一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件及其制备方法

1.本技术涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着玻璃毛细管的发展，人们成功利用玻璃毛细管实现了对x射线进行会聚。现有的玻璃毛细管为中空型，玻璃管的内表面作为反射面，实现x射线在玻璃毛细管内的外全反射，从而实现对x射线的会聚。
3.但是，由公式可知，在反射材料密度一定的情况下，x射线的能量e越高，全反射临界掠射角越小，玻璃毛细管的传输效率越低，聚焦效果越差，因此，对于中空的玻璃毛细管，只能对能量范围为0.2～40kev的x射线进行有效会聚，普通实验室x光机采用电子轫致辐射的方式产生x射线，其能谱是分布范围较大的连续谱并且不具备线偏振特性，发出的x射线束大都是发散形，传统的中空型玻璃毛细管并不能对这些发散的宽能段x射线进行很好的聚焦，存在能量不足、亮度不够、相干性不强且线偏振性不足等问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件及其制备方法。
5.一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件，其特征在于，包括：玻璃实心构件和金属膜；
6.所述玻璃实心构件为玻璃制成的实心椭球单毛细管，用于传输和汇聚光线，所述玻璃实心构件为轴对称结构，外表面经抛光处理，沿轴方向的外形母线满足椭球方程，在长轴方向截去两端形成两个圆形端面；
7.所述玻璃实心构件长轴两侧的圆形端面分别为光入口端和光出口端，所述光入口端用于接收光线，所述光出口端用于输出光线；
8.所述金属膜均匀附着在玻璃实心构件外侧，所述玻璃实心构件外侧包含除光入口端和光出口端以外的全部区域；
9.所述玻璃实心构件与金属膜的接触面构成全反射面，所述全反射面用于光线从所述光入口端输入后，在所述玻璃实心构件与金属膜的接触面上发生全反射，汇聚在所述光出口端。
10.在其中一个实施例中，玻璃实心构件的材质为轻质玻璃，包含锂、铍、硼中的一种或多种元素。
11.在其中一个实施例中，金属膜包含钨、金、铂中的一种或多种元素。
12.在其中一个实施例中，当所述玻璃实心构件的长半轴为200mm时，短半轴的取值区间是0.07-0.2mm，当所述玻璃实心构件的长半轴为1000mm时，短半轴的取值区间是0.33-1.0mm。
13.在其中一个实施例中，玻璃实心构件的密度为2.2-2.5g/cm3。
14.一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
15.选取没有气泡、条纹和结石的实心玻璃管作为玻璃母管；
16.加热所述玻璃母管，制成直径为1-5mm的玻璃单管；
17.拉制所述玻璃单管，制成实心椭球单毛细管，所述实心椭球单毛细管为轴对称结构，沿轴方向的外形母线满足椭球方程；
18.对所述椭球单毛细管表面进行抛光处理；
19.在所述椭球单毛细管表面镀上厚度为0.1-0.5mm的金属薄膜；
20.在所述椭球单毛细管的长轴方向截去两端形成两个圆形端面，所述两个圆形端面分别为光入口端和光出口端；
21.对所述光入口端和光出口端做抛光处理。
22.在其中一个实施例中，加热玻璃母管，制成直径为1-5mm的玻璃单管，包括：
23.将所述玻璃母管放入拉丝机中，所述拉丝机由拉丝炉、送料机构、拉丝机构、电控系统四大部分组成；
24.把玻璃母管一端插入送料机构的三抓头上夹紧，另一端插入加热炉中，调节送料机构的升降机高度，使玻璃管伸入炉中的中间位置；
25.提高加热炉温度直至玻璃母管的软化温度，使玻璃母管由自身重量逐渐下垂成为细丝，将所述细丝插入拉丝机构的拉丝轮之间，由拉丝轮牵引，拉丝向下，制成玻璃单管。
26.在其中一个实施例中，拉制玻璃单管，制成椭球单毛细管，包括：
27.固定拉丝机的送料速度，改变拉丝速度，往下拉出平行束透镜形状，接着拉成有足够的长度的平行段，停止送料并逐步加快拉丝速度，使透镜形状越来越细且两端对称。
28.在其中一个实施例中，拉制玻璃单管，制成椭球单毛细管的过程，由手工完成，或者由机器根据编制的程序来完成。
29.在其中一个实施例中，在椭球单毛细管表面镀上厚度为0.1-0.5mm的金属薄膜，包括：
30.金属薄膜包括钨、金、铂中的一种或多种元素，由镀膜工艺完成，所述镀膜工艺是电化学法、物理气相沉积法、化学气相沉积法中的一种。
31.上述一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件及其制备方法，通过采用实心的玻璃构件作为x光传输介质，同时将金属薄膜镀在实心玻璃椭球单毛细管表面，使发散的x光线在光学器件内发生全反射，得到汇聚的x光线，同时利用玻璃材料可以对低能x射线进行的滤波的特性，以及对实心玻璃构件外侧进行抛光处理，提高了x射线的传输效率，减少光强损失，实现会聚得到能量较集中的高能量、高亮度、高相干和高线偏振特性的x光线。
附图说明
32.图1为一个实施例中一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件对发散x光束会聚作用的示意图；
33.图2为一个实施例中一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件结构示意图；
34.图3为一个实施例中一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件制备方法的流程示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.本技术提供的一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件，可以应用于对发散x光束进行会聚，如图1所示，其中，x光源放置于金属玻璃椭球单毛细管的前焦点a处，x光源发出的x光线在金属玻璃椭球单毛细管内进行多次全反射，最终汇聚与金属玻璃椭球单毛细管的后焦点b处。
37.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件，包括：
38.将金属玻璃椭球单毛细管水平放置，x光源置于金属玻璃椭球单毛细管的前焦点处，发出发散的x光线，其中，金属玻璃椭球单毛细管由玻璃实心构件101和金属膜102组成；
39.玻璃实心构件为玻璃制成的椭球单毛细管，用于传输和汇聚x光线，椭球单毛细管为轴对称结构，沿轴方向的外形母线满足椭球方程，即纵向截面的两组对边中一组短边对边为平行线，另一组长边对边为开口相对的弧形，该弧形遵循椭球曲线方程，也就是说，玻璃实心构件为椭球形在长轴方向截去两端后的椭球台。
40.玻璃实心构件的长轴两侧分别为光入口端和光出口端，x光线从光入口端入射到椭球单毛细管内，在经过椭球单毛细管传输，从光出口端输出；
41.金属膜均匀附着在玻璃实心构件外侧，外侧包含除光入口端和光出口端以外的全部区域；
42.玻璃实心构件与金属膜的接触面构成全反射面，x光线从光入口端输入后，在玻璃实心构件与金属膜的接触面上发生全反射，汇聚在光出口端外的焦点处。
43.本实施例中，如图1所示，金属玻璃椭球单毛细管光学器件两端的直径d1和d2可以相等也可以不等，焦距f1和f2也可以相等或不等。
44.上述提供了一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件，依据沃勒-德拜公式德拜公式可知，随着反射面的粗糙度逐渐变大，x射线的反射率r会明显变小，本实施例提供的金属玻璃椭球单毛细管光学器件，通过抛光处理改变了构成反射面的材料和减小反射面的粗糙度，实现会聚发散的高能x射线。同时，由于全反射临界掠射角与反射材料密度的平方根成正比，本实施例采用玻璃实心构件作为x光传输的媒介，可以对低能x射线过滤，得到能量范围更集中的高亮度、高相干和高线偏振特性的x射线。
45.在其中一个实施例中，为了进一步提高玻璃与金属的折射率差，增大全反射临界掠射角，即提高会聚高能x射线的能力，本实施例采用密度较低的轻质玻璃，该轻质玻璃至少包括含锂li、铍be、硼b等元素，例如，玻璃的成分如表1所示，包括：
46.表1一种轻质玻璃成分
47.成分含量sio275.5％b2o315.5％al2o33.4％fe2o30.08％
na2o4.7％k2o0.6％
48.在其中一个实施例中，x射线光源发出的x光能量为80kev，金属玻璃椭球单毛细管光学器件中玻璃的密度为2.2g/cm3，金属为金，当长半轴为200mm时，短半轴长度在区间(0.07，0.2)mm，输入发散x射线时，金属玻璃椭球单毛细管能够将x射线进行会聚在后焦点处。
49.本技术还提供一种金属玻璃椭球单毛细管光学器件的制备方法，流程如图3所示，包括以下步骤：
50.步骤302，选取没有气泡、条纹和结石的实心玻璃管作为玻璃母管。
51.采用密度较低的轻质玻璃，玻璃的成分如表1所示。步骤304，加热玻璃母管，制成直径为1-5mm的玻璃单管。
52.在拉制过程中，首先将玻璃母管放入拉丝机中，拉丝机由拉丝炉、送料机构、拉丝机构、电控系统四大部分组成，把玻璃母管一端插入送料机构的三抓头上夹紧，另一端插入加热炉中，调节送料机构的升降机高度，使玻璃管伸入炉中的中间位置，提高加热炉温度直至玻璃母管的软化温度，使玻璃母管由自身重量逐渐下垂成为细丝，将细丝插入拉丝机构的拉丝轮之间，由拉丝轮牵引，拉丝向下，制成直径为1-5mm的玻璃单管。
53.步骤306，拉制玻璃单管，制成椭球单毛细管，椭球单毛细管为轴对称结构，沿轴方向的外形母线满足椭球方程。
54.拉制玻璃单管的过程中，固定拉丝机的送料速度，改变拉丝速度，往下拉出平行束透镜形状，接着拉成有足够的长度的平行段，停止送料并逐步加快拉丝速度，使透镜形状越来越细且两端对称，该椭球单毛细管任一点的横截面为圆，纵向截面的两组对边中一组短边对边为平行线，另一组长边对边为开口相对的弧形，该弧形遵循椭球曲线方程。
55.步骤308，对椭球单毛细管表面进行抛光处理；
56.步骤310，通过物理气相沉积法在椭球单毛细管表面镀上厚度为0.1-0.5mm的金薄膜；
57.步骤312，在椭球单毛细管的长轴方向截去两端形成两个圆形端面，两个圆形端面分别为光入口端和光出口端；
58.步骤314，对光入口端和光出口端做抛光处理。
59.在其中一个实施例中，拉制玻璃单管，制成椭球单毛细管的过程，由机器根据编制的程序来完成。
60.应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
61.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
62.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。