CN109637691B

CN109637691B - 一种二值化x光选能器件及其制备方法

Info

Publication number: CN109637691B
Application number: CN201811529651.4A
Authority: CN
Inventors: 曹柱荣; 王强强; 陈韬; 邓克立; 邓博; 袁铮; 黎宇坤
Original assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Laser Fusion Research Center China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109637691A

Abstract

一种二值化X光选能器件，涉及X光选能领域，其由对X光的透过呈二值化分布的光学单元周期堆砌而成，具体为柱状的X光反射元和柱状的X光吸收元。X光反射元为空心结构，内壁镀有反射层，低能X光可以X光反射元中传输并被通道内壁反射，得到低通高阻的选能效果。X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂，可以对高能X光进行吸收，提高选能效率和成像及探测的信噪比。一种二值化X光选能器件的制备方法，其将反射元单丝和吸收元单丝在套管内进行堆积组合，得到复丝棒；再对复丝棒进行热拉伸，切割，热熔合，腐蚀，沉积金属等步骤，得到二值化X光选能器件。其操作简单方便，对设备要求低，制备过程的可控性高，精度高。

Description

一种二值化X光选能器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及X光选能领域，具体而言，涉及一种二值化X光选能器件及其制备方法。

背景技术

在以激光-等离子体相互作用为基础的高能量密度物理基础研究、实验室天体物理、惯性约束聚变等研究领域，通过探测或成像方式获取X光辐射的时间、空间和光谱信息是研究等离子体物质状态的重要手段。通常，等离子体的X光辐射是由轫致辐射、线辐射和复合辐射等过程形成的宽谱辐射，而要实现对等离子体物态的精细表征则必须对特定光谱区间的X光辐射进行独立探测或成像。如在间接驱动惯性约束聚变研究中，对黑腔的N带(0.5～1keV)和M带(1.6～3.5keV)辐射进行独立成像是研究激光注入、光斑运动等物理过程的基本要求。

通常，可用罗斯滤片(复合金属滤片)或“掠入射平面镜+单层金属滤片”实现X光的选能。罗斯滤片由两种Z值相邻的金属薄膜组成，通过两种材料吸收边的差异实现选能。这种方式对硬X光具有很高的透过率，其作为探测或成像***的选能器件时存在不可避免的高能X光噪声。掠入射平面镜结合单层金属滤片是目前应用最多的X光选能方法，利用金属滤片的高通特性及掠入射反射镜的低通特性来实现选能。但该方法存在的主要问题是：1)因光路非同轴，不同通道之间存在视角差异；2)掠入射角度一般小于10°，为覆盖所有入射X光，镜面必须足够大，一方面占据了较大空间立体角，提高了通道数扩展的难度，另一方面所得图像不同区域能谱一致性差；3)光路结构复杂，存在装配难度高和可维护性差等问题。

采用微通道板可实现对X光的透射选能，这是近年来X光光学发展的新思路。软X光在微通道中传输并被通道内壁反射，得到低通高阻的选能效果。在该选能方案中，光源、选能器件和记录设备处于同一光轴上，从原理上解决了基于平面镜的选能光路因光路非同轴而存在的许多缺陷。然而，微通道板器件主要用来实现电子增益放大，其结构中没有可实现高能X光吸收的光学单元，入射光中的高能成分或者穿透多层通道壁形成通道串扰进而降低成像空间分辨，或者直接穿过这个器件而被探测器或图像记录设备记录，形成高能直穿噪声。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二值化X光选能器件，其由二值化的X光微型光学单元周期排布而成，其即可以实现对软X光的透射选能，又能吸收高能X光，抑制X光在器件中传输的体效应，进一步提高选能效率和成像及探测的信噪比。

本发明的另一目的在于提供一种二值化X光选能器件的制备方法，其操作简单方便，对设备要求低，能够高效用于制备上述二值化X光选能器件。

本发明的实施例是这样实现的：

一种二值化X光选能器件，其由多个柱状的X光反射元，以及多个柱状的X光吸收元堆砌而成；X光反射元为空心结构，其内壁设置有反射层；X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂。

一种上述二值化X光选能器件的制备方法，其包括：

S1.将反射元单丝和吸收元单丝在套管内进行堆积组合，得到复丝棒；

其中，套管和吸收元单丝均由耐腐蚀材料制备得到，反射元单丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳由耐腐蚀材料制备得到，内芯由易腐蚀材料制备得到；

S2.对复丝棒进行热拉伸，切割；

S3.将切割后的复丝棒排列到排屏模具中，热熔合形成选能器件的半成品；

S4.腐蚀掉反射元单丝的内芯，以在半成品中形成孔洞；

S5.在半成品的孔洞内沉积金属形成反射层，得到二值化X光选能器件。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种二值化X光选能器件，其由多个柱状的X光反射元，以及多个柱状的X光吸收元堆砌而成。其中，X光反射元为空心结构，内壁镀有反射层，软X光可以X光反射元中传输并被通道内壁反射，得到低通高阻的选能效果。同时，X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂，可以对高能X光进行吸收，提高选能效率和成像及探测的信噪比。

本发明实施例还提供了一种上述二值化X光选能器件的制备方法，其将反射元单丝和吸收元单丝在套管内进行堆积组合，得到复丝棒；再对复丝棒进行热拉伸，切割，热熔合，并腐蚀掉反射元单丝的内芯，以在选能期间的半成品中形成孔洞；最后，在半成品的孔洞内沉积金属形成反射层，得到上述二值化X光选能器件。该制备方法的操作简单方便，对设备要求低，并且制备过程的可控性高，精度高，能够高效用于制备上述二值化X光选能器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1所提供的二值化X光选能器件的示意图；

图2为本发明实施例1所提供的二值化X光选能器件的剖视图；

图3为本发明实施例2所提供的二值化X光选能器件的示意图；

图4为本发明实施例2所提供的二值化X光选能器件的剖视图；

图5为本发明实施例1所提供的二值化X光选能器件的软选能与高能截止效果曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种二值化X光选能器件及其制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供了一种二值化X光选能器件，其由多个柱状的X光反射元，以及多个柱状的X光吸收元堆砌而成；X光反射元为空心结构，其内壁设置有反射层；X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂。软X光可以在X光反射元中传输并被通道内壁反射，得到低通高阻的选能效果。X光吸收元可以对高能X光进行吸收，提高选能效率和成像及探测的信噪比。

进一步地，X光反射元的高度为50～5000μm，横截面为圆形或矩形；当X光反射元的横截面为圆形时，其直径为5～20μm；当X光反射元的横截面为矩形时，其边长为5～20μm。

反射层是由Au、Ag、C、Ni、Mo和Al中的至少一种所形成的镀层。在实际使用时，可根据所需的选能能段来选择合适的镀层金属。优选地，形成镀层金属的方式可以采用原子沉积，通过精细控制沉积工艺条件，来确保反射层的均匀性。

同样地，X光吸收元的高度为50～5000μm，横截面为圆形或矩形；优选地，X光吸收元的横截面为圆形时，其直径为5～20μm，X光吸收元的横截面为矩形时，其边长为5～20μm。

X光吸收剂可以是任意具备吸收高能X光能力的材料，例如，X光吸收剂包括PbO；进一步地，当采用PbO作为X光吸收剂时，其在X光吸收元中的含量大于30wt％，以达到所需的吸收效果。

为了达到更好的堆砌效果，X光反射元和X光吸收元在尺寸上应保持一致。也即是说，X光反射元和X光吸收元的长度、横截面应保持一致。

在进行堆砌时，X光反射元和X光吸收元的轴线方向保持平行，X光反射元和X光吸收元交替分布。即在每个X光反射元的四周均排布有X光吸收元，每个X光吸收元的四周均排布有X光反射元，以达到更好的选能效率。此外，X光反射元和X光吸收元的轴线方向与该二值化X光选能器件输入面的法线方向可以存在一定的夹角，其角度范围在0～10度。

本发明实施例还提供了一种上述二值化X光选能器件的制备方法，其包括：

其中，套管和吸收元单丝均由耐腐蚀材料制备得到，反射元单丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳由耐腐蚀材料制备得到，内芯由易腐蚀材料制备得到。

进一步地，在实际操作时，可以采用耐腐蚀材料制成的外管以及易腐蚀材料制成的芯体组合成芯棒组合体，再通过热拉伸，来制备得到反射元单丝。与此同时，可以采用耐腐蚀材料制成的外管以及掺杂有X光吸收剂的耐腐蚀材料制成的芯体组合成芯棒组合体，再通过热拉伸，来制备得到吸收元单丝。用以制备反射元单丝和吸收元单丝的外管可以采用同样规格，以便进行批量生产，降低生产成本。

其中，耐腐蚀材料为高铅硅酸盐玻璃，其具体成分包括二氧化硅、碱金属(Li，Na，Ka等)氧化物、氧化铅等，其中氧化铅含量达40％；易腐蚀材料为含钡的硼酸盐玻璃材料。值得注意的是，用腐蚀机制来制备上述二值化X光选能器件只是本发明实施例提供的一种可行的制备方法，在本发明其它较佳实施例中，也可以采用其它机制，例如，可以采用耐高温材料来替代上述耐腐蚀材料，采用不耐高温材料来替代上述易腐蚀材料，通过提高温度使内芯熔化，来形成X光反射元的通道。

进一步地，对于圆形单丝，按照二值化排布要求，将单丝排列到六角形模具中形成复丝棒；对于方形单丝，按照二值化排布的要求将单丝排列到方形模具中形成复丝棒。

本发明实施例所提供的一种二值化X光选能器件的制备方法，还包括：

S2.对复丝棒进行热拉伸，切割。

对复丝棒进行热拉伸可以得到所需的横截面尺寸，对拉伸后的复丝棒进行切割可以得到所需的长度尺寸。其中，对复丝棒进行热拉伸的温度为550～650℃。温度和挤出速度的选择，跟所选的耐腐蚀材料和易腐蚀材料的性质有关，既要保证具有较佳的流动性，让挤出过程得以顺利完成，又要保证挤出后的产品能够保持形状。

S3.将切割后的复丝棒排列到排屏模具中，热熔合形成选能器件的半成品。

其中，热熔合的温度为500～700℃，时间为0.5～1h。热熔合的方式可以采用机械热熔压。热熔合可以使复丝棒和排屏模具形成一个整体。热熔合后可在抛光机上进行高精度抛光。

S4.腐蚀掉反射元单丝的内芯，以在半成品中形成孔洞；

其中，腐蚀的方式根据耐腐蚀材料和易腐蚀材料的选择而定，可以是酸腐蚀、碱腐蚀、溶剂腐蚀等。腐蚀过程中伴有超声振动，来加快腐蚀的进程。通过精细控制酸溶液的浓度和温度，来确保所有的易腐蚀材料溶解干净，腐蚀完用清水清洗并烘干。

在整个制备过程中，反射元单丝通过热拉伸、切割、溶解、镀金属层等过程，形成二值化X光选能器件中的X光反射元；而吸收元单丝通过热拉伸、切割等过程，形成二值化X光选能器件中的X光吸收元。本发明实施例的制备方法通过对反射元单丝和吸收元单丝的预先排列，再拉伸至所需尺寸，即可以简单方便，且高精度地得到有序排列的微通道结构，具有较大的应用潜力。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种二值化X光选能器件，参照图1和图2所示，其由多个X光反射元，以及多个X光吸收元交替堆砌而成。

其中，X光反射元为空心结构，其内壁设置有Ag镀层。高度为100μm，横截面为正方形，边长为5μm。

X光吸收元为实心结构，PbO含量为35wt％。高度为100μm，横截面为正方形，边长为5μm。

该二值化X光选能器件的制备方法包括：

S1.将反射元单丝和吸收元单丝在方形模具内进行堆积组合，得到复丝棒；

其中，套管和吸收元单丝均由含有碱金属氧化物的高铅硅酸盐玻璃制备得到，反射元单丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳由含有碱金属氧化物的高铅硅酸盐玻璃制备得到，内芯由含钡的硼酸盐玻璃制备得到。

S2.在温度为620℃的条件下对复丝棒进行热拉伸，直至横截面达到所需尺寸；将热拉伸后的复丝棒切割所需长度。

S3.将切割后的复丝棒排列到排屏模具中，采用机械热熔压在600℃下热熔合1h，热熔合后可在抛光机上进行高精度抛光，形成选能器件的半成品。

S4.将上述半成品置于HF酸或硝酸溶液中，置于HF酸溶液中时HF酸质量浓度为0.1％-1.5％，处理温度为30度，浸泡时间30s-200s；如置于硝酸溶液中，处理温度为25度，处理时间为60s～600s；经过腐蚀掉反射元单丝的内芯，以在半成品中形成孔洞，腐蚀完毕后用清水清洗并烘干。

S5.在半成品的孔洞内沉积金属Ag以形成反射层，得到上述二值化X光选能器件。

实施例2

本实施例提供了一种二值化X光选能器件，参照图3和图4所示，其由多个X光反射元，以及多个X光吸收元交替堆砌而成。

其中，X光反射元为空心结构，其内壁设置有Au镀层。高度为4000μm，横截面为圆形，直径为20μm。

X光吸收元为实心结构，PbO含量为40wt％。高度为4000μm，横截面为圆形，直径为20μm。

该二值化X光选能器件的制备方法包括：

其中，套管和吸收元单丝均由含有碱土金属氧化物的高铅硅酸盐玻璃制备得到，反射元单丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳与吸收元单丝套管相同，内芯由含钡的硼酸盐玻璃制备得到。

S2.在温度为550℃的条件下对复丝棒进行热拉伸，直至横截面达到所需尺寸；将热拉伸后的复丝棒切割所需长度。

S3.将切割后的复丝棒排列到排屏模具中，采用机械热熔压在550℃下热熔合1h，热熔合后可在抛光机上进行高精度抛光，形成选能器件的半成品。

S4.将上述半成品置于HF溶液中，于25℃下浸泡1h，腐蚀掉反射元单丝的内芯，以在半成品中形成孔洞，腐蚀完毕后用清水清洗并烘干。

S5.在半成品的孔洞内沉积金属Au以形成反射层，得到上述二值化X光选能器件。

试验例

采用实施例1所提供的二值化X光选能器件进行选能测试，测试结果如下：

输入光为同步辐射光源，覆盖0.2～5keV的宽谱X光信号。二值化器件倾斜角度为6度，使用标准探测器记录透射X光及源强，两者相除得到透过率曲线。二值化器件反射元和吸收元为方孔结构，横截面为正方形，边长10um。所得结果如图5所示，截止边为0.5keV，开关比(低能通带和高能截止带强度之比)大于10倍。

按上述实施范例外推，通过降低入射角度，截止边会向高能移动，可得到更高能的截止边。

综上所述，本发明实施例提供了一种二值化X光选能器件，其由多个柱状的X光反射元，以及多个柱状的X光吸收元堆砌而成。其中，X光反射元为空心结构，内壁镀有反射层，软X光可以X光反射元中传输并被通道内壁反射，得到低通高阻的选能效果。同时，X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂，可以对高能X光进行吸收，提高选能效率和成像及探测的信噪比。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二值化X光选能器件，其特征在于，由多个柱状的X光反射元，以及多个柱状的X光吸收元堆砌而成；所述X光反射元为空心结构，其内壁设置有反射层；所述X光吸收元为实心结构，其掺杂有X光吸收剂；

所述X光反射元和所述X光吸收元交替分布。

2.根据权利要求1所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述X光反射元的高度为50～5000μm，横截面为圆形或矩形。

3.根据权利要求1所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述X光反射元的横截面为圆形时，其直径为5～20μm，所述X光反射元的横截面为矩形时，其边长为5～20μm。

4.根据权利要求2所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述反射层是由Zn、Au、Ag、C、Ni、Mo和Al中的至少一种所形成的镀层。

5.根据权利要求1所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述X光吸收元的高度为50～5000μm，横截面为圆形或矩形。

6.根据权利要求5所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述X光吸收元的横截面为圆形时，其直径为5～20μm，所述X光吸收元的横截面为矩形时，其边长为5～20μm。

7.根据权利要求5所述的二值化X光选能器件，其特征在于，所述X光吸收剂包括PbO；所述X光吸收元中PbO的含量大于30wt％。

8.根据权利要求7所述的二值化X光选能器件，其特征在于，当PbO含量大于50wt％时吸收元对5～15KeV的硬X光具有更好的阻挡效果。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的二值化X光选能器件的制备方法，其特征在于，包括：

其中，所述套管和所述吸收元单丝均由耐腐蚀材料制备得到，所述反射元单丝包括相互套设的外壳和内芯，所述外壳由耐腐蚀材料制备得到，所述内芯由易腐蚀材料制备得到；

S2.对所述复丝棒进行热拉伸，切割；

S3.将切割后的所述复丝棒排列到排屏模具中，热熔合形成选能器件的半成品；

S4.腐蚀掉所述反射元单丝的所述内芯，以在所述半成品中形成孔洞；

S5.在所述半成品的所述孔洞内沉积金属形成所述反射层，得到所述二值化X光选能器件。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述耐腐蚀材料为掺杂有碱金属氧化物和/或碱土金属氧化物的高铅硅酸盐玻璃；所述易腐蚀材料包括为含钡的硼酸盐玻璃。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，对所述复丝棒进行热拉伸的温度为550～650℃，拉力为3KG。

12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，热熔合的温度为500～700℃，时间为0.2～1.2h。