技术领域

本发明涉及一种新型X射线微结构光学器件-抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，适用于金属材料二维聚焦X射线组合折射透镜制作的场合。

背景技术

X射线组合透镜是A.Snigirev在1996年提出的一种适用于高能X射线波段(即X射线辐射能量超过5keV)的、基于折射效应的X射线微结构光学器件。具有不需要折转光路、高温稳定性好且易冷却、结构简单紧凑、对透镜表面粗糙度要求低等优点。在超高分辨率X射线诊断科学和技术领域有广泛的应用前景。近年来，基于X射线组合透镜的各种X射线诊断技术研究非常活跃。比如用于样本中元素分布测量的高能X射线荧光微层析实验系统；利用铝材料X射线组合透镜的中子显微镜；以及用于单细胞检测、化学微分析、早期胸部肿瘤检测等的高能X射线实验系统等等。

最初的X射线组合透镜是采用计算机精密控制钻孔的方法，在铝金属材料上制作出几十至几百个顺序排布的圆柱状孔来实现的，对X射线进行一维聚焦，并利用其开展X射线探测和诊断技术研究。之后为了提高制作精度，多采用平面微制作技术(包括薄膜沉积，光学刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等技术)制作截面形状为圆形、抛物面形、椭圆面形的X射线组合透镜，组合透镜材料扩展到铝、硅、锂、硼、碳、氧化铝、有机材料PMMA等等，聚焦的效果大幅度改善，只是这样的X射线组合透镜依然是一维聚焦的。然而，X射线探测和诊断技术应用领域，通常需要微米甚至亚微米量级的X射线探测光斑(即聚焦焦斑)，而不仅仅是聚焦焦线。因此必须发展能够对X射线辐射进行二维聚焦的X射线组合透镜。

目前二维聚焦的X射线组合透镜国内尚未见报道，国际上主要采取两种方式来达到对X射线二维聚焦的目的。一是将两个一维聚焦X射线组合透镜正交放置，分别对X射线束进行水平方向线聚焦和垂直方向线聚焦，以达到二维聚焦的目的(C.G.Schroer，et al.，Appl.Phys.Lett.，2003，vol.82，pp1485-1487)，只需要制作一维X射线组合透镜，而不涉及二维X射线组合透镜的制作技术。二是采用模压技术来制作二维聚焦的X射线组合透镜(B.Lengeler，et al.，Appl.Phys.Lett.，1999，vol.74，pp3924-3926)，即首先采用精密机械制造技术制作旋转抛物面形的透镜折射单元模具，然后在铝材料上压制一个个单个的组合透镜折射单元，最后将组合透镜折射单元一个一个顺序排列组合起来形成二维聚焦的X射线组合透镜。

发明内容

为了克服已有二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法的制作工艺精度不够高、得到的透镜校准精度低、聚焦效率低的不足，本发明提供一种制作工艺精度高、得到的透镜光轴可高精度自校准、聚焦效率高的金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

(1)所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的制作步骤：

(A)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的母镜的光刻掩模版，所述母镜的光刻掩模版由多个顺序间隔同轴排布的截面为两条对称的抛物线形开口相接构成的第一抛物线形孔和正方形孔组成，所述正方形孔共有n个，所述正方形孔的边长为l+δ；

(B)对玻璃基板进行清洁处理；

(C)在经步骤(B)处理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；

(D)在生长好的电铸阴极薄膜上自旋涂覆一层BP212正性光刻胶，并烘烤固化；

(E)在烘烤固化后的BP212正性光刻胶上自旋涂覆一层厚度为l的SU-8光刻胶；

(F)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(A)制成的母镜的光刻掩模版；

(G)对经步骤(F)处理的样片进行清洗，并去除上表面暴露出的BP212正性光刻胶；

(H)把经步骤(G)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；

(I)当电铸金属材料的厚度与SU-8光刻胶厚度相等，即为l时，取出样片并进行清洗，去除残留的电铸液；

(J)将经步骤(I)处理的样片放入丙酮溶液中，去除BP212正性光刻胶及其上面的SU-8光刻胶，制成金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜；

(2)所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的制作步骤：

(K)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的子镜的光刻掩模版，所述子镜的光刻掩模版包括夹持臂和布置在夹持臂上的多个同轴排布的正方形嵌入镜体，所述正方形嵌入镜体共有n个，与所述母镜的正方形孔个数相同，所述正方形嵌入镜体中有截面为两条对称的抛物线形开口相接构成的第二抛物线形孔，所述第二抛物线形孔的中心与所述正方形嵌入镜体的中心重合，所述正方形嵌入镜体的边长为l，所述正方形嵌入镜体与所述夹持臂为一体，所述夹持臂的厚度为t；

(L)对硅片衬底进行清洁处理；

(M)在经步骤(L)处理的硅片衬底表面自旋涂覆一层BP212光刻胶，并进行前烘；

(N)在经步骤(M)处理的样片表面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；

(O)在经步骤(N)处理的样片表面自旋涂覆一层KMP C5315光刻胶

(P)在经步骤(O)处理的样片表面自旋涂覆一层厚度为l的SU-8光刻胶；

(Q)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(K)制成的子镜的光刻掩模版；

(R)使用KMP C5315光刻胶去胶剂去除上表面暴露出的KMPC5315光刻胶；

(S)把经步骤(R)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，但电铸阴极薄膜材料与电铸金属材料不能相同；

(T)当电铸金属材料的厚度与SU-8光刻胶厚度相等，即为l时，取出样片并进行清洗，去除残留的电铸液；

(U)将经步骤(T)处理的样片放入丙酮溶液中，去除KMP C5315光刻胶及其上面的SU-8光刻胶，同时去除BP212光刻胶及其下面硅片；

(V)对经步骤(U)处理的样片使用化学腐蚀方法去除电铸阴极薄膜，制成金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜；

(3)所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的组装步骤：

(W)将制成的母镜和子镜置于显微镜下，发现并夹住子镜的夹持臂，将子镜的嵌入镜体对准母镜的正方形孔，所述母镜的第一抛物线形和所述子镜的第二抛物线形相互呈正交结构，子镜上的n个嵌入镜体与母镜上的n个正方形孔一一对应，嵌入并轻轻压紧，完成金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的制作。

进一步，所述步骤(A)中，所述第一抛物线形孔的中心与正方形孔的中心之间的距离为l，所述步骤(K)中，所述两个正方形嵌入镜体之间的距离为l。

再进一步，所述第一抛物线形孔和第二抛物线形孔的长轴范围为42微米到242微米、短轴范围为32微米到222微米，l的范围为50微米到250微米，δ的范围为1微米到2微米，n的范围为20到100个，t的范围为50微米到100微米。

本发明的技术构思为：设计了一种金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板和母镜，所述母镜安装在所述玻璃基板上，所述母镜包括母镜主体和在所述母镜主体上顺序间隔布置的截面为两条对称的抛物线形开口相接构成的第一抛物线形空腔和正方形空腔，各个第一抛物线形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母镜主体的长度方向的同一直线上，所述第一抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一抛物线形空腔短轴方向聚焦的第一抛物面，各个正方形空腔内嵌入子镜体，所述子镜体的截面呈正方形，所述子镜体正中设有两条对称的抛物线形开口相接构成的第二抛物线形空腔，所述第二抛物线形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二抛物线形空腔短轴方向聚焦的第二抛物面，所述第一抛物面与所述第二抛物面相互呈正交结构。

所述第一抛物线形空腔中的两条对称的抛物线的方程表示为x²＝2Rz，所述第二抛物线形空腔中的两条对称的抛物线的方程表示为y²＝2Rz，其中R为抛物线顶点处的曲率半径，x、y、z分别代表图1中直角坐标系的x轴、y轴和z轴，所述第一和第二抛物线型空腔的长轴和短轴可由上述两个方程计算得出。

多个嵌入镜体安装在夹持臂上，相邻嵌入镜体的中心间距与相邻正方形空腔的中心间距相等。所述嵌入镜体为正方体，所述第二抛物线形空腔的长轴和短轴均比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述第二抛物线形空腔的中心线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述第一抛物线形空腔的深度和正方形空腔的深度均与所述正方体的边长相等。所述正方形空腔的中心和第一抛物线形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。所述第一抛物线形空腔的长轴和所述第二抛物线形空腔的长轴相等，所述第一抛物线形空腔的短轴和所述第二抛物线形空腔的短轴相等，也可以不相等。

所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的二维聚焦功能，由其内的一个个二维聚焦折射单元(如图1c所示)完成，所述二维聚焦折射单元，由一个沿y轴、一个沿x轴的两个相互垂直的抛物面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜，经一个个二维聚焦折射单元的多次折射，从所述金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。

本发明的有益效果主要表现在：1、发明了一种新型X微结构器件--金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，用于对该新型X射线器件的实际制作；2、金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜具有单个器件实现对X射线束二维聚焦的功能，且校准精度高、方便；3、采用平面微细加工技术，器件深宽比大，对材料限制小，可以一体化、一次性精密加工成型。

附图说明

图1a是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的正视图。

图1b是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的俯视图。

图1c是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的放大图。

图1d是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的俯视图。

图2a是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的光刻掩模版示意图

图2b是本发明金属材料抛物面型二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的光刻掩模版示意图

其中：o表示直角坐标系的原点，x、y、z分别代表直角坐标系的x轴、y轴和z轴，R为抛物线顶点处的曲率半径，g表示光轴，a为光刻掩模版的遮光部分。