一种调控X射线毛细管传输特性的方法与流程

本发明涉及一种调控x射线毛细管传输特性的方法。

背景技术：

毛细管是聚焦或准直x射线的一种光学元件。利用x射线在毛细管的内表壁上发生全反射，改变光的传输方向，实现x射线的聚焦或准直，广泛应用于x射线显微成像、x射线荧光光谱分析等系统中。对于毛细管光学元件，当且仅当x射线的入射角小于全反射的临界角时，毛细管才能实现对x射线的聚焦或准直，否则x射线会发生折射和吸收，传输效率大大降低。玻璃材料因具有制备简单、表面光滑的优点，所以毛细管多是由玻璃材料拉制而成的，但玻璃毛细管在实际应用中存在如下问题：由于全反射临界角正比于毛细管内壁材料的密度，反比于x射线的能量，而玻璃的密度相对较小，高密度的硼硅酸玻璃管其密度为2.23g/cm³，x射线尤其是高能x射线的全反射角临界角很小，通过毛细管全反射聚焦得到的x射线强度较低，光通量不足，影响后续的成像和分析；玻璃导热性和对x射线的吸收能力较弱，未被全反射的x射线不会完全被吸收，从毛细管出口透射出，形成光环效应，增大聚焦x射线束的光斑尺寸，当毛细管应用于高亮度同步辐射源(功率密度超过10kw/cm²)时，会受到强烈的热损伤和辐射损伤。目前，研究人员主要探索金属毛细管的制备，相比于玻璃毛细管，金属材料的密度高，可增大x射线的全反射临界角，进而增加x射线的传输效率，此外，金属材料的机械强度高，导热性好，对x射线吸收能力强，能减小毛细管的光环辐射效应和高能x射线造成的热损伤和辐射损伤。

金属毛细管有两种形式，一是纯金属毛细管，二是玻璃毛细管内镀金属层。纯金属毛细管制备方法的基本思路是：制备特定形状的芯线；对芯线表面进行光滑预处理；利用镀膜工艺在芯线表面沉积金属薄膜；通过机械或化学的方法去除芯线，从而得到金属毛细管。但这种方法制备的金属毛细管内壁粗糙度大，在去除芯线的过程中易造成毛细管的变形。玻璃毛细管内表面镀金属层具有很大难度，因为毛细管的长径比很大，一般毛细管长几厘米，孔径范围在几到几百微米，在如此大长径比的毛细管内壁上沉积厚度均匀、表面粗糙度小的薄膜具有很大挑战。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺点，本发明提出一种调控x射线毛细管传输特性的方法。

本发明采用原子层沉积技术在毛细管内表面沉积薄膜。原子层沉积法属于气相化学反应，每次只生长一个原子层级的厚度，是一种自限饱和式生长，具有自限制性和高保形性，可在各类衬底上沉积厚度均匀的薄膜，且生长速率不受衬底面积大小、形状等的影响，具有完美的三维保形性和台阶覆盖性，可沉积材料的类型丰富，薄膜厚度控制精度高，可达1埃。本发明利用玻璃毛细管内壁光滑、粗糙度小的优势，采用原子层沉积方法，通过控制薄膜沉积过程的工艺参数，实现在大长径比毛细管内壁表面沉积厚度均匀、粗糙度小的薄膜，实现对x射线毛细管传输特性的调控。

本发明采用的原子层沉积方法根据生长薄膜的不同，选定两种反应前驱体a和b，设定反应舱真空度小于20pa，反应温度为150-300℃，薄膜的沉积速率约1埃/周期，通过计算预生长的薄膜厚度除以沉积速率，得到并设定反应周期数。

每个反应周期包含4个步骤：

第一，反应过程，将反应物前驱体a通入反应腔室100ms-50s，在毛细管表面发生饱和化学吸附或反应；

第二，净化过程，利用惰性气体n2吹扫40s-120s，清除第一步反应产生的副产物和过量的前驱体a；

第三，反应过程，将第二种反应物前驱体b通入反应腔室15ms-60s，与第一步在毛细管表面反应的产物进行化学反应致饱和；

第四，净化过程，利用惰性气体n2吹扫35s-120s，清除第三步反应产生的副产物和过量的前驱体b；

至此为一个反应周期，每个反应周期重复上述4个步骤，直到完成设定的反应周期数。

所述毛细管为玻璃毛细管。

所述毛细管内壁粗糙度小于等于1nm。

所述薄膜材料的密度大于玻璃密度，优选密度高于8g/cm³。

所述薄膜材料可以为氧化铪、氧化钽等高密金属氧化物，也可为铂、钴、钌、铱、铜等高密度金属。

所述薄膜的厚度大于等于5nm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用原子层沉积技术在毛细管内壁沉积薄膜，薄膜的厚度控制精度高，可达埃量级。

2、本发明中毛细管内壁沉积薄膜的粗糙度小，可小于等于玻璃毛细管内壁的粗糙度。

3、本发明利用原子层沉积技术的气相反应、自限性等特点，可在大长径比的毛细管内壁沉积厚度均匀的薄膜。

4、本发明通过控制薄膜材料的类型和厚度，可大大提高毛细管的传输效率。

5、本发明在毛细管内壁沉积薄膜的同时，在外表面沉积相同厚度的薄膜，可增强毛细管的力学性能和热学性能，从而提高毛细管抗变形、抗辐射的能力。

附图说明

图1本发明实施例毛细管沉积薄膜前后的立体示意图，其中图1(a)为玻璃毛细管，图1(b)为薄膜沉积后的毛细管；

图2本发明实施例毛细管横截面的图片；

图3本发明实施例薄膜沉积后毛细管的图片，其中图3(a)为两玻璃毛细管整体图片，图3(b)为一毛细管截成4段后的图片；

图4本发明实施例毛细管的截面sem图片，其中图4(a)为截面整体图片，图4(b)为毛细管内壁附近的局部图片，图4(c)为毛细管外壁附近的局部图片；

图中，1为玻璃毛细管，2为沉积的薄膜材料。

具体实施方式

以下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明调控x射线毛细管传输特性的方法如下：确定沉积薄膜的材料，薄膜材料的密度高于玻璃的密度，可以为金属氧化物，也可为金属材料，选择两种反应前驱体a和b，设定反应舱真空度和反应温度，薄膜的沉积速率约1埃/周期，薄膜厚度大于等于5nm，通过计算预生长的薄膜厚度除以沉积速率，得到并设定反应周期数。每个反应周期包含4个步骤：将反应物前驱体a通入反应腔室100ms-50s，在毛细管表面发生饱和化学吸附或反应；利用惰性气体n2吹扫40s-120s，清除第一步反应产生的副产物和过量的前驱体a；将第二种反应物前驱体b通入反应腔室15ms-60s，与第一步在毛细管表面反应的产物进行化学反应致饱和；利用惰性气体n2吹扫35s-120s，清除第三步反应产生的副产物和过量的前驱体b；至此为一个反应周期。每个反应周期重复上述4个步骤，直到完成设定的反应周期数，在玻璃毛细管1内表面沉积一层厚度均匀、粗糙度小的薄膜2，如图1和图2所示，玻璃毛细管的内壁粗糙度很小，得到图3所示沉积薄膜后的毛细管，其截面如图4所示。

实施例1

确定沉积薄膜的材料为氧化铪，反应前驱体a为四(二甲胺基)铪和反应前驱体b去离子水，设定反应舱真空度为13pa，反应温度为250℃，薄膜的沉积速率约1埃/周期，薄膜厚度为300nm，通过计算薄膜厚度除以沉积速率，即300nm/1埃/周期，得到并设定反应周期数为3000。每个反应周期包含4个步骤：将反应物前驱体a通入反应腔室100ms，在毛细管表面发生饱和化学吸附或反应；利用惰性气体n2吹扫40s，清除第一步反应产生的副产物和过量的前驱体a；将第二种反应物前驱体b通入反应腔室15ms，与第一步在毛细管表面反应的产物进行化学反应致饱和；利用惰性气体n2吹扫35s，清除第三步反应产生的副产物和过量的前驱体b；至此为一个反应周期。每个反应周期重复上述4个步骤，直到完成设定的3000个反应周期，在玻璃毛细管1内表面沉积一层厚度均匀、粗糙度小的薄膜2，如图1和图2所示，玻璃毛细管的内壁粗糙度为5埃，得到图3所示沉积薄膜后的毛细管，其截面如图4所示。

实施例2

确定沉积薄膜的材料为铂，反应前驱体a和b分别为甲基环戊基三甲基铂和氧气，设定反应舱真空度为15pa，反应温度为250℃，薄膜的沉积速率约1埃/周期，薄膜厚度为7nm，通过计算薄膜厚度除以沉积速率，即7nm/1埃/周期，得到并设定反应周期数为70。每个反应周期包含4个步骤：将反应物前驱体a通入反应腔室50s，在毛细管表面发生饱和化学吸附或反应；利用惰性气体n2吹扫120s，清除第一步反应产生的副产物和过量的前驱体a；将第二种反应物前驱体b通入反应腔室60s，与第一步在毛细管表面反应的产物进行化学反应致饱和；利用惰性气体n2吹扫120s，清除第三步反应产生的副产物和过量的前驱体b；至此为一个反应周期。每个反应周期重复上述4个步骤，直到完成设定的70个反应周期，在玻璃毛细管1内表面沉积一层厚度均匀、粗糙度小的薄膜2，如图1和图2所示，玻璃毛细管的内壁粗糙度为4埃。

实施例3-7采用的工艺步骤同实施例1，薄膜2的材料和厚度、反应前驱体a和b、反应舱真空度和反应温度、毛细管内壁粗糙度、反应周期数及前驱体a通入时间和吹扫时间、前驱体b通入时间和吹扫时间的值见表1。表1实施例中薄膜参数和工艺参数