璃的软化温度。棒和管熔融在一起并被拉制成单个纤维10。将纤维10送到牵引机构中，在牵引机构中调节速度，直到达到所希望的纤维直径为止。然后将纤维10切割成大约18英寸的较短长度。

然后将几千个切割长度的单个纤维10堆叠到石墨模子中，并在玻璃的软化温度下加热，以形成六边形阵列16，如图2所示。如图所示，每个切割长度的纤维10具有六边形结构。该六边形结构提供更好的堆叠设置。

该六边形阵列还公知为多组件或捆，其包括几千个单个纤维10，每个纤维10具有芯12和包层14。捆16垂直地悬挂在拉丝机中并被拉制，以便再次减小纤维直径，同时仍然保持单独纤维的六边形结构。然后将捆16切割成大约6英寸的较短长度。

将几百个切割的捆16包装到精确内径通孔玻璃管22中，如图3所示。该玻璃管由类似于玻璃包层14的玻璃材料制成，但不能被用于刻蚀玻璃芯12的刻蚀工艺来刻蚀。外玻璃管22最终变为微通道板的固体边缘边界。

为了保护每捆16的纤维10，在用于形成微通道板的处理期间，将多个支撑结构设置在玻璃管22中，以代替形成组件外层的那些捆16。支撑结构可以采取具有所需的强度以及与玻璃纤维熔融能力的任何材料的六边形棒的形式。每个支撑结构可以是单个光学玻璃纤维24，其具有六边形形状和与捆16中的一个的横截面面积大致一样大的横截面面积。然而，单个光学玻璃纤维具有均不能被刻蚀的芯和包层。光学纤维24或支撑棒24示于图3中，位于组件30的***并包围多个捆16。

支撑棒可以由一个光学纤维或高达几百的任何数量的纤维形成。一个支撑棒24的最终几何结构和外部直径与一个捆16基本上相同。可以用与形成捆16相似的方式来形成多个纤维支撑棒。

形成管子22中的最外层纤维的每个捆16被支撑棒24代替。这优选通过如下方式来完成：靠着捆16的一端设置支撑棒24的一端，然后紧靠着捆16推动支撑棒24，直到捆16位于管子22之外为止。当所有***捆16都已经被支撑棒24代替时形成的组件被称为毛坯，并且一般在图3中表示为30。

毛坯30在加热工艺中被熔合在一起，以制造边缘(rim)玻璃和光学纤维的固体毛坯。然后将熔合的毛坯进行切片或划片成薄横截面的板或圆片。将该圆片研磨和抛光。

为了形成微通道，通过用稀释的盐酸进行刻蚀来除去光学纤维10的芯12。刻蚀毛坯之后，高铅含量玻璃包层14保留，从而形成微通道32，如图4所示。而且，支撑棒24保持为固体，并提供从管子22的固体边缘到微通道32的良好过渡。

附加工艺步骤包括玻璃毛坯的斜切和抛光。在对板进行刻蚀从而除去芯棒之后，对毛坯中的通道进行金属化和激活。

在微通道板的制造中，如上文附图2的相关描述和图5A的顶视图所示，芯/包层棒典型地堆叠成对称六边形结构。在捆16的内部，每一个芯/包层棒10被表述为环形物，标记为10。这些环形物紧密封装成六边形结构。

如果附图5A中的每一个环形物代表一个芯/包层对，那么，当包层壁受到刻蚀和环形物相互接触时损坏的通道壁会出现。就在损坏发生前，最大可能开口面积比(OAR)可以通过附图5B中的几何图计算得出，其中r是环状物10的半径，公式如下：

通道面积＝∏r²/2

最大OAR＝90.69％

当捆16堆叠形成一个毛坯(例如毛坯30)时，多个六边形捆16(附图5A)就堆叠并挤压一起以形成多边界区域，如图6A所示。这些多边界区域标记为60。

通过对图6A的仔细研究，可以看出多边界区域60很容易与各个六边形多纤维或捆16内部区别开。在各捆之间的接触面处，纤维10以一种正方形封装排列堆叠。该正方形封装排列的最大OAR可使用附图6B中的几何关系计算出，其中r是环状物10的半径，公式如下：

通道面积＝∏r²

虚线面积＝(2r)²

面积比＝∏r²/(4r²)＝∏/4

最大OAR＝78.5％

可以看到，六边形排列16(附图5A)的行封装与多边界区域60(附图6A)中正方形排列的行封装质检在可达到的最大OAR上是有很大不同的。前者达到的最大OAR为90.7％，而后者达到的最大OAR只有78.5％。

由于可达OAR必须有一个安全裕度(各纤维间接触面上的材料是必须的)，目前毛坯制作成达到63％的OAR。另外，损坏的通道壁还可能出现。

本发明，如下所述，提供了一种堆叠捆的方法，使得毛坯中多边界区域的正方形行封装最小化甚至消失。这样以来增加了毛坯制造中的OAR。本发明提供一种毛坯，该毛坯可以持续进行该多边界区域的六边形紧密行封装。另外，有利地，捆不再需要用半个通道来替换，可以一个捆挨着相邻的一个捆。本发明描述如下。

发明内容

为满足这个以及其它的需要，鉴于其目的，本发明提供了一种微通道板(MCP)的结构。该结构包括了大量的多纤维体，每个多纤维体中的纤维都以对称六边形结构排列成行，其中每个六边形结构都有边界。除了大量的多纤维体外，单行的纤维沿该多纤维体中各自的边界添加。

一个多纤维体和位于相应多纤维体上的单行纤维形成了纤维的非对称六边形排列。每个多纤维体包括沿着第二行纤维堆叠的第一行纤维，其中第一行中的一个纤维是挨着第二行的两个纤维堆叠的，因此纤维形成了一种三角形状。每个多纤维体包括形成各自的边界的一行边界纤维，且单行纤维中的一个纤维是挨着该边界纤维中的两个纤维堆叠的，从而形成了一种三角形状纤维。这种三角形状纤维形成了至少是90％的最大开口面积比(OAR)。

各行纤维均包括芯纤维和包层纤维，其中包层纤维包围着芯纤维。单行纤维和多纤维体配置成形成一个毛坯，在MCP的制造中该毛坯配置成用于切割。

本发明的另一个实施例包括一种用于制造微通道板(MCP)的毛坯。该毛坯包括至少两组纤维行，每组设置成形成一种六边形的纤维边界，且附加的一纤维行被置于这两组六边形纤维边界之间。每组都包括一水平方向的纤维行，其包括六边形纤维边界的一部分。附加的纤维行包括一水平方向的纤维行，且该附加纤维行被堆叠于该水平方向的纤维边界的顶部。该纤维边界的水平方向的纤维行中的一个纤维堆叠成相邻于上述附加纤维行中的两个连续纤维，从而形成了一种纤维的三角形态。这种纤维的三角形态形成了一个至少为90％的最大开口面积比(OAR)。

本发明的另一个实施例是一种用于微通道板(MCP)的毛坯的制造方法。该方法包括以下步骤：(a)形成至少第一和第二组多纤维体，每一组都有以对称六边形结构排列的水平纤维行；(b)在上述第一组的顶部形成一单独纤维行；且(c)将上述第二组置于该单独纤维行的顶部。

形成单独纤维行包括将该单独纤维行的每个纤维都堆叠于第一组顶部的两个相邻的纤维之间。放置第二组包括调整该第二组以便第二组的纤维被置于一单独纤维行中的两个相邻纤维之间。

形成至少第一和第二组包括将具有芯和包层的纤维封装成以对称六边形结构排列的水平纤维行。封装纤维包括通过使一行中的一个纤维置于相邻较低行中的两个纤维之间而将一纤维行堆叠于另一纤维行的顶部，从而形成一种纤维的三角形态。

该方法还包括以下步骤：形成多组多纤维体，每组都有以对称六边形结构排列的水平方向的纤维；将这些组排列成星状式样；并且在将其他组设置于星状式样的组的顶部之前，分别在星状式样的组的顶部形成水平的单独纤维行。

该方法还包括了将毛坯切割为多个MCP的步骤。

可以理解，上面的大概描述以及下面的具体描述对本发明来说都是示例性而非限制性的。

附图说明

在阅读以下详细说明结合下列附图时，本发明可以被最好地理解，在附图中：

图1是制造微通道板中使用的纤维的局部视图。

图2是制造微通道板所用的一捆如图1所示纤维的局部视图。

图3是封装毛坯的截面图。

图4是微通道板的局部剖视图。

图5A和5B描述了形成三角形态的纤维堆叠的对称六边形状的多纤维体(或捆)。

图6A和6B描述了多个六边形状的多纤维体(或捆)，在相邻的多纤维体(或捆)之间的边界区域形成正方形状的纤维堆叠。

图7A和7B所示为根据本发明的实施例的一种纤维的堆叠排列。

图8所示为根据本发明排列的纤维堆叠与以传统方法排列的纤维堆叠在高度上的一种比较。

具体实施方式

本发明涉及形成一种具有增大开口面积比(OAR)的MCP，这通过使用具有(a)对称六边形式样的捆(或多纤维体)和(b)附加在每捆的多边界区域上的一单独纤维行堆叠而成的毛坯来实现。正如所解释的，采用这种(a)六边形排列的捆和(b)为每个捆所附加的一单独纤维行的组合，使得MCP中的多个水平纤维行形成了一种三角形态的纤维(如图5所示)。而图6B中所示纤维的正方形态被最小化或者消除。

参照图7A和7B，所示为本发明的一个实施例。如图，每个捆16包括MCP的多个起始纤维10。起始纤维10包括玻璃芯12和包围该芯的玻璃包层14(如图1所示)。每个捆16包括对称六边形状排列的纤维10。形成捆16的六边形周界的纤维外线(未标记)此处称为纤维的边界。置于纤维边界的每个顶行上的是附加的一水平纤维行，标记为70。尽管捆16是一个对称六边形式样，当行70加到捆16顶行之上，该纤维的封装结构就变得不再对称。图7A中该不对称的纤维式样通常被标记为73。

下面参照图7B，所示为多个捆16的一种排列，其中每个捆16都包括一由纤维10构成的附加单独行70，其中后者被封装在每个捆16的顶行纤维之上。这种如图7B所示的不对称的纤维式样，通常标记为75。

值得注意的是，正如此前参照图3和4所描述的，在堆叠构成MCP毛坯所需的更多捆16和更多单独行70的过程中，这种纤维式样75是一个开始。

如参照图3描述的，捆16被置于玻璃管22中。几百个捆16被封装在玻璃管22的内径通孔中。但是，如图7中所示的结构与图3所示结构的一个变化在于，将一附加的单独水平纤维行70封装在每个捆16的水平纤维边界的顶部上。

如参照图3和4描述的，形成管22中的最外层纤维的每个捆16被替换为一种支撑棒24。可通过将支撑棒24的一端贴紧捆16的一端，并让支撑棒24挤压捆16，直至捆16被挤出管22而得以实现。当所有外部的捆16被支撑棒24取代时所形成的这种组件被称为毛坯。

毛坯30在制作边缘玻璃和纤维光学元件的固体毛坯的加热过程中被熔合到一起。接着熔合后的毛坯被切片或者切块成薄横截面的板。该可能称为圆片(wafer)的熔合毛坯切片的平坦端表面被研磨和抛光。

为了形成微通道，光学纤维10的芯12通过用稀盐酸蚀刻而被移除。在蚀刻毛坯后，高含铅量的玻璃包层14得以存留以形成了微通道32，如图4所示。同时，支撑棒24保持坚固且提供了由管22的坚固边缘到微通道32的良好过渡。

参照图7A和7B，通过仔细研究可以看出，水平行70被封装在每个捆16的顶端水平边界行的顶部。每个行70中的纤维10被静置于捆16的顶端水平边界行的两个相邻纤维10之间。由此，结构73和结构75中所示的所有纤维10均被封装形成了如图5B中所示的三角形态纤维。这一结构产生了90.7％的最大可达OAR。

值得注意的是，行70被灰色标暗仅为了说明的目的。一旦捆和附加行被堆叠起来，六边形的紧密包装就会维持并且纤维10的所有行都被排成相邻纤维所需要的三角形态。如果该标黑的阴影被除去，则很难区分交界面(或多边界区域)。另一方面，在如图6A所示的以传统方式封装的捆16中，由于在多边界区域60中纤维行呈得到的正方形状，该多边界区域60很容易辨别。

最后参照图8，所示为本发明的结构80和通过传统封装方法形成的结构82之间的高度差ΔY。值得注意的是，纤维10的定向可被控制，从而每个捆的顶端水平边界行及其附加单独水平行在被封装入玻璃管22时是已知的。

如果每个行70在其被***玻璃管22之前而被加到每个捆16的边界行，那么纤维的定向就可通过简单地标记多纤维体的不对称面而得到控制。

本发明更好地提供了一种MCP，由于增大了可达的OAR，MCP具有减小的噪声系数和增加的信/噪比。由于增大了可达的OAR值，本发明同时实现束晕强度(halo intensity)(大约×2)的降低。

尽管堆叠的捆和它们各自的附加单独行被描述成关于使用玻璃管22的圆形MCP的构成(图3)，然而本发明并不旨在限于圆形MCP。MCP的不同尺寸和不同形状可通过使用不同尺寸和不同形状的玻璃容器固定纤维而得以实现，因为它们可被堆叠成想要的式样。

尽管本发明在本文是参照特定实施例进行说明和描述的，但本发明并不旨在仅限于所示的具体内容。更确切地，在不违背本发明的情况下，在本权利要求的范围和及其等效物的范围内，可以实现对具体内容的各种修改。

Claims (19)

1.一种微通道板结构，包括：

多个多纤维体，每个多纤维体具有以对称六边形结构排列的纤维行，每个六边形结构都有一个边界，以及

除多个多纤维体之外的多个单独纤维行，

其中每个单独行沿着多纤维体的相应边界设置。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

一多纤维体和一单独纤维行形成一种非对称六边形的纤维排列，一单独纤维行沿着相应的多纤维体设置。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

每个多纤维体包括沿着第二纤维行封装的第一纤维行，并且

第一纤维行中的一个纤维被封装成相邻于第二纤维行中的两个纤维，从而形成一种三角形态的纤维。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

每个多纤维体包括形成各自的边界的一行边界纤维，并且

单独纤维行中的一个纤维被封装成相邻于上述边界纤维中的两个纤维，从而形成一种三角形态的纤维。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于：

三角形态的纤维形成了至少为90％的最大开口面积比。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

上述纤维行包括芯纤维和包层纤维，其中包层纤维围绕着该芯纤维。

7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

多个单独纤维行和多个多纤维体构造形成为一个毛坯，并且

该毛坯在微通道板的制造中被进行切片。

8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：

单独的纤维行被置于多纤维体的两个相邻边界行之间，并且

该单独行中的一个纤维被封装于多纤维体的两个相邻行之一中的两个纤维之间、以及封装于多纤维体的两个相邻行中的另外一行中的两个纤维之间，从而形成三角形态的纤维。

9.一种用于制造微通道板的毛坯，包括：

至少两组纤维行，每组排列形成一个六边形状的纤维边界，并且

一附加的纤维行被置于上述两组六边形状的纤维边界之间。

10.根据权利要求9所述毛坯，其特征在于：

每组包括一水平方向的纤维行，所述水平方向的纤维行包括上述六边形状的纤维边界中的一部分，

上述附加纤维行包括一水平方向的纤维行，并且

该附加纤维行被封装于该水平方向纤维边界的顶部。

11.根据权利要求10所述毛坯，其特征在于：

纤维边界中水平方向纤维行的一个纤维被封装成相邻于附加纤维行中两个连续的纤维，从而形成一种三角形态的纤维。

12.根据权利要求11所述毛坯，其特征在于：

上述三角形态的纤维形成了至少为90％的最大开口面积比(OAR)。

13.根据权利要求10所述毛坯，其特征在于：

至少两组中的另一组的另一个水平方向的纤维行被封装在上述附加纤维行的顶部，从而形成另一个三角形态的纤维。

14.根据权利要求9所述毛坯，其包括：

多组纤维，每组包括一水平方向的边界纤维行，以及

多个附加的纤维行，每一附加纤维行被封装在各自水平方向边界纤维行的顶部。

15.一种用于微通道板的毛坯的制造方法，包括以下步骤：

形成至少第一和第二多纤维体堆叠，每个堆叠具有以对称六边形结构排列的水平纤维行，

在第一堆叠的顶部形成一单独纤维行，并且

将第二堆叠放置于该单独纤维行的顶部。

16.根据权利要求15所述方法，其特征在于：

形成单独纤维行包括将该单独纤维行中的每个纤维堆叠在第一堆叠顶部的两个相邻纤维之间，并且

放置该第二堆叠包括调整该第二堆叠以便第二堆叠中的纤维被置于上述单独纤维行中的两个相邻纤维之间。

17.根据权利要求15所述方法，其特征在于：

形成至少第一和第二堆叠包括将具有芯和包层的纤维封装成以对称六边形结构排列的水平纤维行。

18.根据权利要求15所述方法，其特征在于：

封装纤维包括通过使一纤维行中的一个纤维置于相邻较低纤维行中的两个纤维之间而将一纤维行堆叠于另一纤维行的顶部，从而形成一种三角形态的纤维。

19.根据权利要求15所述方法，包括以下步骤：

将毛坯切片以形成多个微通道板。

Images