CN102903584B - 碳复合支撑结构 - Google Patents

Abstract

X射线窗的支撑结构，其包括碳复合肋条，基底中包含碳纤维。支撑结构可包括限定周边和孔口的支撑框架、包含延伸经过支撑框架孔口并由支撑框架支撑的碳复合材料的多个肋条、和多个肋条之间的开口。膜可布置在多个肋条上，由多个肋条支撑，并跨越多个肋条，并且可布置在开口上和跨越开口。

Description

碳复合支撑结构

背景

支撑结构如X射线窗支撑结构中支撑元件坚固而尺寸小巧是至关重要的。X射线窗的支撑结构可支撑膜。X射线窗可用于封装X射线源或检测装置。X射线窗可用于隔离压差，如窗一侧大气压和另一侧真空，同时能使X射线通过该窗。

X射线窗可包括由支撑结构支撑的薄膜，该支撑结构一般由框架支撑的肋条（肋条）组成。支撑结构可用于使薄膜的下垂或损坏最小化。支撑结构可干涉X射线的通过，因此可需要肋条尽可能细或窄，同时仍保持足够的强度以支撑薄膜。通常希望支撑结构和膜坚固到足以耐受约1大气压的压差，而无下垂或损坏。

含硅材料已被用作支撑结构。这种材料的薄片可经蚀刻形成支撑结构。

X射线窗的相关信息可在美国专利号4,933,557、7,737,424、7,709,820、7,756,251和美国专利申请号11/756,962、12/783,707、12/899,750、13/018,667、61/408,472、61/445,878、61/408,472中找到，在此将其引入作为参考。X射线窗的相关信息还可在“Trial use of carbon-fiber-reinforced plastic as a non-Bragg windowmaterial of x-ray transmission”，Nakajima等，Rev.Sci.Instrum 60（7），pp.2432-2435，1989年7月中找到。

概述

已经认识到提供坚固的支撑结构将是有利的。对于X射线窗，已经认识到提供最小化X射线衰减的支撑结构将是有利的。本发明涉及满足这些需要的支撑结构和制造满足这些需要的支撑结构的方法。

在一个实施方式中，设备包括限定周边和孔口（口区，aperture）的支撑框架以及多个包含碳复合材料的肋条，该肋条延伸经过支撑框架的孔口，并由支撑框架支撑。该多个肋条之间存在开口。膜可布置在该多个肋条上，由该多个肋条支撑，并跨越该多个肋条，并可布置在开口上和跨越开口。膜可被设置以使辐射经其通过。

在另一个实施方式中，制造碳复合支撑结构的方法包括在压板的无粘性表面之间挤压至少一片碳复合物和将该片材（一个或多个）加热至至少50℃以将该片材（一个或多个）固定到碳复合物薄片中。各片材均具有20至350微米（μm）的厚度。然后可移除薄片，并且可在薄片中激光切割多个开口，形成肋条。

附图简述

图1是根据本发明实施方式所述碳复合支撑结构的示意性横截面侧视图；

图2是根据本发明实施方式所述碳复合支撑结构的示意性横截面侧视图；

图3是根据本发明实施方式所述碳复合物薄片的示意性顶视图；

图4是根据本发明实施方式所述碳复合支撑结构的示意性顶视图，其中碳复合材料中的碳纤维在方向上对齐经过支撑框架孔口的多个肋条的纵轴；

图5是根据本发明实施方式所述碳复合支撑结构的示意性顶视图，该碳复合支撑结构含有碳复合材料，该碳复合材料包含以两个不同方向在方向上对齐的碳纤维；

图6是根据本发明实施方式所述肋条具有至少两种不同的横截面尺寸的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图7是根据本发明实施方式所述具有交叉肋条的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图8是根据本发明实施方式所述具有六角形开口和六角形肋条的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图9是根据本发明实施方式所述具有六角形开口、六角形肋条并且碳纤维在方向上对齐肋条纵轴的碳复合支撑结构的部分的示意性顶视图；

图10是根据本发明实施方式所述具有三角形开口、三角形肋条并且碳纤维在方向上对齐肋条纵轴的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图11是根据本发明实施方式所述两个肋条在一个方向上延伸和两个肋条在不同方向延伸并且碳纤维在方向上对齐肋条纵轴的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图12是根据本发明实施方式所述包括碳复合支撑结构的多个堆叠支撑结构的示意性横截面侧视图；

图13是根据本发明实施方式所述包括碳复合支撑结构的堆叠支撑结构的示意性顶视图；

图14是根据本发明实施方式所述包括碳复合支撑结构的堆叠支撑结构的示意性顶视图；

图15是根据本发明实施方式所述包括碳复合支撑结构的多层支撑结构的示意性横截面侧视图；

图16是根据本发明实施方式所述不规则形状支撑框架的示意性顶视图；

图17是根据本发明实施方式所述具有不规则形状支撑框架的支撑结构的示意性顶视图；

图18是根据本发明实施方式所述具有不完全围绕或封闭肋条的支撑框架的支撑结构的示意性顶视图；

图19是根据本发明实施方式所述X射线检测器的示意性横截面侧视图；

图20是根据本发明实施方式所述附于底座的X射线窗的示意性横截面侧视图；

图21是显示根据本发明实施方式所述挤压和加热至少一片碳复合物以形成碳复合物薄片的示意性横截面侧视图；

图22是根据本发明实施方式所述布置在支撑框架上并由支撑框架支撑的肋条的示意性顶视图；

图23是根据本发明实施方式所述附于底座并且支撑框架朝向底座内部的X射线窗的示意性横截面侧视图；

图24是根据本发明实施方式所述附于底座并且支撑框架朝向底座外部的X射线窗的示意性横截面侧视图；

图25是根据本发明实施方式所述包括布置在多个肋条之间的多个横拉条（cross-brace）的碳复合支撑结构的示意性顶视图；

图26是根据本发明实施方式所包括布置在多个肋条之间的多个横拉条的碳复合支撑结构的示意性顶视图。

定义

●如本文所用，术语“约”或“大约”用于通过假定给定值可以是端点“略上”或“略下”而为数值或范围提供灵活性。

●如本文所用，术语“碳纤维”（“carbon fiber”或“carbon fibers”）意为固态基本圆柱形结构，其具有至少85%碳的质量分数、至少5微米的长度和至少1微米的直径。

●如本文所用，在涉及碳纤维与肋条对齐时，术语“在方向上对齐（directionally aligned）”意为，碳纤维基本对齐肋条纵轴，而无需碳纤维准确对齐肋条纵轴。

●如本文所用，术语“肋条”意为支撑元件，并可自身或联合其他肋条线性或具有弯曲或曲线地延伸经过支撑框架的孔口。

●如本文所用，术语“基本上”指作用、特征、性质、状态、结构、项目或结果完全或近似完全的程度（extent或degree）。例如，″基本上″被封闭的物体将意为该物体被完全封闭或被近似完全封闭。偏离绝对完全性的精确允许程度在一些情况下可取决于特定的背景。但是，一般来说，完全的近似度将是具有相同总体结果的，如同实现了绝对和总体的完全。在以消极含义使用时，″基本上″的应用同样可用于指完全或近似完全地缺少作用、特征、性质、状态、结构、项目或结果。

详述

现将参考附图所示的示例性实施方式，并且在此采用具体语言对其进行描述。但要理解的是，并不意图由此限制本发明的范围。相关领域且具有本公开的技术人员将想到的本文所示例的发明特征的替代和进一步改变以及本文示例的发明原理的其他应用均被认为在本发明范围内。

如图1所示，显示支撑结构10包括支撑框架12和多个肋条11。支撑框架12可包括周边P和孔口15。多个肋条11可包含碳复合材料，可延伸经过支撑框架12的孔口15，并可由支撑框架12支撑。开口14可在多个肋条11之间。肋条11的顶端可基本上终止于共同的平面16。

碳复合材料可包含嵌入基底的碳纤维。碳纤维在一个实施方式中可包含至少85%的碳质量分数，在另一个实施方式中可包含至少88%的碳质量分数，在另一个实施方式中可包含至少92%的碳质量分数，或在另一个实施方式中可包含100%的碳质量分数。碳纤维可包含与其他碳原子通过sp₂键合连接的碳原子。碳纤维在一个实施方式中可具有至少1微米的直径，在另一个实施方式中可具有至少3微米的直径，或在另一个实施方式中可具有至少5微米的直径。大部分、基本上全部或全部碳纤维在一个实施方式中可具有至少1微米的长度，在另一个实施方式中可具有至少10微米的长度，在另一个实施方式中可具有至少100微米的长度，在另一个实施方式中可具有至少1毫米的长度，或在另一个实施方式中可具有至少5毫米的长度。大部分、至少80%、基本上全部或全部碳纤维可对齐肋条。大部分、至少80%、基本上全部或全部碳纤维在一个实施方式中可具有至少是其所对齐的肋条长度一半的长度，或在另一个实施方式中至少与其所对齐肋条长度相同。碳纤维可基本上是直的。

在一个实施方式中，诸如，如果支撑结构被用作X射线窗，则膜13可布置在多个肋条11上，由多个肋条11支撑，并跨越多个肋条11，并可布置在开口14上和跨越开口14。可设置膜13以使辐射经其通过。例如，膜13可由这样的材料制成：具有低原子数，并可以是薄的，如例如约5至500微米（μm）。膜13可具有足以承受至少1个大气压的压差而无损坏的强度。膜13可具有密闭性或气密性。膜13可组合本文所述支撑结构中的一种和外壳，形成密闭的包围。

膜13可包括高度有序的热解石墨、氮化硅、聚合物、聚酰亚胺、铍、碳纳米管、嵌入聚合物的碳纳米管、金刚石、金刚石状碳、石墨烯（graphene）、嵌入聚合物的石墨烯、氢化硼、铝或这些不同材料的组合。膜13可包括堆层，并且堆层中的不同层可包含不同的材料。

在一个实施方式中，膜13包括堆叠在一起的多个层，包括布置在薄膜层上的铝层，该薄膜层包含选自如下的材料：高度有序的热解石墨、氮化硅、聚合物、聚酰亚胺、铍、碳纳米管、嵌入聚合物的碳纳米管、金刚石、金刚石状碳、石墨烯、嵌入聚合物的石墨烯、氢化硼及其组合。铝可以是气体阻隔层，从而提供密闭的膜。铝可用于防止可见光穿过窗。在一个实施方式中，铝层可具有10至60纳米之间的厚度。

膜13可在铝层上包括保护层。保护层可对铝提供防腐蚀保护。保护层可包含氨基膦酸酯、氮化硅、二氧化硅、硼磷硅酸盐（borophosphosilicate）玻璃、氟化烃、聚合物、双马来酰亚胺、硅烷、氟或其组合。保护层可通过如下施加：化学气相沉积、原子层沉积、溅射、浸入或喷射。聚合物保护层可包含聚酰亚胺。氨基膦酸酯用作保护层在美国专利号6,785,050中被述及，在此引入作为参考。

在一些应用中，如X射线荧光分析，可需要膜13包含具有低原子数的组分，如氢（1）、铍（4）、硼（5）和碳（6）。下列材料由低原子数组分氢、铍、硼和碳组成或包含大百分比的低原子数组分氢、铍、硼和碳：高度有序的热解石墨、聚合物、铍、碳纳米管、嵌入聚合物的碳纳米管、金刚石、金刚石状碳、石墨烯、嵌入聚合物的石墨烯和氢化硼。

在一个实施方式中，支撑框架12包含碳复合材料。支撑框架12和多个肋条11可由至少一层碳复合材料一起整体形成。如图1所示，支撑框架12和多个肋条11可具有基本上相同的厚度t1。

如图2所示，多个肋条11和支撑框架12可单独形成，可由单独的材料形成和/或可具有不同的厚度（t2≠t3）。在一个实施方式中，支撑框架12的厚度t3可比肋条11的厚度t2厚至少10% 在另一个实施方式中，支撑框架12的厚度t3可比肋条11的厚度t2厚至少20% 在另一个实施方式中，支撑框架12的厚度t3可比肋条11的厚度t2厚至少50%

为简化制造，可需要由单个碳复合物薄片一步形成肋条11和支撑框架12，如图1所示。在一个实施方式中，支撑框架12和多个肋条11由至少一层碳复合材料一起整体形成。支撑框架12和多个肋条11由至少一层碳复合材料一起整体形成可有利于简化制造。对于比肋条11更坚固的支撑框架12，可需要单独形成肋条11和支撑结构，和具有较厚的支撑结构12，如图2所示。

在一个实施方式中，肋条11和/或支撑框架12可具有在20至350微米（μm）之间的厚度t和/或在20至100微米（μm）之间的宽度。在另一个实施方式中，肋条11和/或支撑框架12可具有在10至300微米（μm）之间的厚度t和/或在10-200微米（μm）之间的宽度w。在一个实施方式中，相邻肋条11之间的间距S可在100至700微米（μm）之间。在另一个实施方式中，相邻肋条之间的间距S可在700微米（μm）与1毫米（mm）之间。在另一个实施方式中，相邻肋条之间的间距S可在1毫米与10毫米之间。大间距S使X射线能更容易地穿过窗，但也提供对膜13较少的支撑。较小的间距S可导致增加的不利的X射线衰减，但也提供对膜13较大的支撑。

支撑结构中可具有高强度的碳复合材料的应用可允许支撑框架12中高百分比的开放区域，和/或降低肋条11的整体高度，二者均是期望的特征，因为二者均提高窗通过辐射的能力。在一个实施方式中，开口14在支撑框架12的周边P内可比多个肋条11占据更大的面积。在多个实施方式中，开口14与多个肋条11相比在支撑框架12的周边P内可占据大于70%、大于90%、70%至90%、85%至95%、90%至99%或99%至99.9%的面积。

开口在支撑框架12的周边P内占据极大百分比面积的实施方式可用于使用坚固的膜并且仅需要最小限度支撑的应用。这种实施方式也可用于至少一个另外的支撑结构如另外的聚合物支撑结构布置在碳复合支撑结构与膜13之间的应用。

如图3所示，碳复合片材30可具有基本上以单一方向A1对齐的碳纤维31。如图4中的支撑结构40所示，碳纤维31可对齐，以使碳复合材料中的碳纤维31在方向上对齐经过孔口的多个肋条11的纵轴A1。

在多个附图和实施方式中，碳复合材料中的碳纤维31可在方向上对齐多个肋条11的纵轴。在一个实施方式中，全部碳纤维31可在方向上对齐多个肋条11的纵轴。在另一个实施方式中，基本上全部碳纤维31可在方向上对齐多个肋条11的纵轴。在另一个实施方式中，至少80%的碳纤维31可在方向上对齐多个肋条11的纵轴。在另一个实施方式中，至少60%的碳纤维31可在方向上对齐多个肋条11的纵轴。

碳纤维31可包括固体结构，该固体结构在一个实施方式中具有比碳纤维直径大至少5倍的长度，在另一个实施方式中具有比碳纤维直径大至少10倍的长度，在另一个实施方式中具有比碳纤维直径大至少100倍的长度，或在另一个实施方式中具有比碳纤维直径大至少1000倍的长度。

在一个实施方式中，支撑结构中的碳复合材料可包括至少两个碳复合片材的堆叠。堆叠中至少一个片材的碳纤维31可以与堆叠中至少另外一个片材的碳纤维31以不同的方向在方向上对齐。例如，图5所示的支撑结构50包括碳纤维31a以一个方向A1对齐的碳复合片材和碳纤维31b以另一个方向A2对齐的至少一个碳复合片材。在本文所述的多个实施方式中，支撑框架12可由与肋条11相同的碳复合片材（一个或多个）制成，或支撑框架12可与肋条11分别制成，并可由不同的材料制成。

在一个实施方式中，碳纤维31以不同方向对齐的片材之间的角度为至少10度（|A2-A1|＞10度）。在另一个实施方式中，碳纤维31以不同方向对齐的片材之间的角度为至少30度（|A2-A1|＞30度）。在另一个实施方式中，碳纤维31以不同方向对齐的片材之间的角度为至少45度（|A2-A1|＞45度）。在另一个实施方式中，碳纤维31以不同方向对齐的片材之间的角度为至少60度（|A2-A1|＞60度）。

在另一个实施方式中，碳复合材料中的碳纤维可随机对齐。例如，可应用具有随机对齐碳纤维的原始片材。或者，可堆叠和随机对齐多个片材。片材可被压在一起和切割以形成所需的支撑结构。

如图6所示，支撑结构60可包括多种尺寸的肋条11a-e。例如，不同的肋条可具有不同的横截面尺寸。这可通过以较大宽度w切割一些肋条和以较小宽度w切割其他肋条实现。5种不同的肋条横截面尺寸显示在图6中（11e>11d>11c>11b>11a）。

在一个实施方式中，多个肋条具有至少两种不同的横截面尺寸，包括至少一种较大尺寸的肋条，其横截面面积比至少一种较小尺寸的肋条的横截面面积大至少5%。在另一个实施方式中，不同肋条之间的横截面面积差异可以为至少10%。在另一个实施方式中，不同肋条之间的横截面面积差异可以为至少20%。在另一个实施方式中，不同肋条之间的横截面面积差异可可以为至少50%。不同肋条的横截面尺寸在2011年12月6日提交的美国专利申请号13/312,531中被述及，其要求享有2011年2月23日提交的美国临时专利申请号61/445,878的优先权，在此将二者引入作为参考。

如图7所示，支撑结构70可包括以不同方向A3和A4延伸的肋条11。例如，一个肋条或一组肋条11f可以方向A3延伸，而另一个肋条或另一组肋条11g可以另一个方向A4延伸。以不同方向延伸的肋条可垂直或不垂直地交叉。碳纤维可对齐肋条的纵向方向。例如，在图7中，其中一些碳纤维可在方向上对齐一个肋条或一组肋条11f的纵轴A3，而其他碳纤维可在方向上对齐另一个肋条或另一组肋条11g的纵轴A4。在一个实施方式中，碳纤维可基本上对齐两个不同方向A3或A4其中之一。

如图8所示，支撑结构80可包括非线性延伸经过支撑框架12的孔口15的肋条11。肋条可排列形成一个六角形开口或多个六角形开口14a，如图8所示。

图9显示支撑结构90的肋条11的放大部分，其碳纤维以三个不同方向A5-7对齐，并在方向上对齐至少一个肋条11的纵轴A5-7。一组碳纤维31h可在方向上对齐至少一个肋条11h的A5，另一组碳纤维31i可在方向上对齐至少另一个肋条11i的A6，而另一种碳纤维31j可在方向上对齐至少另一个肋条11j的A7。六角形碳复合支撑元件，特别是碳纤维对齐肋条11的六角形碳复合支撑元件，可提供坚固的支撑结构。

图10显示支撑结构100，其碳纤维以三个不同方向A8-10对齐并在方向上对齐至少一个肋条11的纵轴A8-10。一组碳纤维31k可在方向上对齐至少一个肋条11k的A8，另一组碳纤维31m可在方向上对齐至少另一个肋条11m的A9，而另一组碳纤维31n可在方向上对齐至少另一个肋条11n的A10。三角形碳复合支撑元件，特别是碳纤维对齐肋条11的三角形碳复合支撑元件，可提供坚固的支撑结构。

肋条排列的选择，无论是全部平行、六角形、三角形或其他形状，均可取决于以下制成：所需的强度、肋条必须跨越的距离、肋条支撑的膜类型和可制造性。

如图11所示，支撑结构110可包括少量肋条11，如例如两个不同方向A11-12各两个肋条11。或者，该结构可仅包括一个肋条、两个不同方向各一个肋条或至少三个不同方向各一个肋条。这可以是支撑非常坚固并且仅需要最小限度支撑的膜13所需的。碳纤维31p & 31o可在方向上对齐肋条11的纵轴。例如，如图11所示，碳纤维31o可在方向上对齐肋条11o的纵轴A11，碳纤维31p可在方向上对齐肋条11p的纵轴A12。

图12显示，支撑结构120可包括多个堆叠的支撑结构127-128。第一支撑结构127可包括第一支撑框架12，该第一支撑框架12限定周边P和孔口15；多个第一肋条11，延伸经过孔口15。第一肋条11可由第一支撑框架12支撑。开口14可存在于第一肋条11之间。肋条可包含碳复合材料。第一支撑结构127可根据本文所述不同碳复合支撑结构其中之一而制成。第一肋条11的顶端可基本上终止于一个平面16。

第二支撑结构128可堆叠在第一支撑结构127上，因此在第一支撑结构127与膜13之间，如图12所示。或者，第一支撑结构127可堆叠在第二支撑结构128上，因此第一支撑结构127可布置在第二支撑结构128与膜13之间。第二支撑结构128可在第一肋条11终止的平面16连接于第一支撑结构127。

第二支撑结构128可包括第二支撑框架122，该第二支撑框架122限定周边P和孔口125；和多个第二肋条121，延伸经过孔口125。第二肋条121可由第二支撑框架122支撑。开口124可存在于第二肋条121之间。第二支撑结构128可至少部分布置在第一支撑结构127与膜13之间，或第二支撑结构128可完全布置在第一支撑结构127与膜13之间。第二肋条121的顶端可基本上终止于一个平面126。

在一个实施方式中，第二支撑框架122和第二支撑肋条121整体地形成，并可由相同材料制成。在另一个实施方式中，第二支撑框架122和第二支撑肋条121非整体地形成，其被单独制成，然后连接在一起，并且可由不同材料制成。

在另一个实施方式中，第一支撑框架12和第二支撑框架122是一个支撑框架，并且支撑第一肋条11和第二肋条121。第一支撑框架12和第二支撑框架122可整合地形成，并可由相同材料制成。第一支撑框架12、第一肋条11和第二支撑框架122可整体地形成，并可由相同材料制成。因此第二肋条121可由第一肋条11、第一支撑框架12和/或第二支撑框架122支撑。

在一个实施方式中，第一肋条11包括第二肋条121的支撑框架122。例如，可形成第一支撑结构127，可形成第二肋条121，然后可将第二肋条121置于第一支撑结构127上或使其连接于第一支撑结构127。可在第一或第二支撑结构或二者上喷射粘合剂，可挤压两个支撑结构，并通过该粘合剂将其粘合在一起。

在一个实施方式中，第二支撑结构128包含聚合物。在另一个实施方式中，第二支撑结构包含光敏性聚酰亚胺。光敏性聚合物对支撑结构的应用被述及于美国专利号5,578,360，在此引入作为参考。

图13-14显示支撑结构130 & 140的顶视图，分别具有第一和第二支撑结构。在图13中，第二肋条121a由第一肋条11和第二支撑框架132支撑。在图14中，第二肋条121b由第一肋条11和第一支撑框架142支撑。因此，支撑框架142可充当第一和第二支撑框架。

图15显示，支撑结构150可包括多个堆叠的支撑结构157-158。第一支撑结构157可包括第一支撑框架12，该第一支撑框架12限定周边P和孔口15；多个第一肋条11，延伸经过孔口15。第一肋条11可由第一支撑框架12支撑。开口14可存在于第一肋条11之间。肋条可包含碳复合材料。第一支撑结构157可根据本文所述的多种碳复合支撑结构其中之一而制成。

第二支撑结构158可至少部分布置在第一支撑结构157上。第二支撑结构158可包括第二支撑框架152，该第二支撑框架152限定周边P和孔口155；和多个第二肋条151，延伸经过孔口155。第二肋条151可由第二支撑框架158和/或第一肋条11支撑。开口154可存在于第二肋条151之间。第二支撑结构158可至少部分布置在第一支撑结构157与膜13之间。第二肋条151的顶端可基本上终止一个平面156。

一些第二肋条151b可布置在第一肋条11或第一支撑结构12与膜之间。其他肋条151a可向下延伸，并部分布置在第一肋条11之间。该实施方式可通过先生成第一支撑结构157，然后在第一支撑结构157上注入液态光敏性聚合物实现。光敏性聚合物可经图案化和衍变（developed），形成肋条151和使聚合物硬化。

堆叠的支撑结构可用于跨越远距离。例如，利用聚合物支撑结构跨越远距离可能是不切实际的。基础碳复合支撑结构的应用可使聚合物支撑结构能够跨越所需远距离。

本文附图大多数显示圆形的支撑框架。虽然利用圆形支撑框架可以更加方便，但其他支撑框架形状也可用于本文所述的多个实施方式。图16显示不规则形状的支撑框架162，其具有周边P和孔口15。图17显示支撑结构170，其肋条11连接于不规则形状的支撑框架162。外肋条可形成支撑框架。

本文附图大多数显示完全包围和封闭肋条的支撑框架。具有封闭周边的支撑框架可对肋条提供较大的强度和支撑，因此是优选的实施方式；但是，本文所述的多个实施方式不限于完全封闭的支撑框架。图18显示支撑结构180，其支撑框架12中具有开口182。因此，支撑框架12无需完全包围和封闭肋条11。图16-18所示实施方式可用于本文所述支撑结构的多个实施方式。

如图19所示，X射线检测装置190可包括根据本文所述其中一个实施方式所述的支撑结构195。膜13可布置在支撑结构195上。支撑结构和膜13可包括X射线窗196。X射线窗196可以密封于底座192。X射线检测器191也可连接于底座192。底座192和窗196可包括密封的包围。可设置窗196以使X射线194能够冲击到检测器191——如通过选择允许X射线194经其通过的窗196和将检测器191对准窗194。在一个实施方式中，支撑框架12和底座192相同，并且多个肋条11连接于该支撑框架12和底座192。膜13可密封于底座192，并且X射线检测器191可连接于底座。X射线窗196和底座192也可用于比例计数器、气体电离室和X射线管。

如图20所示，安装的窗200可包括膜13，该膜13布置在支撑结构201上，该支撑结构201连接于底座202。支撑结构201可以是本文所述实施方式其中之一，包括碳复合肋条11。膜13可包括堆叠在一起的多个层，包括薄膜层203和外层205。外层205可包括至少一层聚合物、至少一层氢化硼、至少一层铝或这些层的组合。薄膜203可由选自如下的材料组成：高度有序的热解石墨、氮化硅、聚合物、聚酰亚胺、铍、碳纳米管、嵌入聚合物的碳纳米管、金刚石、金刚石状碳、石墨烯、嵌入聚合物的石墨烯或这些不同材料的组合。

薄膜203、支撑结构201或二者可密封于底座202，限定密封接合处204。外层205可延伸越过薄膜层203的周边，并可覆盖密封接合处204。外层205可为密封接合处提供防腐蚀保护。

图23-24显示，X射线窗230可连接于底座231。窗230可密封于底座231。X射线窗230可以是本文所述多个实施方式其中之一。窗230和底座231可封闭内部空间232。内部空间232可以是真空。

如图23所示，多个肋条11可布置在膜13与内部空间232之间。如图24所示，膜13可布置在多个肋条11与内部空间232之间，因此多个肋条11可通过膜13与内部空间232分隔。

在膜13与内部空间232之间具有肋条11，如图23所示，可使膜13更容易被支撑，但此实施方式可具有某些碳复合材料组分漏气（outgassing）进入内部空间232的真空从而减弱真空的缺陷。该问题是否发生取决于真空水平和所用碳复合材料的类型。

解决碳复合材料组分漏气进入内部空间232的问题的一个方式是将膜13置于肋条11于内部空间232之间。这种设计的难点是窗230和底座231外的气压233可压迫膜13远离支撑结构12和/或肋条11。因此，图24的实施方式可能需要膜13与肋条11和/或支撑结构12之间更坚固的粘合。

这种膜13与肋条11和/或支撑结构12之间更坚固的粘合可通过聚酰亚胺或其他高强度粘合剂的应用实现。可能需要选择粘合剂以达到窗将经受的预期温度。同样可能需要选择不会漏气的粘合剂。膜13与肋条11和/或支撑结构12之间的粘合可通过在接合表面前处理肋条11、支撑结构12和/或膜13的表面而提高。表面处理可包括应用氢氧化钾溶液或氧等离子体。

另一种解决碳复合材料漏气进入内部空间232的问题的方法是选择不会漏气或将具有最低限度漏气的碳复合材料。包含嵌入含有聚酰亚胺和/或双马来酰亚胺的基底的碳纤维的碳复合材料可由于低漏气而优选。聚酰亚胺和双马来酰亚胺也由于其耐高温能力和其结构强度而适合。

如图25-26中X射线窗250和260所示，多个肋条11r可基本上是直的，相互平行，并排列经过支撑框架的孔口。窗250和260可进一步包括在多个肋条的相邻肋条之间延伸的多个中间支撑横拉条251。横拉条251可跨越相邻肋条之间的开口，而不跨越支撑框架的孔口。横拉条251可包含碳复合材料。多个横拉条251可基本上垂直于多个肋条11r。

横拉条251可相对于相邻开口的相邻横拉条251侧向偏移，使得横拉条251相互分割而不连续。例如，在图25中，中央横拉条251a布置在肋条11r交替对之间，并且布置在大约孔口14的中点；外横拉条251b布置在肋条11r交替对之间，并自孔口14的中点偏移。因此，中央横拉条251a和外横拉条251b均布置在肋条11r交替对之间，但中央横拉条251a与外横拉条251b布置在不同的肋条11r交替对之间。

横拉条251可布置在平行于自支撑框架经过孔口的肋条的直线上大约三分之一距离处。横拉条251可相对于相邻开口的相邻横拉条251侧向偏移，使得横拉条251可相互分割而不连续。例如，在图26中，上横拉条251c（由于其位置在图中上部而被称为上）可布置在肋条11r交替对之间，并布置在大约经过孔口14的三分之一距离处。下横拉条251d（由于其位置在图中下部而被称为下）可布置在肋条11r交替对之间，该肋条11r交替对不同于上横拉条251c所在的肋条11r交替对。下横拉条251d可布置在经过孔口14的三分之一距离处，但该三分之一距离起始于与上横拉条251c相反的孔口一侧。

如何制备：

碳复合片材（或单个片材）可用于制备碳复合物薄片。由于碳复合材料的韧性，可能难以切割X射线窗所需的小肋条。可通过激光压印（mill）（也被称为激光烧蚀或激光切割）将肋条切成预期图案的薄片。

可基于用途选择最佳的基底材料。包含嵌入含有聚酰亚胺和/或双马来酰亚胺的基底的碳纤维的碳复合材料可由于低漏气、耐高温能力和高结构强度而被优选。

可选择具有足够长度碳纤维的复合物提高结构强度。一些应用可优选延伸经过窗的整个孔口的碳纤维。

碳复合片材（一个或多个）可包含嵌入基底的碳纤维。基底可包括聚合物，如聚酰亚胺。基底可包括双马来酰亚胺。基底可包括非晶碳或氢化非晶碳。基底可包括陶瓷。陶瓷可包括氮化硅、氮化硼、碳化硼或氮化铝。

在一个实施方式中，碳纤维可占据碳复合材料总体积的10-40体积%，基底可占据其余体积%。在另一个实施方式中，碳纤维可占据碳复合材料总体积的40-60体积%，基底可占据其余体积%。在另一个实施方式中，碳纤维可占据碳复合材料总体积的60-80体积%，基底可占据其余体积%。碳复合物中的碳纤维可基本上是直的。

碳薄片可通过在升高的温度下，如在烤箱中，挤压例如在压板之间的至少一个碳复合片材而形成。或者，可用辊挤压片材。可加热压板或辊从而加热片材。片材可被加热至至少50℃。可应用单个片材或多个片材。碳复合片材（一个或多个）中的碳纤维可随机对齐，可以一个方向对齐，可以两个不同方向对齐，可以三个不同方向对齐，或可以多于三个不同方向对齐。

在挤压片材前，聚酰亚胺层可被粘合（如以压力）于碳复合片材（一个或多个）的一个表面。可将聚酰亚胺层置于碳复合片材之间或碳复合片材堆层外表面上。聚酰亚胺层可与碳复合片材（一个或多个）一起被切割成肋条，并可保持作为最终支撑结构的永久部分。在一个实施方式中，聚酰亚胺膜层的厚度可在5与20微米之间。聚酰亚胺层的一个目的是使碳复合片材（一个或多个）的一侧光滑而平坦，使X射线窗膜容易粘合。另一个目的是提高最终的肋条强度。聚酰亚胺层可被另一种适当的聚合物替代。高温耐受性和高强度是聚合物的两个理想特征。

在一个实施方式中，单个片材的碳纤维或堆层中所有片材的碳纤维以一个方向对齐。第一组肋条或单个肋条可经切割以使肋条（一个或多个）的纵轴对齐碳纤维的方向。

在另一个实施方式中，至少两个碳复合片材被堆叠和挤压为薄片。至少一个片材的碳纤维以第一方向对齐，至少另一个片材的碳纤维以第二方向对齐。第一组肋条或单个肋条，可经切割使第一方向的纵轴对齐以第一方向对齐的碳纤维，而第二组肋条或单个肋条，可经切割使第二方向的纵轴对齐以第二方向对齐的碳纤维。在一个实施方式中，两个不同方向之间的角度为至少10度。在另一个实施方式中，两个不同方向之间的角度为至少60度。在另一个实施方式中，两个不同方向之间的角度为约90度。

在另一个实施方式中，至少三个碳复合片材被堆叠和挤压为薄片。至少一个片材的碳纤维以第一方向对齐，至少一个片材的碳纤维以第二方向对齐，至少一个片材的碳纤维以第三方向对齐。第一组肋条或单个肋条，可经切割使第一方向的纵轴对齐以第一方向对齐的碳纤维；第二组肋条或单个肋条，可经切割使第二方向的纵轴对齐以第二方向对齐的碳纤维；而第三组肋条或单个肋条，可经切割使第三方向的纵轴对齐以第三方向对齐的碳纤维。两个不同方向之间的角度可以为约120度。该结构可形成六角形或三角形开口。

在一个实施方式中，堆层中的各碳复合片材可具有20至350微米（μm）之间的厚度。

用于将碳复合片材压成薄片的板可具有朝向碳复合物片材（一个或多个）的无粘性表面。该板可具有朝向片材的氟化平面硅表面。例如，图21显示压机210，其包括两个板211和至少一个碳复合片材212，该碳复合片材212在两个板211之间。碳复合片材（一个或多个）212可包括聚酰亚胺或其他聚合物的层。

压力P可被施加于碳复合片材（一个或多个）212，并且碳复合片材（一个或多个）（和任选地聚合物如聚酰亚胺层）可被加热至至少50°C的温度，从而将碳复合物片材（一个或多个）加工为碳复合物薄片。温度、压力和时间可基于片材厚度、片材数量、基底材料和薄片的预期最终特征调整。例如，聚酰亚胺基底中包含碳纤维的碳复合片材已在压强200–3000psi下，温度120-200℃和原始片材厚度180微米（μm）下被制成薄片。

可将薄片从压机中移开，并可将薄片切割以形成肋条和/或支撑框架。可通过激光压印或激光烧蚀切割薄片。高能激光可利用短脉冲激光烧蚀材料，通过超快速激光烧蚀形成开口。可利用飞秒（fetosecond）激光。短脉冲高能激光下烧蚀薄片材料可用于避免过度加热碳复合物的聚合物材料。或者，可利用非脉冲激光，并且可通过其他方法冷却薄片，如移除传导或对流加热。薄片可通过水流或空气经过薄片而冷却。上述冷却方法也可用于激光脉冲，如飞秒激光，如需另外冷却。

激光形成的肋条可由单个原碳复合材料层或多个碳复合材料层形成，并可包括至少一层聚酰亚胺。如果在堆层中应用聚酰亚胺层，那么肋条可包含碳复合物和聚酰亚胺，因此聚酰亚胺肋条将连接于碳复合肋条并与碳复合肋条对齐。

如图22中支撑结构220所示，肋条11可独立于支撑结构12形成。然后可将肋条11置于支撑框架12上。可利用粘合剂将肋条固定在适当的位置。支撑框架12可以是环材料或底座，如图19所示底座192或图20所示底座202。

要理解的是，以上涉及的安排仅为示例本发明原理的应用。可做出多种改变和替代安排，而没有脱离本发明的精神和范围。虽然本发明已被显示在附图中，并且在上文中联合当前被认为是本发明最具实践性和优选的实施方式（一个或多个）被充分描述了特性和细节，但对于本领域普通技术人员显而易见的是，可做出多种改变而没有脱离本文提出的本发明的原理和概念。

Claims (14)

1.允许X射线透射的窗，包括：

a)支撑框架，限定周边和孔口；

b)多个肋条，延伸经过所述支撑框架的所述孔口，并由所述支撑框架支撑，所述支撑框架和多个肋条构成支撑结构；

c)开口，在所述多个肋条之间；

d)膜，布置在所述多个肋条上，由所述多个肋条支撑，并跨越所述多个肋条，并且布置在所述开口上和跨越所述开口，以及被设置以使辐射经其通过；

e)所述支撑结构包含碳复合材料；

f)所述碳复合材料包含碳纤维，所述碳纤维嵌入基底；和

g)所述支撑框架和所述多个肋条由至少一层碳复合材料一起整体形成。

2.权利要求1所述的窗：

a)其中所述多个肋条是直的，并相互平行，并且排列经过所述支撑框架的所述孔口；和

b)进一步包括多个中间支撑横拉条，所述横拉条：

i.包含碳复合材料；

ii.在所述多个肋条的相邻肋条之间延伸；和

iii.跨越相邻肋条之间的开口，而没有跨越所述支撑框架的所述孔口。

3.权利要求2所述的窗，其中所述多个横拉条相对于相邻开口的相邻横拉条侧向偏移，使得所述多个横拉条相互分割而不连续。

4.权利要求3所述的窗，其中所述多个横拉条布置在平行于自所述支撑框架经过所述孔口的所述多个肋条的直线上三分之一距离处。

5.权利要求1所述的窗，其中：

a)所述支撑结构限定第一支撑结构；

b)第二支撑结构至少部分布置在所述第一支撑结构与所述膜之间；

c)所述第二支撑结构包括：

i.第二支撑框架，限定第二周边和第二孔口；

ii.多个第二肋条，延伸经过所述第二支撑框架的所述第二孔口，并由所述第二支撑框架支撑；

iii.开口，在所述多个第二肋条之间；和

iv.光敏性聚酰亚胺。

6.权利要求1所述的窗，其中所述基底包含非晶碳或氢化非晶碳。

7.权利要求1所述的窗，其中所述基底包含选自聚酰亚胺、双马来酰亚胺及其组合的材料。

8.权利要求1所述的窗，其中所述碳复合材料中至少80％的碳纤维在方向上对齐经过所述孔口的所述多个肋条的纵轴。

9.权利要求8所述的窗，其中所述碳复合材料中至少80％的碳纤维具有至少是其所构成的肋条长度一半的长度。

10.权利要求1所述的窗，其中：

a)所述多个肋条包括交叉肋条；

b)所述多个肋条的顶端终止于共同的平面；

c)所述碳复合材料包括至少两个碳复合片材的堆叠；和

d)各所述碳复合片材中的碳纤维在方向上对齐所述多个肋条至少其中之一的纵轴。

11.权利要求1所述的窗，其中所述碳复合材料由至少一个碳复合片材制成，所述至少一个碳复合片材被挤压或卷在一起形成碳复合物薄片，并且所述薄片被激光切割形成所述多个肋条。

12.权利要求1所述的窗，其中包含碳复合材料的所述多个肋条进一步包括聚酰亚胺肋条层，所述聚酰亚胺肋条层连接于并对齐所述碳复合肋条，并且其中所述聚酰亚胺肋条层布置在所述碳复合肋条与所述膜之间。

13.权利要求1所述的窗，其中：

a)所述肋条具有在20至350微米之间的厚度和在20至100微米之间的宽度；和

b)相邻肋条之间的间距在100至700微米之间。

14.制造碳复合支撑结构的方法，所述方法包括：

a)提供至少一个碳复合物片材，每个片材具有在20至350微米之间的厚度；

b)在压板之间挤压所述至少一个碳复合物片材，所述压板具有无粘性表面，所述无粘性表面朝向所述至少一个碳复合物片材；

c)加热所述至少一个碳复合物片材至至少50℃的温度，从而将所述至少一个碳复合物片材加工成碳复合物薄片；和

d)通过激光烧蚀在所述碳复合物薄片中切割多个开口，所述多个开口通过肋条分隔，

其中所述碳复合支撑结构的支撑框架和肋条由所述至少一个碳复合物片材一起整体形成。