DE19527794A1 - Micro-channel capillary optical element mfr. for use in e.g. microscopy - Google Patents
Micro-channel capillary optical element mfr. for use in e.g. microscopyInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung optischer Elemente und ist anwendbar insbesondere für die Röntgen- bzw. Neutronenkapillaroptik. Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar zur Herstellung von sogenannten Röntgenlinsen.The present invention relates to a method and a device for the production of optical elements and is particularly applicable for X-ray or Neutron capillary optics. The invention is preferred applicable for the production of so-called X-ray lenses.
Die optischen Elemente können verschiedene Formen haben und weisen in ihrem Inneren eine große Zahl von Kanälen vorgegebener Abmessungen auf, die gemeinsam im Querschnitt eine Matrixstruktur von Hohlröhrchen in einem beispielsweise Glaskörper bilden. Die Größe des Querschnittes der gemäß der Erfindung hergestellten optischen Elemente in der Axialrichtung ändert sich gemäß Vorgabe, das heißt die optischen Elemente haben eine vorbestimmte Form. Dabei muß die äußere Form der optischen Elemente ihrer inneren Struktur äquivalent sein. So ist es z. B. für ein System, das die Strahlung von einer punktförmigen Quelle sammelt und/oder sie in einem Punkt fokussiert, erforderlich, das alle Kanäle, die der Strahlführung dienen, am Eingang und am Ausgang auf den entsprechenden Brennpunkt gerichtet sind (Homozentrizität des optischen Systems).The optical elements can have different shapes and have a large number of channels inside given dimensions, which together in Cross section of a matrix structure of hollow tubes in form a vitreous, for example. The size of the Cross section of the manufactured according to the invention optical elements in the axial direction changes according to the specification, that is, the optical elements a predetermined shape. The outer shape of the optical elements equivalent to their internal structure be. So it is z. B. for a system that the radiation from a point source and / or collect them in focused on a point that required all channels, that serve to guide the beam, at the entrance and at the exit are directed to the corresponding focus (Homocentricity of the optical system).
Systeme, die Parallelstrahlung formieren oder aufnehmen, müssen gegenseitig parallele Kanäle am Eingang bzw. am Ausgang besitzen.Systems that form parallel radiation or mutually parallel channels on Own entrance or exit.
Die Herstellung von Elementen mit einer Kapillarstruktur ist bekannt. So beschreibt die GB-PS 1,064,072 ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Strukturen durch Ziehen von Glasröhrchen, welche dann in einem Bündel der erforderlichen Geometrie angeordnet werden und wiederum zur Erhaltung eines Kanalblockes gezogen werden, wobei jeder Kanal dieses Blockes seine endgültigen Abmaße erhält.The manufacture of elements with a Capillary structure is known. This is how the GB-PS describes 1,064,072 a method of manufacturing such Structures by pulling glass tubes, which then arranged in a bundle of the required geometry and in turn to maintain a channel block be drawn, with each channel of this block its receives final dimensions.
Weiterhin wird in der US-PS 4,127,398 eine Technologie zur Herstellung von Mehrkanalröhrchenstrukturen beschrieben, welche folgende Verfahrensschritte beinhaltet:Furthermore, a technology is disclosed in US Pat. No. 4,127,398 for the production of multi-channel tube structures described the following process steps includes:
- - Zusammensetzung einer Vielzahl von Röhrchen und ihre Verschmelzung in ein festes Paket mit einem bestimmten Querschnitt,- Composition of a variety of tubes and their Merging into a firm package with one certain cross section,
- - Erwärmung dieses Paketes bis zur Erweichungstemperatur der Röhrchen,- Heating this package up to Softening temperature of the tubes,
- - Ziehen der Struktur bis zu einem vorgegebenen Querschnitt, - Dragging the structure to a given one Cross-section,
- - Schneiden der gezogenen Struktur in Abschnitte bestimmter Länge,- Cutting the drawn structure into sections certain length,
- - Abfüllung mit Gas und Zuschmelzen von beiden Seiten,- filling with gas and melting from both sides,
- - Einbringen der Strukturen in eine Röhre und sintern bei der Erweichungstemperatur ohne Zerstörung der einzelnen Röhrenelemente.- Placing the structures in a tube and sintering at the softening temperature without destroying the individual tube elements.
Diese bekannten Elemente mit Kapillarstruktur sind Ausgangsmaterial für die optischen Elemente gemäß der vorliegenden Erfindung.These are known capillary structure elements Starting material for the optical elements according to the present invention.
Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zum mechanischen Zusammenbau von Röntgen- und Neutronenlinsen gemäß der US-PS 5,192,869. Die Kapillaren werden dabei durch ein System von Netzen oder Platten mit Öffnungen gezogen. Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist der sehr hohe Herstellungsaufwand und die ungenügende Positionierungsgenauigkeit der Kapillaren.A method for mechanical is also known Assembly of X-ray and neutron lenses according to the U.S. Patent 5,192,869. The capillaries are marked by a System of nets or panels with openings pulled. The disadvantage of this known solution is the very high one Manufacturing effort and the insufficient Positioning accuracy of the capillaries.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung optischer Elemente für die Kapillaroptik zu schaffen, mit welchem optische Elemente unterschiedlicher Form und Abmessungen bei hoher Qualität mit geringem technologischen und gerätetechnischen Aufwand reproduzierbar gefertigt werden können.The invention is therefore based on the object Method and device for manufacturing to create optical elements for capillary optics, with which optical elements of different shape and dimensions with high quality with low technological and equipment expenditure can be produced reproducibly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 10 in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff.This object is achieved by the Features in the characterizing part of claims 1 and 10 in connection with the features in the generic term.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims included.
Die vorliegende Erfindung realisiert die Herstellung von optischen Elementen auf der Grundlage von Kapillarstrukturen durch die Methode der Erweiterung der voneinander isolierten Kanäle im erwärmten Zustand unter Druckeinfluß.The present invention realizes the manufacture of optical elements based on Capillary structures through the method of enlargement of the isolated channels in the heated state under the influence of pressure.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Reproduzierbarkeit der technischen Parameter bei hoher Qualität der inneren Kanaloberfläche, was dadurch erreicht wird, daß Mikrokanalelemente mit einer Vielzahl von Kanälen beidseitig hermetisch verschlossen und bis zur Plastizität erwärmt werden, in den Kanälen ein Überdruck gegenüber dem Außendruck erzeugt wird, wodurch die Kanäle sich durch den Druckunterschied zwischen ihrem Innenraum und der äußeren Umgebung sowie der Plastizität des Materials erweitern und die räumliche Ausdehnung der Mikrokanalelemente begrenzt wird. Indem im Wirkungsbereich mindestens eines Ofens eine hermetisch abgeschlossene Kammer angeordnet ist, in welcher sich mindestens ein Mikrokanalelement mit Kanälen befindet und das Mikrokanalelement an seinen beiden Enden verschlossen ist, wird nur eine vergleichsweise geringe gerätetechnische Ausstattung benötigt.A particular advantage of the invention is that Reproducibility of the technical parameters at high Quality of the inner channel surface, what does it mean is achieved that micro-channel elements with a Large number of channels hermetically sealed on both sides and heated to plasticity in the channels an overpressure compared to the outside pressure is generated, whereby the channels differ by the pressure difference between their interior and the outside environment as well expand the plasticity of the material and the spatial expansion of the microchannel elements limited becomes. By in the area of action of at least one furnace a hermetically sealed chamber is arranged, in which there is at least one microchannel element Channels and the microchannel element at its is closed at both ends, only one comparatively little equipment needed.
Die äußere Form der optischen Elemente wird entweder durch eine Schablone vorgegeben, die den Aufblähungsprozeß begrenzt, oder sie wird durch die Auswahl der Abmaße der Hochtemperaturzone, die sich längs der Kapillarstruktur bewegt, realisiert. Die Temperatur und das Druckgefälle werden so eingestellt, daß die Kräfte der Oberflächenspannung und der Widerstand der Materialzähigkeit überwunden werden. The outer shape of the optical elements is either specified by a template that the Bloating process is limited, or it is limited by the Selection of the dimensions of the high temperature zone, which are moved along the capillary structure, realized. The Temperature and pressure drop are set so that the forces of surface tension and the Resistance to material toughness can be overcome.
Als Ausgangsmaterial können handelsübliche Parallelstrukturen (linear array) dienen, die mit den oben beschriebenen bekannten Methoden der Herstellung von Mikrokanalelementen aus Borsilikatglas, Bleiglas usw. erhalten werden. Es ist vorteilhaft, daß die optischen Elemente eine relativ dicke Randschicht aufweisen, die die Rolle einer begrenzenden Wand in einer Zwischenetappe des technologischen Prozesses spielt. Die Randschicht kann beispielsweise aus einem anderen Glastyp bestehen, welcher eine höhere Temperatur der Erweichung als das Material der inneren Struktur hat.Commercial materials can be used as the starting material Parallel structures (linear array) serve with the known methods of manufacture described above of microchannel elements made of borosilicate glass, lead glass etc. can be obtained. It is advantageous that the optical elements a relatively thick surface layer have the role of a limiting wall in an intermediate stage of the technological process plays. The boundary layer can for example consist of a another type of glass, which is a higher one Softening temperature as the material of the inner Structure.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is based on Embodiments are explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bekanntes, handelsübliches Mikrokanalelement; Fig. 1 shows a longitudinal section through a known, commercially available micro-channel element;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1 bei runder Ausführungsform; FIG. 2 shows a cross section along the line AA according to FIG. 1 in a round embodiment;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1 bei sechseckiger Ausführungsform; Fig. 3 is a cross section along the line AA of Figure 1 with hexagonal embodiment.
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung zur Herstellung der optischen Elemente; Fig. 4 is a schematic diagram of the apparatus for manufacturing the optical elements;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines fertigen, runden optischen Elementes entlang der Linie B-B. Fig. 5 is a sectional view of a finished, round optical element along the line BB.
Fig. 6 eine Schnittdarstellung eines fertigen sechseckigen optischen Elementes entlang der Linie B-B. Fig. 6 is a sectional view of a finished hexagonal optical element along the line BB.
In den Fig. 1 bis 3 sind die bekannten Mikrokanalelemente dargestellt, welche als Ausgangsprodukt für die Herstellung der optischen Elemente mit Kapillarstruktur dienen. Die bekannten Mikrokanalelemente bestehen aus Glas und weisen in der inneren Struktur 2 voneinander isolierte Kanäle 3 auf. Die innere Struktur 2 wird von einer Randschicht 1a umhüllt, welche aus einem anderen Glastyp besteht als die innere Struktur 2.In Figs. 1 to 3, the known micro-channel elements are shown, which serve as starting material for the manufacture of the optical elements with capillary structure. The known microchannel elements consist of glass and have channels 3 which are insulated from one another in the inner structure 2 . The inner structure 2 is enveloped by an edge layer 1 a, which consists of a different type of glass than the inner structure 2 .
Fig. 2 zeigt ein rundes Ausgangsprodukt, Fig. 3 ein Ausgangsprodukt mit sechseckigem Querschnitt. Die Kanäle 3 besitzen einen runden Querschnitt. FIG. 2 shows a round starting product, FIG. 3 shows a starting product with a hexagonal cross section. The channels 3 have a round cross section.
Zu Beginn des Herstellungsprozesses wird ein Überdruck in den Kanälen 3 in Bezug auf die Umgebung erzeugt. Hierbei sind zwei Varianten möglich:At the beginning of the manufacturing process, an overpressure is generated in the channels 3 in relation to the environment. Two variants are possible:
Entweder das äußere Volumen, das das Mikrokanalelement 1 umgibt, wird abgepumpt. Dabei bleibt in den Kanälen 3 der atmosphärische Druck erhalten. Oder das äußere Volumen bleibt auf atmosphärischem Druck und in den Kanälen 3 wird ein Überdruck erzeugt.Either the outer volume that surrounds the microchannel element 1 is pumped out. The atmospheric pressure is maintained in channels 3 . Or the outer volume remains at atmospheric pressure and an overpressure is generated in the channels 3 .
In beiden Varianten kann ein großes Druckgefälleintervall gewählt werden. In both variants, a big one Pressure drop interval can be selected.
Besonders erwähnenswert ist, daß die Kanäle an den Enden der Parallelstruktur, beispielsweise mit einer Kappe 8, verschlossen werden, so daß sie nicht kommunizieren. Dies ist zur Erreichung einer gleichmäßigen Erweiterung wichtig. Ebenso ist es möglich, die Enden zuzuschmelzen.It is particularly worth mentioning that the channels are closed at the ends of the parallel structure, for example with a cap 8 , so that they do not communicate. This is important to achieve even expansion. It is also possible to melt the ends.
Die nächste Etappe im Herstellungsprozeß besteht in der Erwärmung eines vorgegebenen Bereiches der Struktur des Mikrokanalelementes 1 mit einem Ringofen 4. Durch eine langsame Erhöhung der Leistung des Ringofens 4 wird zunächst das Stadium der Erweichung des Materials der inneren Struktur 2 des Mikrokanalelements 1 erreicht. Nachfolgend wird die aus höher temperaturbeständigem Material bestehende Randschicht 1a erweicht. Eine langsame Temperaturerhöhung ist deshalb nötig, um eine gleichmäßige Erwärmung über den gesamten Querschnitt zu erreichen.The next stage in the manufacturing process consists in heating a predetermined area of the structure of the microchannel element 1 with a ring furnace 4 . By slowly increasing the output of the ring furnace 4 , the stage of softening the material of the inner structure 2 of the microchannel element 1 is first reached. Subsequently, the edge layer 1 a consisting of a higher temperature-resistant material is softened. A slow increase in temperature is therefore necessary in order to achieve uniform heating across the entire cross-section.
Weiterhin ist auch die Temperaturhomogenität längs des Umfanges wichtig. Unter dem Einfluß des Druckunterschiedes erfolgt eine stetige Erweiterung der Struktur. Wie bereits erwähnt, hat die Randschicht 1a eine höhere Erweichungstemperatur als die innere Glasstruktur 2. Dadurch ist die Zähigkeit der Randschicht 1a größer und die Dynamik der Formbildung im Zwischenstadium wird durch die dicke Randschicht 1a bestimmt. Innerhalb der inneren Struktur 2, wo sich das Material, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Glas, in einem höheren Fließzustand befindet, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Dies erfolgt durch die Isolation der einzelnen Kanäle 3 und durch das Bestreben, den Druck an den Wänden zwischen benachbarten Kanälen mittels gleichmäßiger Erweiterung der Struktur über den ganzen Querschnitt auszugleichen. Dadurch wird eine Äquivalenz zwischen innerer und äußerer Form erreicht.Temperature homogeneity along the circumference is also important. The structure is continuously expanded under the influence of the pressure difference. As already mentioned, the edge layer 1 a has a higher softening temperature than the inner glass structure 2 . As a result, the toughness of the surface layer 1 a is greater and the dynamics of the formation of the shape in the intermediate stage is determined by the thick surface layer 1 a. A dynamic equilibrium is established within the inner structure 2 , where the material, in the present exemplary embodiment glass, is in a higher flow state. This is done by isolating the individual channels 3 and by endeavoring to equalize the pressure on the walls between adjacent channels by uniformly expanding the structure over the entire cross-section. This creates an equivalence between the inner and outer form.
Im Endstadium wird die Form entweder durch eine äußere Schablone 5 begrenzt oder der Erweiterungsprozeß wird durch Absenken der Temperatur und/oder durch Verringerung des Druckgefälles beim Abpumpen des äußeren Volumens gestoppt.In the final stage, the shape is either limited by an outer template 5 or the expansion process is stopped by lowering the temperature and / or by reducing the pressure drop when pumping out the outer volume.
Die äußere Schablone 5 wird in zwei Ausführungen angewendet. Die erste Ausführung besteht aus Graphit und ist in der gewünschten Form aus zwei oder mehreren Teilen gefertigt. Nach Abschluß des Formgebungsprozesses und langsamer Abkühlung des Ofens 4 kann die Schablone entfernt werden. Sie ist für weitere Formungsprozesse wiedereinsetzbar.The outer template 5 is used in two versions. The first version consists of graphite and is made in the desired shape from two or more parts. After the shaping process has been completed and the furnace 4 has cooled slowly, the template can be removed. It can be used for other shaping processes.
Die zweite Ausführung besteht aus einem Metall- oder einem Glasrohr, dessen Fließtemperatur größer ist als die Maximaltemperatur während des gesamten technologischen Prozesses. Diese Schablonen werden in analoger Weise hergestellt wie die optischen Elemente, indem eine Druckdifferenz das erweichte Rohrmaterial verformt, wobei bei Metallen Druck und Temperatur höher ist als bei Glasmaterialien. Auf der gesamten Rohrlänge können verschiedene Formen vorgefertigt sein. In das vorgefertigte Rohr wird eine lange Parallelstruktur eingeführt. Durch eine langsame Bewegung des Ofens 4 entlang der Struktur erfolgt die Ausprägung der verschiedenen Formen. Danach wird das Rohr in verschiedene optische Elemente zerschnitten und die Schablone verbleibt am optischen Element und dient als Schutzschicht für die innere Glasstruktur. Um mechanische Spannungen und schließlich die Zerstörung der Struktur nach dem Abkühlen zu vermeiden, ist bei der Materialauswahl für die Schablone der Wärmeausdehnungskoeffizient gebührend zu berücksichtigen.The second version consists of a metal or a glass tube, the flow temperature of which is greater than the maximum temperature during the entire technological process. These stencils are produced in an analogous manner to the optical elements, in that a pressure difference deforms the softened tube material, the pressure and temperature being higher for metals than for glass materials. Various shapes can be prefabricated along the entire length of the tube. A long parallel structure is introduced into the prefabricated pipe. A slow movement of the furnace 4 along the structure results in the different shapes. Then the tube is cut into various optical elements and the template remains on the optical element and serves as a protective layer for the inner glass structure. In order to avoid mechanical stresses and ultimately the destruction of the structure after cooling, the thermal expansion coefficient must be given due consideration when selecting the material for the template.
Bei dem Prozeß der Formgebung ohne äußere Schablone 5 erfolgt eine freie Erweiterung des entsprechenden Abschnittes bis zur vorgegebenen Größe und Geometrie. Dabei wird eine bestimmte Temperaturverteilung entlang der Achse 7 eingestellt, die durch die Höhe und den Durchmesser des Ofens 4 und den Durchmesser der Mikrokanalelemente 1 beeinflußt wird. Für bestimmte Anwendungsfälle ist eine kontinuierliche Skanierungsbewegung des Ofens 4 entlang der Achse 7 der Mikrokanalelemente 1 möglich. Die Optimierung der Form erfolgt durch Regulierung des Temperaturregimes und der Geschwindigkeit der Skanierungsbewegung des Ofens 4. So können aus einer Charge mehrere Elemente erhalten werden, die anschließend in der erforderlichen Weise zerschnitten werden.In the process of shaping without an external template 5 , the corresponding section is freely expanded to the specified size and geometry. A certain temperature distribution is set along the axis 7 , which is influenced by the height and the diameter of the furnace 4 and the diameter of the microchannel elements 1 . For certain applications, a continuous scanning movement of the furnace 4 along the axis 7 of the microchannel elements 1 is possible. The shape is optimized by regulating the temperature regime and the speed of the scanning movement of the furnace 4 . In this way, several elements can be obtained from a batch, which are then cut in the required manner.
Die Vorrichtung zur Herstellung der optischen Elemente besteht, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, aus einer Kammer 6, welche sich im Wirkungsbereich eines im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Ringofen ausgebildeten Ofens 4 befindet.The device for producing the optical elements, as shown schematically in FIG. 4, consists of a chamber 6 , which is located in the effective range of a furnace 4 designed in the present exemplary embodiment as a ring furnace.
Ofen 4 und/oder Kammer 6 können entlang der Achse 7 bewegt werden. Die Kammer 6 weist ein Ventil 9 auf, über welches der Druck im Kammerinnenraum 6a beeinflußt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Luft auf dem Kammerinnenraum 6a abgepumpt. Das Mikrokanalelement 1 ist durch eine Kappe 8 hermetisch verschlossen, wobei die Kappe 8 mittels eines hochtemperaturbeständigen Klebstoffes befestigt ist. Oven 4 and / or chamber 6 can be moved along axis 7 . The chamber 6 has a valve 9 , via which the pressure in the chamber interior 6 a can be influenced. In the present embodiment, the air is pumped out of the chamber interior 6 a. The microchannel element 1 is hermetically sealed by a cap 8 , the cap 8 being fastened by means of a high-temperature-resistant adhesive.
Die durch den Innendruck in dem Mikrokanalelement 1 sowie die Plastizität des Materials bedingte Ausdehnung wird durch die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zweigeteilte Schablone 5 aus Graphit begrenzt und definiert die Endform des optischen Elementes.The expansion caused by the internal pressure in the microchannel element 1 and the plasticity of the material is limited by the graphite stencil 5, which is divided in the present exemplary embodiment, and defines the final shape of the optical element.
Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Schnitt durch die fertigen optischen Elemente entlang der Linie B-B in Fig. 4. Im Vergleich zu den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß sich die Kanäle 3 erweitert und einen sechseckigen Querschnitt eingenommen haben. Das Material zwischen den Kanälen 3 ist bis auf die Grenzbereiche zwischen den Kanälen 3 reduziert. FIGS. 5 and 6 show a section through the finished optical elements along the line BB in Fig. 4. In comparison to FIGS. 2 and 3 it can be seen that the channels 3 expanded and have taken a hexagonal cross-section. The material between the channels 3 is reduced to the border areas between the channels 3 .
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Variation der Merkmale weitere Ausführungsbeispiele zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to that described here Embodiments limited. Rather it is possible by combining and varying the characteristics to realize further embodiments without the Leave the scope of the invention.
Claims (19)
daß Mikrokanalelemente mit einer Vielzahl von Kanälen beidseitig hermetisch verschlossen und bis zur Plastizität erwärmt werden,
in den Kanälen ein Überdruck gegenüber dem Außendruck erzeugt wird, wodurch
die Kanäle sich durch den Druckunterschied zwischen ihrem Innenraum und der äußeren Umgebung sowie der Plastizität des Materials erweitern und
die räumliche Ausdehnung der Mikrokanalelemente begrenzt wird.1. A process for the production of optical elements for capillary optics, characterized in that
that microchannel elements with a large number of channels are hermetically sealed on both sides and heated to plasticity,
an overpressure compared to the external pressure is generated in the channels, whereby
the channels widen due to the pressure difference between their interior and the outside environment and the plasticity of the material and
the spatial expansion of the microchannel elements is limited.
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