一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法技术

一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，包括以下步骤：(一)X射线阵列组合折射透镜的制作，(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上；(二)X射线折光器的制作，X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置；(三)X射线光阑的制作，X射线光阑的结构尺寸根据X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波；(四)微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的装调，将X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜置于组件承载台上。本发明专利技术尺寸小、制作工艺简单、鲁棒性好、可批量加工、装调简便。

Fabrication method of miniaturized X ray array combined refractive lens integrated module

A method for fabricating a microminiaturized X-ray array composite refractive lens assembly includes the following steps: (1) fabrication of an X-ray array composite refractive lens, (M+1) layout of a combination refractive lens, so that all (M+1) X-ray combination refractive lens focus on the same position and on the optical axis; (2) X-ray emission. Making X-ray refractor, X-ray refractor and the X-ray array combination refractive lens close to place; (3) X-ray diaphragm fabrication, X-ray diaphragm structure size according to the X-ray array combination refractive lens structure size, to achieve the first shaping and filtering of the incident X-ray beam; (4) miniaturized X-ray array group The X-ray diaphragm, X-ray refractor and X-ray array combination refractive lens are placed on the bearing platform of the assembly. The invention has the advantages of small size, simple manufacturing process, good robustness, batch processing and easy adjustment.

【技术实现步骤摘要】
一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法
本专利技术涉及X射线探测和成像领域，尤其是一种用于微束X射线荧光分析系统的新型X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法。
技术介绍
X射线荧光(XRF，X-RayFluorescence)分析系统能在常压下对各种形态(固态/液态/粉末等)样品进行简单快速、高分辨率和无损的元素定量测量分析。而微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)因其具有更高的微区分辨率而受到广泛关注。微束X射线荧光分析系统(micro-XRF)通常都需要配备X射线聚焦器件。使用了X射线聚焦器件的X射线荧光分析系统，虽然微区分辨率大幅度提高(通常可以提高一个数量级以上)，但计数率会下降，影响了探测灵敏度。已有技术基于X射线毛细管器件的荧光光谱仪(专利号：201010180956.6)，使用X射线毛细管器件进行聚焦，微区分辨率通常只能达到几十微米，不仅微区分辨率不够高，且因计数率下降导致探测灵敏度也有一定程度的降低；同时结构复杂、尺寸庞大，无法实现便携。专利技术人之前也提出了一种便携式微束X射线荧光光谱仪(专利号：201310356270.1，是与本专利技术最接近的已有技术)，用X射线组合折射透镜获得探测微束，虽然微区分辨率大幅度提高，但计数率低，影响了探测灵敏度。X射线组合折射透镜是集成型微结构器件，数值口径小，X射线光管发出的光不能全部被组合透镜接收，不仅使得计数率降低、而且浪费了X射线光能量，还增加了噪声。如果能专利技术新的器件结构，尽可能多的利用X射线光管发出的X射线光，则不仅能大幅度增加计数率、进而提高探测灵敏度，同时还能降低能耗、减小噪声。
技术实现思路
为了克服已有X射线荧光光谱仪微区分辨率还不够高，特别是因计数率低而导致的探测灵敏度不够高，且结构复杂、尺寸庞大、无法实现便携的不足，在专利技术一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的基础上，本专利技术提供一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，为其在小型化微束X射线荧光分析系统中的应用奠定基础。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，所述微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上；所述制作方法包括以下步骤：(一)X射线阵列组合折射透镜的制作所述X射线阵列组合折射透镜中包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数。所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推；所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上。(二)X射线折光器的制作所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对阵列中各级X射线组合折射透镜进行不同角度的光线偏折，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射；(三)X射线光阑的制作所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，包括阻隔杂散光的外框，以及透光带和阻光带交替布置的滤波结构，通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束；(四)微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的装调将X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜置于组件承载台。进一步，所述步骤(一)中，所述(M+1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：X射线波段的光学常数：n＝1-δ+iβ(1)X射线组合折射透镜的焦距：X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：X射线组合折射透镜的数值口径：其中n代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为R0，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数，再进一步，所述步骤(一)中，X射线阵列组合折射透镜的制作过程为：步骤1：依据上述X射线阵列组合折射透镜的结构设计和布局，用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料和金材料的光刻掩模版备用，所述光刻掩模版包含(M+1)组X射线组合折射透镜，即零级和正负一级X射线组合折射透镜，正负一级X射线组合折射透镜的机械中心轴与X射线阵列组合折射透镜的光轴夹角为θ；步骤2：对玻璃基板进行清洁处理。步骤3：有机材料X射线阵列组合折射透镜制作，选择在X射线波段材料的吸收系数小的有机材料；步骤3.1：在清洁处理后的玻璃基板表面上自旋涂覆SU-8光刻胶，厚度范围200纳米至1000纳米；对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤1制成的铬材料X射线阵列组合折射透镜光刻掩模版，制成SU-8材料X射线阵列组合折射透镜；步骤3.2：在清洁处理后的玻璃基板表面生长PMMA材料薄膜，厚度范围500纳米至1500纳米。使用深度X射线光刻技术对生长好的PMMA材料薄膜进行X射线曝光，直至厚度尺寸满足要求，使用步骤1制成的金材料X射线阵列组合折射透镜光刻掩模版，制成PMMA材料X射线阵列组合折射透镜；步骤4：金属材料X射线阵列组合折射透镜制作；步骤4.1：在步骤2清洁处理后的玻璃基板表面上用溅射或蒸发方法生长一层铜或铝或金材料薄膜，作为电铸阴极薄膜；步骤4.2：在生长好的电铸阴极薄膜上自旋涂覆一层紫外正性光刻胶，并烘烤固化。在烘烤固化后的紫外正性光刻胶上自旋涂覆SU-8光刻胶，厚度范围200纳米至1000纳米；对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤1制成的铬材料X射线阵列组合折射透镜光刻掩模版，制成SU-8材料模具；步骤4.3：对经步骤4.2处理的样片进行清洗，并去除上表面暴露出的紫外正性光刻胶；步骤4.4：将经步骤4.3处理的样片放入电铸液中进行电铸，电铸金属材料为铜或镍或铁或铬。当电铸金属材料的厚度与SU-8光刻胶厚度相等时，取出样片并进行清洗，去除残留的电铸液；步骤4.5：将经步骤4.4处理的样片放入丙酮溶液中，去除紫外正性光刻胶及其上面的SU-8光刻胶，制成金属材料X射线阵列组合折射透镜。所述步骤(二)中，所述X射线折光器可选择折射特性满足下列公式的任何单质或化合物材料，X射线波段材料的折射系数：其中NA代表阿伏伽德罗常数，r0代表电子半径，λ代表波长，A代表原子质量，下标i表示化合物中的元素种类，下标j为正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，其特征在于：所述微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上；所述制作方法包括以下步骤：(一)X射线阵列组合折射透镜的制作所述X射线阵列组合折射透镜中包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数，所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推；所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上；(二)X射线折光器的制作所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对阵列中各级X射线组合折射透镜进行不同角度的光线偏折，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射；(三)X射线光阑的制作所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，包括阻隔杂散光的外框，以及透光带和阻光带交替布置的滤波结构，通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束；(四)微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的装调将X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜置于组件承载台上。...

【技术特征摘要】
1.一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，其特征在于：所述微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件包括用于进行X射线光束第一次整形和滤波的X射线光阑、用于进行X射线光束第二次整形为类平行光的X射线折光器、用于对入射的多个X射线子光束分别进行聚焦的X射线阵列组合透镜和组件承载台，所述组件承载台用于承载所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜，所述X射线光阑、X射线折光器和X射线阵列组合折射透镜依次位于同一光轴上，所述X射线阵列组合折射透镜的阵列结构布局，保证每一个子光束所形成的聚焦焦斑在同一位置并位于光轴上；所述制作方法包括以下步骤：(一)X射线阵列组合折射透镜的制作所述X射线阵列组合折射透镜中包含(M+1)个X射线组合折射透镜，所述M为正整数且为偶数，所述X射线阵列组合折射透镜沿其光轴呈轴对称分布，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中零级X射线组合折射透镜的光轴重合，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负一级X射线组合折射透镜的光轴夹角为θ，所述X射线阵列组合折射透镜的光轴与阵列中的正负二级X射线组合折射透镜的光轴夹角为2θ，依此类推；所述X射线阵列组合折射透镜中(M+1)个组合折射透镜的布局结构，使得所有(M+1)个X射线组合折射透镜聚焦的焦斑在相同位置，且位于光轴上；(二)X射线折光器的制作所述X射线折光器与所述X射线阵列组合折射透镜贴近放置，实现入射X射线光束的第二次整形，所述第二次整形，是指X射线折光器可对阵列中各级X射线组合折射透镜进行不同角度的光线偏折，最终实现对X射线阵列组合折射透镜中每一个单一组合折射透镜的类平行光入射；(三)X射线光阑的制作所述X射线光阑的结构尺寸，根据所述X射线阵列组合折射透镜的结构尺寸确定，实现入射X射线光束的第一次整形和滤波，包括阻隔杂散光的外框，以及透光带和阻光带交替布置的滤波结构，通过滤波结构将X射线光波分裂成多个子光束；(四)微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的装调将X射线光阑、X射线折光器、X射线阵列组合折射透镜置于组件承载台上。2.如权利要求1所述的一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，其特征在于：所述步骤(一)中，所述(M+1)个X射线组合折射透镜的结构和性能参数，依据下列公式得出：X射线波段的光学常数：n＝1-δ+iβ(1)X射线组合折射透镜的焦距：X射线组合折射透镜的焦斑尺寸：X射线组合折射透镜的数值口径：其中n代表光学常数，δ代表X射线波段材料的折射，β代表X射线波段材料的吸收，N代表X射线组合折射透镜中折射单元的个数，以抛物面型折射单元为例，组合折射透镜抛物面顶点的曲率半径为R，抛物面的开口尺寸为R0，f代表X射线组合折射透镜的焦距，λ代表波长，μ代表X射线的线吸收系数，3.如权利要求1或2所述的一种微型化X射线阵列组合折射透镜集成组件的制作方法，其特征在于：所述步骤(一)中，X射线阵列组合折射透镜的制作过程为：步骤1：依据上述X射线阵列组合折射透镜的结构设计和布局，用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料和金材料的光刻掩模版备用，所述光刻掩模版包含(M+1)组X射线组合折射透镜，即零级和正负一级X射线组合折射透镜，正负一级X射线组合折射透镜的机械中心轴与X射线阵列组合折射透镜的光轴夹角为θ；步骤2：对玻璃基板进行清洁处理；步骤3：有机材料X射线阵列组合折射透镜制作，选择在X射线波段材料的吸收系数小的有机材料；步骤3.1：在清洁处理后的玻璃基板表面上自旋涂覆SU-8光刻胶，厚度范围200纳米至1000纳米；对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤1制成的铬材料X射线阵列组合折射透镜光刻掩模版，制成SU-8材料X射线阵列组合折射透镜；步骤3.2：在清洁处理后的玻璃基板表面生长PMMA材料薄膜，厚度范围500纳米至1500纳米；使用深度X射线光刻技术对生长好的PMMA材料薄膜进行X射线曝光，直至厚度尺寸满足要求，使用步骤1制成的金材料X射线阵列组合折射透镜光刻掩模版，制成PMMA材料X射线阵列组合折射透镜；步骤4：金属材料X射线阵列组合折射透镜制作；步骤4.1：在步骤2清洁处理后的玻璃基板表面上用溅射或蒸发方法生长一层铜或铝或金材料薄膜，作为电铸阴极薄膜；步骤4.2：在生长好的电铸阴极薄膜上自旋涂覆一层紫外正性光刻胶，并烘烤固化；在烘烤固化后的紫外正性光刻胶上自旋涂覆SU-8光刻胶，厚度范围200纳米至1000纳米；对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤1制成的铬材料X射线阵列组合折射透镜光...

【专利技术属性】
技术研发人员：董文，乐孜纯，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33