CN108714625B - X射线光栅的制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型X射线光栅的制作工艺，包括以下步骤:S1：碾压金属板；S2：制作复合膜；S3：制作复合膜堆；S4：切割；S5：封装；本发明采用物理滚压技术加工重金属板和轻金属板，得到预定厚度，加工过程简单；采用常规金属切割方法如激光切割，切割所述复合膜堆，通过复合膜堆的数量控制被切割的复合膜堆的厚度；由重金属板与轻金属板的厚度比例调节光栅的占空比，不同占空比调节光栅的效果；切割过程和封装过程均可量化进行，加工方便，可一次生产出大量光栅。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及一种X射线光栅的制作工艺。
背景技术
自从1895年德国物理学家伦琴发现X射线以来，X射线成像技术已经伴随人类走过了一个多世纪的时间，在医学、生物学、材料科学、工业以及安全检查等众多与人类生活息息相关的领域取得了令人瞩目的成果；例如在医学成像中众所周知的射线计算机断层成像技术(CT)，以及广泛应用于地铁、机场的X射线安全检查设备，它们对于提高人们生活质量，维护社会安全起到了举足轻重的作用。
传统的X射线成像技术是利用物质对X射线的衰减特性来对物体进行成像，常用于检测金属等重元素材料所构成的物质；但是，在医学和材料科学中，像人体的关节软骨，乳腺以及聚乙烯材料等这些以轻元素为主构成的物质,，例如碳、氢、氧和氮，它们对X射线来说通常是弱吸收物质；对于这些物质而言，传统的X射线成像方法几乎无法看到它们的内部结构；一个具体的例子是医学中的乳腺成像；乳腺癌是世界各地女性最常见的恶性肿瘤之一，居女性恶性肿瘤中的第二位；由于乳腺正常组织与癌变组织对于射线的衰减性质差异很小，现有的乳房射线照相术(Mammography)其早期检查的漏报率非常高，尽管乳房射线照相术得到广泛的应用，但是其并不是万能的解决方案，研究表明，约10%的乳癌用传统乳房线照相术是检查不出来的。
为了弥补传统的X射线成像方法在弱吸收物质成像方面的不足，X射线相衬成像技术应运而生；与传统的利用物质对X射线衰减性质进行成像的方法不同，X射线相衬成像技术利用X射线具有“波粒二象性”的特点，通过探测物质引起X射线的相移(即相位变化)来进行成像；对于轻元素物质来说，其引起X射线相移的程度要比其对X射线的衰减大1000倍以上；因此对于弱吸收物质来说，探测物体引起X射线相移的信息要比探测X射线衰减的信息有效。
目前，X射线相位衬度成像主要以Talbot-Lau干涉法的光栅成像方法，其成像结构装置如图7；这一系统使用了三块光栅：源光栅G0，相位光栅G1，吸收光栅G2；
在Talbot-Lau干涉法的光栅成像方法中，吸收光栅作为成像系统的重要部件，光栅的参数对成像质量的好坏起着决定性的作用；通过改善加工工艺制作大深宽比的光栅对于X射线光栅相位衬度成像尤为重要。
传统的吸收光栅制作方法：
LIGA：MEMS加工技术，常用于制作大深宽比结构，于上世纪80年代由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心提出，光刻（Lithographie）、电铸成型（Galvanoformung）和注塑（Abformung），将三者结合起来就是LIGA技术。但是在研究的过程中发现在用次方法制作光栅时经常会发生光栅断裂坍塌等结构失效的现象。
光助电化学刻蚀技术：常用于制作大深宽比微结构，目前广泛应用于制作X射线相位光栅，也作为制作吸收光栅的重要手段。光助电化学刻蚀技术最初由德国人Vlehmann于1990年提出，他给出了刻蚀的基本装置并解释了理论模型。电化学刻蚀广泛应用于微结构制作，尤其是对于大深宽比的结构；瑞士保罗谢勒研究所（PSI）研发了利用金属辅助化学腐蚀（MACE）技术制作X射线衍射光栅，先利用真空紫外波段光刻技术在衬底的光刻胶上形成周期为2-5um的光栅条纹，然后蒸镀上金属膜，除掉光刻胶，将其放入由HF，H2O和H2O2溶液构成的腐蚀液中，就可以得到需要的光栅结构，腐蚀率由腐蚀时间和金属膜形态决定；除了以上介绍的方法外，还有金属蒸发工艺光刻刻蚀结合方法等制作光栅的技术手段；
但是上述方法中，LIGA技术制作成本高，制作面积小，光助电化学刻蚀方法流程复杂，而且制作过程中硅基电阻率、温度、腐蚀液等对刻蚀结构的影响较大，难以控制，并且在之后的高原子序数金属填充过程中，填充工艺复杂，条件苛刻。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种X射线光栅的制作工艺，利用物理滚压技术，实现光栅量产化，工艺条件简单，从根本上解决工艺复杂，条件苛刻的问题。
为了达到上述目的，本发明公开了一种X射线光栅的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤:
碾压金属板：选取一块对X射线强吸收的重金属板和一块对X射线弱吸收轻金属板，利用物理滚压技术将所述重金属板和所述轻金属板至相同厚度。
制作复合膜：将所述重金属板与所述轻金属板重叠形成复合膜，利用滚压技术碾压所述复合膜，使得所述复合膜的厚度为光栅周期的n倍，n=2^N，N为正整数；
制作复合膜堆：复合膜堆叠形成所述轻金属板和所述重金属板交错排列的复合膜堆，通过控制物理滚压技术保证复合膜堆的厚度与复合膜的厚度始终相等；
切割：采用所述复合膜堆；
封装：利用对X射线弱吸收材料，黏合固定复合膜堆实现封装，形成光栅。
其中，所述物理滚压技术包括以下步骤：
S1：首先，调节两个滚轮之间的间距为d1，待滚压物通过滚轮装置后，得到厚度为d1的待滚压物；
S2：调节滚轮间距至d2，d2的值小于d1的值；厚度为d1的待滚压物通过滚轮后得到厚度为d2的待滚压物；
S3：多次重复步骤S2，碾压待滚压物至设定厚度。
其中，碾压金属板前需要对金属板进行机械切割、平磨和压制工艺，将重金属板和轻金属板切割为形状和大小相同，表面光滑的矩形。
其中，制作复合膜时，通过控制重金属板和轻金属板各自堆叠的数量控制复合膜中重金属板与轻金属板的厚度比例，且碾压前后重金属板与轻金属板的厚度比例不发生改变。
其中，制作复合膜堆时，将两块相同的复合膜叠加形成轻、重金属板交错排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆的厚度碾压至与单块复合膜的厚度相同。
其中，在现有复合膜堆的基础上重复叠加与现有复合膜完全相同的复合膜，形成轻重金属交错板排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆的厚度碾压至与单块复合膜的厚度相同；得到与单块复合膜厚度相同的复合膜堆。
其中，在所述复合膜堆中，复合膜的数量等于n，保证碾压后的复合膜堆中的复合膜厚度等于光栅的单个周期。
其中，在所述复合膜堆中，所述复合膜堆厚度为1-5CM，长和宽为40-100CM。
其中，在切割复合膜堆时，切割方向和角度可为任意调整，切割后得到光栅。
其中，在封装过程中，利用碳纤维材料板夹持光栅切割面，直至碳素纤维黏合各复合膜，完成封装。
本发明的有益之处在于：与现有技术相比，本发明采用物理滚压技术加工重金属板和轻金属板，得到预定厚度的光栅，工艺条件简单；由重金属板与轻金属板的厚度和数量比例调节光栅的占空比，控制有效；制作复合膜堆过程，无论复合膜的层数，复合膜堆的厚度不改变，方便切割。通过复合膜堆的总厚度和复合膜的总层数控制复合膜的厚度与光栅单周期相等，准确有效；切割过程均可量化进行，可批量生产出大宽深比的光栅。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明滚压技术流程图；
图3为本发明滚压示意图；
图4为本发明复合膜结构示意图；
图5为本发明复合膜堆示意图；
图6为本发明复合膜堆切割示意图；
图7为Talbot-Lau干涉法的光栅成像原理图；
图8为LIGA技术制作光栅的工艺流程图。
主要元件说明
1、轻金属板 2、重金属板
3、复合膜 4、复合膜堆
5、光栅 6、滚轮。
具体实施例
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1，本发明公开了本发明提供了一种X射线光栅的制作工艺，利用物理混压技术，实现光栅量产化，工艺条件简单，从根本上解决工艺复杂，条件苛刻的问题。
为了达到上述目的，本发明公开了一种X射线光栅的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤:
碾压金属板：选取一块对X射线强吸收的重金属板2和一块对X射线弱吸收轻金属板1，利用物理滚压技术将重金属板2和轻金属板1至相同厚度。
制作复合膜：将重金属板2与轻金属板1重叠形成复合膜3，利用滚压技术碾压复合膜3，使得复合膜3的厚度为光栅周期的n倍，n=2^N，N为正整数；
制作复合膜堆：复合膜3堆叠形成轻金属1和重金属2交错排列的复合膜堆4，通过控制物理滚压技术保证复合膜堆4的厚度与复合膜3的厚度始终相等；
切割：采用激光切割所述复合膜堆4。
封装：利用对X射线弱吸收材料，黏合固定复合膜堆4实现封装。得到光栅5。
请参阅图2，物理滚压技术包括以下步骤：
S1：首先，调节两个滚轮6之间的间距为d1，待滚压物通过滚轮装置后，得到厚度为d1的待滚压物；
S2：调节滚轮6间距至d2，d2的值小于d1的值；厚度为d1的待滚压物通过滚轮后得到厚度为d2的待滚压物；
S3：多次重复步骤S2，碾压待滚压物至设定厚度。
碾压金属板前需要对金属板进行机械切割、平磨和压制工艺，将重金属板和轻金属板切割为形状和大小相同，表面光滑的矩形，使重金属板2和轻金属板1能够重合，方便后续碾压和切割过程；重金属板2材料可以为金、铅和铋等高Z元素金属（高原子序数金属），轻金属板1材料可以是铝、锡等低Z元素金属（低原子序数金属）。
制作复合膜3时，选取W1重金属板2和W2块轻金属板1，将W1块大小相同的重金属板2重合堆叠在一起，再将W2块大小相同的轻金属板1重合堆叠在重金属板2上，再利用物理滚压技术将重叠后的金属板滚压成复合膜3，复合膜3的厚度为D，其中D=n*L，n=2^N，N为正整数，L为光栅单周期长度；碾压前后重金属板与轻金属板的厚度比例不发生改变仍为W1：W2。
制作复合膜堆4时，将两块相同的复合膜3重合堆叠在一起，形成轻重金属交错板排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆4的厚度碾压至单块复合膜3的厚度D，在现有复合膜堆4的基础上重复叠加与现有复合膜堆4完全相同的复合膜堆4，形成轻重金属交错板排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆的厚度碾压至与单块复合膜3的厚度相同；直至得到n层复合膜3的复合膜堆4，厚度仍为D，每层复合膜3的厚度为复合膜堆4的总厚度D除以总层数n，即为L，也就是说在该复合膜堆4中复合膜3的厚度等于光栅单周期长度。
复合膜堆4厚度D为1-5CM，长和宽为40-100cm，切割复合膜堆时，切割方向和角度可任意调整，切割后，利用碳素纤维材料膜夹持复合膜堆切割面，直至碳素纤维黏合各层复合膜，完成封装，得到光栅5。
实施例一：制作单光栅周期为40um的吸收光栅
碾压金属板:选取3块长80cm、宽40cm，厚度为2cm的金属铅板和1块长80cm、宽40cm，厚度为2cm的铝金属板；将3块铅板重合叠放后再将1块铝板与铅板重合叠放，得到总厚度为8cm的待碾压金属板。
制作复合膜：调整滚轮间距依次为7cm、6cm、6.5cm、5cm、4.7cm、4.5cm、4.3cm、4.2cm、4.1cm、4.096cm；待碾压金属板通过滚轮后被碾压成4.096cm的复合膜，复合膜中重金属与轻金属的厚度比为3:1。
制作复合膜堆:将两块相同的厚度为4cm的复合膜重合堆叠在一起，形成轻重金属交错板排列的结构，通过物理滚压技术得到复合膜层数为2，厚度为4.096cm的复合膜堆；再将2块层复合膜层数为2，厚度为4.096cm的复合膜堆重合堆叠，形成轻重金属交错板排列的结构，通过物理滚压技术得到复合膜层数为4，厚度为4.096cm的复合膜堆；共循环堆叠10次得到复合膜层数为1024，厚度为4.096cm的复合膜堆，此时每次复合膜的厚度等于4.096除以1024等于40um，即为预制光栅的单周期长度。
切割复合膜堆；利用激光沿宽度方向，垂直复合膜堆上表面，每隔5cm切割一次复合膜堆，长度为40cm，宽度为4，厚度为4.096cm，周期为1024的大宽深比光栅。
封装：利用碳素纤维材料膜夹持光栅两侧切割面，直至碳素纤维黏合住各层复合膜，完成封装。
本发明优势在于：
1、本发明采用物理滚压技术加工重金属板和轻金属板，得到预定厚度的光栅，工艺条件简单；
2、由重金属板与轻金属板的厚度和数量比例调节光栅的占空比，控制有效；
3、制作复合膜堆过程，无论复合膜的层数，复合膜堆的厚度不改变，方便切割；
4、通过复合膜堆的总厚度和复合膜的总层数控制复合膜的厚度与光栅单周期相等，准确有效；切割过程均可量化进行，可批量生产出大宽深比的光栅。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤:
碾压金属板：选取一块对X 射线强吸收的重金属板和一块对X 射线弱吸收轻金属板，利用物理滚压技术将所述重金属板和所述轻金属板碾压至相同厚度；
制作复合膜：将所述重金属板与所述轻金属板重叠形成复合膜，利用滚压技术碾压所述复合膜，使得所述复合膜的厚度为光栅周期的 n 倍， n=2^N，N 为正整数；
制作复合膜堆：复合膜堆叠形成所述轻金属板和所述重金属板交错排列的复合膜堆，通过控制物理滚压技术保证复合膜堆的厚度与复合膜的厚度始终相等；
切割：采用激光切割所述复合膜堆；
封装：利用对 X 射线弱吸收材料，黏合固定复合膜堆实现封装，形成光栅。
2. 根据权利要求 1 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，碾压金属板前需要对金属板进行机械切割、平磨和压制工艺，将重金属板和轻金属板切割为形状和大小相同，表面光滑的矩形。
3.根据权利要求 1 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，制作复合膜时，通过控制重金属板和轻金属板各自堆叠的数量控制复合膜中重金属板与轻金属板的厚度比例，且碾压前后重金属板与轻金属板的厚度比例不发生改变。
4.根据权利要求 1 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，制作复合膜堆时，将两块相同的复合膜叠加形成轻、 重金属板交错排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆的厚度碾压至与单块复合膜的厚度相同。
5. 根据权利要求 4 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，在现有复合膜堆的基础上重复叠加与现有复合膜完全相同的复合膜，形成轻、重金属板交错排列的结构，并利用物理滚压技术将复合膜堆的厚度碾压至与单块复合膜的厚度相同；得到与单块复合膜厚度相同的复合膜堆。
6.根据权利要求 5 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，在所述复合膜堆中，复合膜的数量等于 n，保证碾压后的复合膜堆中的复合膜厚度等于光栅的单个周期。
7.根据权利要求 5所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，在所述复合膜堆中，所述复合膜堆厚度为 1-5CM，长和宽为 40-100CM。
8.根据权利要求 1 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，在切割复合膜堆时，切割方向和角度可任意调整。
9.根据权利要求 1 所述的 X 射线光栅的制作工艺，其特征在于，在封装过程中，利用碳素纤维材料板夹持光栅切割面，直至碳素纤维黏合各复合膜，完成封装。
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