[发明专利]一种变焦距X射线组合透镜及其制作方法

说明书

技术领域：

本发明属于光学技术领域，涉及一种微结构X射线光学元件，具体地说是一种变焦距X射线组合透镜及其制作方法。

背景技术：

X射线组合透镜是Snigirev在1996年提出的一种新型微结构X射线光学元件，特别适用于高能X射线波段(5keV以上)。自该器件提出以来，国外对它的研究一直非常活跃。目前，组合折射透镜已经证明有着巨大的优越性：它们可对高能X射线聚束、聚焦效率高、不需要折转光路、易于排列和操作、高温稳定性好且易冷却、可以消除球差等。近年来，基于X射线组合透镜聚焦和准直的各种应用研究非常活跃。比如硬X射线微探针、X射线显微镜、X射线断层扫描摄影、微X射线荧光光谱测定法(μ-XRF)、化学微分析、微荧光和微EXAFS测量以及单色仪预备光束的准直等。这些都表明了X射线组合透镜的巨大应用潜力和广泛应用前景。

国际上与本发明最接近的设计结构是采用模压技术制成的Al材料抛物面形X射线变焦距组合透镜(A.Khounsary，et al.，Proc.Of SPIE Vol.4783(2002)：49-54)，该组合透镜由透镜主体及透镜主体上间隔排列的空气腔构成，相邻空气腔之间的间隙形成透镜单元；所述透镜主体主视图呈楔形结构，该楔形结构是由直角梯形和矩形组成，直角梯形的长底边与矩形的一个长边重合，直角梯形的直角边与矩形的一个宽边重合；所述空气腔为抛物面构成的柱形空腔。其制作方法是使用与所制作的结构互补的硬模在加热的Al上进行冲压，从而得到透镜的基本结构，然后将冷却的结构进行排列对准，再用两个平板将几个单元结构夹紧，选择合适的长度沿着对角方向进行切割，得到要求的变焦距X射线组合透镜。由于这种组合透镜使用了价格较低的Al材料，且采用模压技术得到抛物面形状，因而存在下述缺点：加工精度低，影响聚焦效果；相邻两空气腔的间隔较大，影响X射线辐射透过率；表面粗糙度偏高，使散射增大；工艺复杂。并且这种组合透镜由于空气腔的高度呈连续变化，因而只能实现连续变焦。目前国内关于X射线组合透镜的研究较少。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种加工精度高、相邻两空气腔的间隔小、表面粗糙度低、制作工艺简单的变焦距X射线组合透镜及其制作方法。

本发明包括透镜主体及透镜主体上间隔排列的空气腔，所述透镜主体材料采用PMMA。

作为本发明的一个改进是：所述透镜主体为阶梯形，每个台阶内包含至少一个空气腔。当透镜主体的每个台阶内都包含一个空气腔时，组合透镜可以连续变焦；当各台阶内包含的空气腔为两个以上时，组合透镜可实现离散变焦。

所述空气腔为双抛物柱面构成的柱形空腔，或者单抛物柱面与平面构成的柱形空腔，或者椭圆柱形空腔，或者其他可以使透镜单元实现聚焦的任意几何形状结构。

本发明变焦距X射线组合透镜的工作过程是；高能X射线从透镜主体中的高度最大的一端入射，沿透镜主体内空气腔的排列方向穿过，从透镜主体的另一端，即高度最小的一端射出。在高能X射线通过透镜主体内的空气腔时，若沿着空气腔的高度方向移动透镜组合，将使高能X射线经过不同个数的透镜单元，这些不同个数的透镜单元形成不同焦距的组合透镜，从而使得出射的高能X射线被聚焦的效果不一样。这样，光相当于经过一个焦距变化的透镜组，实现了变焦距的目的。

本发明变焦距X射线组合透镜的的制作方法包括下列步骤：

第一步，制备光刻透镜主体时所需的掩膜；

第二步，制备光刻空气腔时所需的掩膜；

第三步，利用第一步制备的掩膜制备透镜主体；

第四步，用第三步制备的透镜主体和第二步制备的掩膜制备空气腔。

制备光刻透镜主体时所需的掩膜步骤如下：

(A)对单晶硅片进行清洁处理；

(B)在单晶硅片的一个表面自旋涂覆一层聚酰亚胺涂料，起到衬托金属吸收体的作用；

(C)将涂覆聚酰亚胺的单晶硅片放在烘箱中固化；

(D)在固化后的聚酰亚胺表面生长一层金属作为第一种子层；

(E)在第一种子层上涂覆一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后在PMMA表面生长一层金属作为第二种子层；

(F)在第二种子层上涂覆一层厚光刻胶；

(G)使用与透镜主体主视图形状相同的光刻版对光刻胶进行极紫外光刻，然后进行显影、坚膜；

(H)在(G)步完成的结构中于未被光刻胶覆盖的部分电铸金属层，作为软X射线光刻掩膜吸收体；