掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置

摘要

本发明提出一种掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置，包括真空加热炉、真空泵、控制柜、压力控制执行机构以及热弯模具机构，其中：热弯模具机构安置在真空加热炉的内部等温区内；压力控制执行机构位于真空加热炉的正上方，通过开口波纹管与真空加热炉相连接，压力控制执行机构输出的压力通过热弯模具机构施加到装载在热弯模具机构内的光学元件上；真空泵通过真空管路与真空加热炉相连接；所述控制柜用于热弯装置的压力、温度和真空度控制，其具有一个工控机，控制压力控制执行机构、真空加热炉以及真空泵的运行：热弯装置工作时，通过真空泵保持真空加热炉的等温区腔体内的真空度；真空加热炉在控制柜设定的温度区间范围内保持其等温区的温度；以及通过压力控制执行机构的运行使压力经由热弯模具机构施加到光学元件上来热弯光学元件。

说明书

技术领域

本发明属于微孔x射线光学元件技术领域，特别是一种掠入射型微孔x射线光学 元件的热弯装置。

背景技术

X射线具有波长短、能量大、穿透性强等特点。而且，在X射线波段几乎所有材 料的正入射反射率都很低。为了能够实现对X射线汇聚成像，通常会选择掠入射式成像 系统。目前尚未发现有关于微孔x射线光学元件的热弯装置的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置，适于制作不 同形状、不同曲率半径的微孔x射线光学元件。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置，包括真空加热炉、真空泵、控制柜、 压力控制执行机构以及热弯模具机构，其中：

热弯模具机构安置在真空加热炉的内部等温区内；

压力控制执行机构位于真空加热炉的正上方，通过开口波纹管与真空加热炉相连 接，压力控制执行机构输出的压力通过热弯模具机构施加到装载在热弯模具机构内的光 学元件上；

真空泵通过真空管路与真空加热炉相连接；

所述控制柜用于热弯装置的压力、温度和真空度控制，其具有一个工控机，控制压 力控制执行机构、真空加热炉以及真空泵的运行：热弯装置工作时，通过真空泵保持真 空加热炉的等温区腔体内的真空度；真空加热炉在控制柜设定的温度区间范围内保持其 等温区的温度；以及通过压力控制执行机构的运行使压力经由热弯模具机构施加到光学 元件上来热弯光学元件。

进一步的实施例中，前述热弯装置中，压力控制执行机构包括：电机、减速器、连 杆、丝杠以及压块，其中：

电机与控制柜电连接，接收控制柜发出的控制信号而通过电机输出轴输出旋转扭 矩；

减速器的输入端与电机输出轴连接，其输出端与连杆连接；

连杆将减速器输出的旋转扭矩传递到丝杠上，使得丝杠运动；

丝杠的临近真空加热炉的端头与所述压块固定，压块与丝杠同步运动；

压块的另一端与热弯模具机构连接，以将丝杠运动产生压力传递至热弯模具机构。

进一步的实施例中，前述热弯装置中，热弯模具机构包括：底座、热弯模具、定位 圈、下连杆以及上连杆，热弯模具由上模具和下模具构成，其中：

底座安置在真空加热炉的内部等温区内，热弯模具安装在底座的定位槽内，定位圈 安装在热弯模具上以固定热弯模具的上模具和下模具；

下连杆与定位圈紧固配合，设置在上模具的上方；

上连杆的一端通过螺纹与下连杆连接，其另一端与压力控制执行机构的压块相连 接；

通过前述压块而传递的压力依次经由上连杆、下连杆施加到热弯模具上，进而使得 装载在热弯模具的上模具与下模具之间的光学元件由平板变成球面。

进一步的实施例中，前述热弯模具机构中，所述热弯模具可拆卸地安装在底座的定 位槽内。

进一步的实施例中，所述压力控制执行机构的压块具有一中心孔，所述热弯模具机 构的上连杆的另一端通过该中心孔与压块紧固连接。

进一步的实施例中，所述热弯模具的材料为不锈钢，其线膨胀系数在30×10^-7～90 ×10^-7/℃。

进一步的实施例中，所述真空泵为无油真空泵，且真空度优于1×10^-2mbar。

根据本发明的改进，还提出一种利用前述热弯装置制备掠入射型微孔x射线光学元 件的方法，包括以下步骤：

步骤1、清洁热弯模具，将待加工的光学元件放置在热弯模具中，然后将热弯模具放 置在真空加热炉的等温区内的底座上；

步骤2、盖上真空加热炉的炉盖，利用真空泵抽真空，同时以一定的升温速率开始升 温，达到预定温度后，开始进入保温状态，保温一段时间后，开始加压，同时继续保温、 抽真空；

步骤3、当压力达到预定值(1kg～40kg)时，保压一段时间后，将压力卸却，进入 退火工序，消除光学元件中的应力；

步骤4、当光学元件的温度降到室温时，将热弯模具从真空加热炉中取出，热弯模具 开模去除制备好的微孔x射线光学元件。

进一步的实施例中，前述步骤2中，当温度达到预定温度后，保温时间至少为 120min。

进一步的实施例中，前述步骤3中，当压力达到预定值后，保压时间至少为20min。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是说明根据本发明某些实施例的掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置的结 构示意图。

图2是说明根据本发明某些实施例的热弯模具机构的结构示意图。

图3是说明根据本发明某些实施例的热弯模具的结构示意图。

图4是说明利用本发明图1所示的热弯装置所热弯形成的方形x射线微孔光学元件 的示意图。

图5是说明利用本发明图1所示的热弯装置所热弯形成的放射形x射线微孔光学元 件的示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的实施例，一种掠入射型微孔x射线光学元件的热弯装置， 包括真空加热炉1、真空泵2、控制柜3、压力控制执行机构4以及热弯模具机构5。

结合图1，热弯模具机构5安置在真空加热炉1的内部等温区内。

压力控制执行机构4位于真空加热炉1的正上方，通过开口波纹管与真空加热炉1 相连接，压力控制执行机构4输出的压力通过热弯模具机构5施加到装载在热弯模具机 构内的光学元件上。

真空泵2通过真空管路与真空加热炉1相连接。

控制柜3用于热弯装置的压力、温度和真空度控制，其具有一个工控机，控制压力 控制执行机构4、真空加热炉1以及真空泵2的运行：热弯装置工作时，通过真空泵2 保持真空加热炉的等温区腔体内的真空度；真空加热炉1在控制柜3设定的温度区间范 围内保持其等温区的温度；以及通过压力控制执行机构4的运行使压力经由热弯模具机 构施加到光学元件上来热弯光学元件。

结合图1所示，作为一个具体实例，压力控制执行机构4包括：电机4a、减速器 4b、连杆4c、丝杠4d以及压块4e。

电机4a与控制柜3电连接，接收控制柜3发出的控制信号而通过电机输出轴输出 旋转扭矩。

减速器4b的输入端与电机输出轴连接，其输出端与连杆4c连接。

减速器4b，例如定轴齿轮减速器或者行星齿轮减速器，用于对电机的旋转输出进行 降速，按照减速比进行减速，输出较低的转速。

连杆4c将减速器4b输出的旋转扭矩传递到丝杠4d上，使得丝杠4d运动。

丝杠4d的临近真空加热炉的端头与所述压块4e固定，压块4e与丝杠4d同步运动。

压块4e的另一端与热弯模具机构5连接，以将丝杠4d运动产生压力传递至热弯模 具机构5。

丝杠4d，优选采用滚珠丝杠。

结合图2所示，热弯模具机构5包括：底座6、热弯模具7、定位圈8、下连杆10 以及上连杆11。如图3所示，热弯模具7由上模具13和下模具14构成。

图示中，标号9表示待热弯的光学元件。

如图2，底座6安置在真空加热炉1的内部等温区内，热弯模具7安装在底座6的 定位槽内，定位圈8安装在热弯模具上以固定热弯模具的上模具3和下模具14。

下连杆10与定位圈8紧固配合，设置在上模具13的上方。

上连杆11的一端通过螺纹与下连杆10连接，其另一端与压力控制执行机构的压块 4e相连接。

通过前述压块4e而传递的压力依次经由上连杆11、下连杆10施加到热弯模具7上， 进而使得装载在热弯模具7的上模具13与下模具14之间的光学元件9由平板变成球面。

优选地，前述热弯模具机构5中，所述热弯模具7可拆卸地安装在底座的定位槽内。 如此，用户可以按照其意愿，制作各种不同种类的x射线光学元件：对于球面光学元件， 曲率半径从50mm至5000mm的范围内，形状可以是圆形或方形或其他任意需要的形状； 方形光学元件尺寸为：(10mm～150mm)×(10mm～150mm)，圆形直径(10mm～ 200mm)；对于非球面，如双曲面、抛物面，根据不同的需求，仅改变热弯模具的形状、 尺寸即可以热弯不同形状的双曲面、抛物面。

结合图2所示，压力控制执行机构4的压块4e具有一中心孔，所述热弯模具机构 的上连杆11的另一端通过该中心孔与压块紧固连接。

所述热弯模具7的材料为不锈钢，其线膨胀系数在30×10^-7～90×10^-7/℃。

所述真空泵1为无油真空泵，且真空度优于1×10^-2mbar。

根据本发明的改进，还提出一种利用前述热弯装置制备掠入射型微孔x射线光学元 件的方法，包括以下步骤：

步骤1、清洁热弯模具，将待加工的光学元件放置在热弯模具中，然后将热弯模具放 置在真空加热炉的等温区内的底座上；

步骤2、盖上真空加热炉的炉盖，利用真空泵抽真空，同时以一定的升温速率开始升 温，达到预定温度后，开始进入保温状态，保温一段时间后，开始加压，同时继续保温、 抽真空；

步骤3、当压力达到预定值(1kg～40kg)时，保压一段时间后，将压力卸却，进入 退火工序，消除光学元件中的应力；

步骤4、当光学元件的温度降到室温时，将热弯模具从真空加热炉中取出，热弯模具 开模去除制备好的微孔x射线光学元件。

前述步骤2中，当温度达到预定温度后，保温时间至少为120min。

前述步骤3中，当压力达到预定值后，保压时间至少为20min。

在制备的整个过程中，真空加热炉的炉内真空度均要求保持在优于10^-2mbar的状 态上。

下面结合一个具体的示例，更加详细的描述前述制备方法的实现。

整体上来说，整个制备过程包括：光学元件准备、装模、装炉、热弯和取出光学元 件五个步骤。

(1)光学元件准备

首先选择需要热弯的光学元件进行清洗。本示例中，作为示例，选用方形光学元件， 尺寸：45mm×45mm,厚度2.04mm，热弯成曲率半径700mm的球冠形光学元件。

(2)装模

根据上述将要进行热弯的光学元件尺寸选择合适的热弯模具，本示例中选择下模尺 寸为45mm×45mm、曲率半径为700mm的热弯模具。用酒精清洗热弯模具的内、外表 面，待热弯模具晾干后，将光学元件轻轻装入热弯模具下模中，将热弯模的上模通过其 上的螺纹固定在丝杠的下顶端。

(3)装炉

打开加热炉炉盖，将上述装有光学元件的热弯模具送入加热炉中。用水平尺校正模 具的水平度，模具达到水平后，装上各种热弯附件，盖上真空加热炉的炉盖。通过控制 柜控制启动电机，转动丝杠，向下运送热弯模上模，使之刚刚进入下模中。

(4)热弯

然后开始升温、抽真空、加压过程。根据需要热弯的光学元件软化温度确定热弯的 温度、压力等参数，通过控制柜控制压力控制执行机构4、真空加热炉1以及真空泵2 的运行，实现对温度、真空度和压力的控制。

此例中，热弯温度确定为650℃，压力确定为30公斤，升温速率1℃/min,保温时 间120min，加压速率0.3公斤/min，保压时间20min，保压完成后卸却压力，开始进 入退火程序，以0.5℃/min的降温速率降温至280℃时断电。

在整个热弯过程中，加热炉内真空度均要求保持在优于10^-2mbar的状态上。

本步骤所有的参数及运行过程，均以程序的形式存储在控制柜的工控机中，操作时， 仅需调出相应的程序运行即可。所有过程自动运行，操作人员无需现场监督。

(5)取光学元件

等待加热炉的温度降至室温时，关掉热弯装置电源，打开加热炉盖，取出热弯模具， 开模取出光学元件，至此光学元件的所有热弯过程结束。

图4是利用本发明的热弯装置通过前述方法制作的方形x射线微孔光学元件，光学 元件为45mm×45mm的正方形，厚度为1mm；光学元件上均匀分布孔径为20μm×20 μm的方孔，孔壁厚度约3μm；光学元件呈球面，球面曲率半径750mm，此光学元件 能够通过方孔内壁对掠入射X射线的全反射来实现X射线的聚焦。

图5是利用本发明的热弯装置通过前述方法制作的放射状X射线微孔光学元件，光 学元件为φ60mm的圆形，厚度为2mm，光学元件上均匀分布孔径为20μm×20μm的 方孔，方孔排列呈放射状，沿着不同的同心圆排列；光学元件呈球面，球面曲率半径 700mm，此光学元件能够实现更好的X射线聚焦效果。

下面以图4所示的方形x射线微孔光学元件为例，对前述方法的实施做进一步说明。

应当理解，以下描述的实施方法，实施过程中，可根据具体产品的具体尺寸和/或性 能要求来制定和调节、选定具体的工艺参数。

(1)清洗玻璃片

首先选择需要热弯的光学元件进行清洗，本次选用方形x射线微孔光学元件，尺寸： 45mm×45mm,厚度1mm，热弯成曲率半径750mm的球冠形光学元件。

(2)装模

根据上述将要进行热弯的光学元件尺寸选择合适的热弯模具，这里选择下模尺寸为 45mm×45mm、曲率半径为750mm的热弯模具。用酒精清洗热弯模具的内、外表面， 待热弯模具晾干后，将光学元件轻轻装入热弯模具下模中，将热弯模的上模通过其上的 螺纹固定在丝杠的下顶端。

(3)装炉

打开加热炉炉盖，将上述装有光学元件的热弯模具送入加热炉中。用水平尺校正模 具的水平度，模具达到水平后，装上各种热弯附件，盖上加热炉炉盖，启动电机，转动 丝杠，向下运送热弯模上模，使之刚刚进入下模中。

(4)热弯

然后开始升温、抽真空、加压过程。根据需要热弯的光学元件软化温度确定热弯的 温度、压力等参数，此例中，热弯温度确定为650℃，压力确定为30公斤，升温速率1℃ /min,保温时间120min，加压速率0.3公斤/min，保压时间20min，保压完成后卸却 压力，开始进入退火程序，以0.5℃/min的降温速率降温至280℃时断电。在整个热弯 过程中，加热炉内真空度均要求保持在优于10^-2mbar的状态上。本步骤所有的参数及 运行过程，均以程序的形式存储在工控机中，操作时，仅需调出相应的程序运行即可。 所有过程自动运行，操作人员无需现场监督。

(5)取光学元件

等待加热炉的温度降至室温时，关掉热弯装置电源，打开加热炉盖，取出光学元件， 至此光学元件的所有热弯过程结束。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所述 技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动 与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。