CN113823434B - 一种防散射栅格及其制备方法 - Google Patents

一种防散射栅格及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防散射栅格及其制备方法,方法包括:根据每片栅格膜片与发射源的距离,计算每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径;根据每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,确定每片栅格膜片上掩膜层的结构;根据确定的掩膜层的结构,在每片栅格膜片上镀设掩膜层;利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的栅格膜片;将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格。本发明利用等离子刻蚀方法加工栅格膜片,通过增材制造方法在栅格膜片上制备具有特殊结构的掩膜层,克服了大幅面等离子刻蚀过程中刻蚀不均匀的问题,同时还避免了激光加工或机械加工带来的系统复杂度和加工误差叠加等问题。

Description

一种防散射栅格及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种防散射栅格及其制备方法,属于光学元件技术领域。
背景技术
在高能成像过程中,发射源辐射的射线经过待测客体后,形成与发射源辐射的射线强度、频度和方向不同的散射射线。散射不但降低了闪光图像的对比度,还严重干扰了客体界面和密度信息的正确提取,是影响照相诊断精度的关键因素。
理论分析表明,精确研制的防散射栅格可大幅度降低散射,使成像平面上的散射影响忽略不计。高能成像过程中由于散射光子的平均能量较高,通常需要使用高密度、大原子序数重金属材料(如钨、钽等)制备厚度达数百毫米的栅格才能有效阻挡散射射线进入成像探测器。为了提高成像精度,防散射栅格密布指向发射源的孔洞,栅格上密布的孔洞并非直孔,而是有一定倾角的斜孔,同时,孔洞的孔径与孔间距大小随着与发散源距离的增加而增加。
防散射栅格采用的高密度大原子序数重金属材料通常具有密度高、硬度大、熔点高的特点,加工难度很大,采用传统的机械加工的方法无法完成;利用皮秒等激光加工的方法进行加工,为保证激光加工孔洞的精度,需将栅格分层为亚毫米级薄膜片,分别对每片膜片进行加工,由于每片栅格膜片孔洞数量多(数万至数十万个),完成防散射栅格加工需耗时数十年,耗资巨大;增材制造技术具有成型速度快的特点,但其加工精度达不到防散射栅格的要求。美国LosAlamos国家实验室采用微型浇注加工技术耗时3年完成高精度制造的钨材料Bucky防散射栅格,于2007年在DARHT-I装置上进行实验,获得了“十分理想”的闪光图像,得到了均方根误差(rms)接近1%的密度测量精度,展现了十分诱人的应用前景。该技术工艺简单,但研制出的防散射栅格受技术参数限制,致密度低、精度差、加工成本高,从该实验室发布的组件透光率可以看出,Bucky防散射栅格边缘透光率(29%)仅为中心区域透光率(58%)的一半。
发明内容
本申请的目的在于,提供一种防散射栅格及其制备方法,以解决现有防散射栅格制备方法所制备的防散射栅格存在的致密度低、精度差的技术问题。
本发明的防散射栅格的制备方法,包括:
根据每片栅格膜片与发射源的距离,计算每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径;
根据每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,确定每片所述栅格膜片上的掩膜层的结构;
根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层;
利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片;
将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格。
优选地,根据每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,确定每片所述栅格膜片上的掩膜层的结构,具体为:
每个所述掩膜层具有与所述栅格膜片上的孔洞对应的通孔;
每片所述栅格膜片包括易过刻区域、易欠刻区域和正常刻蚀区域;
位于易过刻区域的所述通孔,其最小直径小于与其对应的孔洞的孔径,其最大直径大于等于与其对应的孔洞的孔径;
位于易欠刻区域的所述通孔,其最小直径大于等于与其对应的孔洞的孔径。
优选地,所述根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层,具体为:
根据确定的掩膜层的结构,利用增材制造方法在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层。
优选地,所述利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片,具体为:
利用等离子刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片。
优选地,所述将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格,具体为:
采用激光准直五维调整系统,将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格;
优选地,所述粘合为使用粘合剂粘合或者使用焊接方法粘合。
优选地,所述掩膜层的材料为金属或者复合材料;
优选地,所述金属为镍或铬;
优选地,所述复合材料由陶瓷材料与金属材料组成。
优选地,所述栅格膜片的材料为钨或钽,且定位粘合后的相邻所述栅格膜片的材料相同。
优选地,在所述根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层之前,还包括:
对每片所述栅格膜片进行预处理;
优选地,所述预处理包括清洗及预镀金属层;
所述预镀金属层的材料为铬,用于增强所述掩膜层的附着力。
优选地,在所述利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片之后,还包括:
清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜;
优选地,所述清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜,具体为:利用强酸清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜。
本发明还公开了一种防散射栅格,其是由上述防散射栅格的制备方法制备得到的。
本发明的防散射栅格及其制备方法相较于现有技术,具有如下有益效果:
本发明利用等离子刻蚀方法加工栅格膜片,通过增材制造方法可以在膜片上制备具有特殊结构的掩膜层,其掩膜层是结合每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距、每个孔洞的孔径及刻蚀过程中不同区域的刻蚀程度确定的,克服了大幅面等离子刻蚀过程中刻蚀不均匀易形成过刻或欠刻等难题,同时还避免了激光加工或机械加工方式带来的系统复杂度和加工误差叠加等问题。
本发明的掩膜层,根据对应栅格膜片刻蚀过程中的不同区域的刻蚀程度采用了不用的结构,对于易过刻区域的掩膜层上的通孔,限定其最小直径小于与其对应的孔洞的孔径,其最大直径大于等于与其对应的孔洞的孔径,该种结构的通孔,可遮挡部分等离子体,从而延长该区域所需刻蚀时间,避免过刻。对于易欠刻区域的掩膜层上的通孔,限定其最小直径大于等于与其对应的孔洞的孔径,该种结构的通孔,可增加等离子体量,从而加快该区域刻蚀速度。
本发明使用增材制造方法在每片栅格膜片上镀设掩膜层,可根据栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径变化镀设掩膜层,无需使用具体的模具进行浇筑,降低了成本,且镀设掩膜层的精度高,质量佳。
本发明使用等离子刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的栅格膜片,其保真性较高,可实现孔洞的精确刻蚀。
本发明使用激光准直五维调整系统实现每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次的定位粘合,可以保证所得防散射栅格的整体性及精度。
本发明的掩膜层的材料为金属或者复合材料,其可以实现易过刻区域的掩膜层上的通孔随着刻蚀过程逐渐围绕通孔小范围剥落,最终使得在刻蚀结束时,通孔的孔径与其对应的孔洞的直径相等,可以得到欲刻蚀直径的孔洞。
本发明在对每片栅格膜片上镀设掩膜层之前还包括了预处理,其中预处理包括了预镀金属层,预镀金属层的作用为增加镀设掩膜层时,掩膜层与栅格膜片之间的附着力。
本发明为避免刻蚀后的残余掩膜对制备所得的防散射栅格的整体性及精度的影响,在刻蚀后使用了强酸清洗残余掩膜。
本发明的防散射栅格,提高了防散射栅格致密度,其致密度接近于栅格选用重金属材料本身致密度,能更有效的降低散射的影响,同时该方案节省了加工时间,提高了生产效率,降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例中防散射栅格的制备方法的流程图;
图2为本发明实施例中防散射栅格的制备方法中位于易过刻区域的一种通孔的剖面示意图;
图3为本发明实施例中防散射栅格的制备方法中位于易过刻区域的另一种通孔的剖面示意图;
图4为本发明实施例中防散射栅格的制备方法中位于正常刻蚀区域的一种通孔的剖面示意图;
图5为利用本发明实施例中防散射栅格的制备方法制备得到的防散射栅格的结构示意图;
图6为本发明的防散射栅格的使用位置示意图。
部件和附图标记列表:
1、发射源;2、待测客体;3、防散射栅格;3-1、孔洞;3-2、栅格膜片;4、待刻蚀区域;5、掩膜层;5-1、通孔。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明,但本发明并不局限于这些实施例。
图1为本发明的防散射栅格的制备方法的流程图。
本发明的防散射栅格的制备方法,包括:
步骤1、根据每片栅格膜片3-2与发射源1的距离,计算每片栅格膜片3-2上多个孔洞3-1的孔间距及每个孔洞3-1的孔径;本实施例中,孔洞3-1的形状可以为圆形、椭圆形、跑道形等异形。
步骤2、根据每片栅格膜片3-2上多个孔洞3-1的孔间距及每个孔洞3-1的孔径,确定每片栅格膜片3-2上的掩膜层5的结构,具体为:
每个掩膜层5上具有与栅格膜片3-2上的孔洞3-1对应的通孔5-1;
每片栅格膜片3-2包括易过刻区域、易欠刻区域和正常刻蚀区域;
位于易过刻区域的通孔5-1,其最小直径小于与其对应的孔洞3-1的孔径,其最大直径大于等于与其对应的孔洞3-1的孔径;利用该通孔5-1刻蚀栅格膜片3-2上的待刻蚀区域4,得到孔洞3-1。优选地,其通孔5-1的形状为如图2或者图3所示的梯形。当然,其也可以为其他形状,例如通孔5-1的内壁为阶梯的形状。该种结构的通孔,在进行后续刻蚀时,可遮挡部分等离子体,从而延长该区域所需刻蚀时间,避免过刻,从而保证大幅面重金属膜片刻蚀的均匀性。
位于易欠刻区域的通孔5-1,其最小直径大于等于与其对应的孔洞3-1的孔径;优选地,其通孔5-1的形状为梯形(图中未示出)。如为梯形,此时,梯形的上底面紧贴栅格膜片3-2。当然,其也可以为其他形状,例如通孔5-1的内壁为阶梯的形状。该种结构的通孔,可增加等离子体量,从而加快该区域刻蚀速度。
位于正常刻蚀区域的通孔,其直径等于对应的孔洞3-1的孔径,如图4所示。
步骤3、根据确定的掩膜层5的结构,在每片栅格膜片3-2上镀设掩膜,具体为:
根据确定的掩膜层5的结构,利用增材制造方法在每片栅格膜片3-2上镀设掩膜。增材制造方法可根据栅格膜片3-2上多个孔洞3-1的孔间距及每个孔洞3-1的孔径变化镀设掩膜层,无需使用具体的模具进行浇筑,降低了成本,且镀设掩膜的精度高,质量佳。
步骤4、利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的栅格膜片3-2,具体为:
利用等离子刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的栅格膜片3-2。等离子刻蚀方法其保真性较高,可实现孔洞3-1的精确刻蚀。
步骤5、将每片刻蚀后的栅格膜片3-2按照其与发射源1的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格,具体为:
采用激光准直五维调整系统,将每片刻蚀后的栅格膜片3-2按照其与发射源1的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格;其中的粘合为使用粘合剂粘合或者使用焊接方法粘合。该种设置,可以保证所得防散射栅格的整体性及精度。
进一步地,为实现易过刻区域的掩膜层5上的通孔5-1随着刻蚀过程逐渐围绕通孔5-1小范围剥落,最终使得在刻蚀结束时,通孔5-1的孔径与其对应的孔洞3-1的直径相等,可以得到欲刻蚀直径的孔洞3-1,本发明实施例中掩膜层5的材料为金属或者复合材料;其中金属为镍或铬;复合材料由陶瓷材料与金属材料组成。
为保证本发明制备得到的防散射栅格能够用于高能成像中,本发明的栅格膜片3-2的材料为钨或钽,且定位粘合后的相邻栅格膜片3-2的材料相同。
本发明在根据确定的掩膜层5的结构,在每片栅格膜片3-2上镀设掩膜层之前,还包括:
步骤2→3、对每片栅格膜片3-2进行预处理;其中的预处理至少包括清洗及预镀金属层;预镀金属层的材料为铬,用于增强掩膜层的附着力。
本发明在利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的栅格膜片3-2之后,还包括:
步骤4→5、清洗刻蚀后的每片栅格膜片3-2上的残余掩膜;具体为:利用强酸清洗刻蚀后的每片栅格膜片3-2上的残余掩膜。
在一个具体的实施例中,单片栅格膜片幅面为150mm*150mm,待加工幅面为142mm*142mm,首先在栅格膜片上镀掩膜层,当栅格膜片边缘区域即易欠刻区域刻蚀完成时,根据栅格膜片其他区域过刻程度,设计掩膜层的结构,根据不同区域的过刻程度,可相应调整该区域掩膜层的倾斜角度及遮挡范围,在刻蚀过程中,特殊结构掩膜层可遮挡部分等离子体,从而延长该区域所需刻蚀时间。通过栅格膜片不同区域的过刻或欠刻程度,可对各区域掩膜层的结构进行矫正,从而实现整个幅面的均匀刻蚀。
本发明还公开了一种利用上述方法制备的防散射栅格,其结构见图5。本发明的防散射栅格,提高了防散射栅格致密度,其致密度接近于栅格选用重金属材料本身致密度,能更有效的降低散射的影响,同时该方案节省了加工时间,提高了生产效率,降低了生产成本。
本发明的防散射栅格使用时的位置见图6。在高能成像过程中,发射源1辐射的射线经过待测客体2后射入防散射栅格3中。
本发明通过分层加工、层层叠加的思想,将防散射栅格分为若干层,根据每一片栅格膜片与发射源的距离,计算每一片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,根据膜片不同区域刻蚀程度,设计不同结构的掩膜层,利用增材制造技术在栅格膜片上镀设具有特殊结构的金属或复合材料的膜层作为膜片的掩膜层,然后进行刻蚀加工,按此工艺及膜片设计加工每一层栅格膜片,然后将各层精确对准,层层叠加形成防散射栅格。该方案在保证栅孔定位精度及加工精度的前提下,克服了重金属材料大尺寸刻蚀时幅面不均匀、易形成过刻或欠刻等问题,同时还避免了激光加工或机械加工方式带来的系统复杂度和加工误差叠加等问题。
以上所述,仅是本申请的几个实施例,并非对本申请做任何形式的限制,虽然本申请以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限制本申请,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请技术方案的范围内,利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例,均属于技术方案范围内。

Claims (14)

1.一种防散射栅格的制备方法,其特征在于,包括:
根据每片栅格膜片与发射源的距离,计算每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径;
根据每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,确定每片所述栅格膜片上的掩膜层的结构;
根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层;
利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片;
将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格;
其中,所述根据每片栅格膜片上多个孔洞的孔间距及每个孔洞的孔径,确定每片所述栅格膜片上的掩膜层的结构,具体为:
每个所述掩膜层具有与所述栅格膜片上的孔洞对应的通孔;
每片所述栅格膜片包括易过刻区域、易欠刻区域和正常刻蚀区域;
位于易过刻区域的所述通孔,其最小直径小于与其对应的孔洞的孔径,其最大直径大于等于与其对应的孔洞的孔径;
位于易欠刻区域的所述通孔,其最小直径大于等于与其对应的孔洞的孔径。
2.根据权利要求1所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层,具体为:
根据确定的掩膜层的结构,利用增材制造方法在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层。
3.根据权利要求1所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片,具体为:
利用等离子刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片。
4.根据权利要求1所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格,具体为:
采用激光准直五维调整系统,将每片刻蚀后的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格。
5.根据权利要求4所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述粘合为使用粘合剂粘合或者使用焊接方法粘合。
6.根据权利要求1~5任一项所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述掩膜层的材料为金属或者复合材料。
7.根据权利要求6所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述金属为镍或铬。
8.根据权利要求6所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述复合材料由陶瓷材料与金属材料组成。
9.根据权利要求1~5任一项所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述栅格膜片的材料为钨或钽,且定位粘合后的相邻所述栅格膜片的材料相同。
10.根据权利要求1~5任一项所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,在所述根据确定的掩膜层的结构,在每片所述栅格膜片上镀设掩膜层之前,还包括:
对每片所述栅格膜片进行预处理。
11.根据权利要求10所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述预处理包括清洗及预镀金属层;
所述预镀金属层的材料为铬。
12.根据权利要求1~5任一项所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,在所述利用刻蚀方法刻蚀每片镀设掩膜层的所述栅格膜片之后,还包括:
清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜。
13.根据权利要求12所述的防散射栅格的制备方法,其特征在于,所述清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜,具体为:利用强酸清洗刻蚀后的每片所述栅格膜片上的残余掩膜;
相应地,
将每片经过清洗的栅格膜片按照其与发射源的距离依次进行定位粘合,得到防散射栅格。
14.一种防散射栅格,其特征在于,由权利要求1~13任一项所述的防散射栅格的制备方法制备得到。
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