DE102009019647A1

DE102009019647A1 - Beugungsgitter und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009019647A1
Application number: DE200910019647
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Sickert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-01
Also published as: DE102009019647B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Beugungsgittern (10, 20, 30), insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlen, wobei Stege (16) aus einem ersten Material mit hoher Ordnungszahl und Stegabstände (17) aus einem zweiten Material mit niedrigerer Ordnungszahl ausgebildet sind, wobei durch alternierendes Übereinanderliegen von Folien aus dem ersten Material und dem zweiten Material ein Schichtstapel (14) gebildet wird, dieser durch Verformung intern stabilisiert wird und das jeweilige erste und zweite Material auf eine vorgegebene Breite (6, 7) von Stegen (16) und Stegabständen (17) eingestellt werden und einzelne Beugungsgitter durch flächige Vereinzelung an dem Schichtstapel (13, 15) erzeugt werden. Es werden Beugungsgitter dargestellt, die insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlung eingesetzt werden und aus parallel zueinander ausgerichteten und gleichmäßig beabstandeten Stegen sowie Stegabständen bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft Beugungsgitter, insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlen. Derartige Beugungsgitter weisen in der Regel periodische Anordnungen von beabstandeten und parallel zueinander orientierten Stegen auf.
Eine Anwendung für Beugungsgitter zur Beugung von Röntgenstrahlung ist die Phasenkontrast-Computertomographie (Phase Contrast Computed Tomography – PCCT). Beugungsgitter, die hier Verwendung finden, weisen Stege auf, deren Abmaße im μm-Bereich liegen. Zum praktischen Einsatz werden Beugungsgitter dargestellt, deren zweidimensionale Abmaße beispielsweise im mm-Bereich liegen.
Die Herstellung von Beugungsgittern, insbesondere für die Beugung von Röntgenstrahlen, ist nach wie vor problematisch.
Einen Ansatz für eine Aufbautechnologie stellt die so genannte LIGA-Technik dar. Diese umfasst eine Strukturvorgabe durch ein Lithographieverfahren, eine galvanische Abscheidung und eine darauf folgende Abformung. Die damit erzeugbaren Strukturen können jedoch nicht in vollem Umfang die geforderten Dimensionen erreichen. Außerdem ist diese Technik relativ kostenintensiv.
Weiterhin existiert ein Ansatz für eine Aufbautechnologie, bei der poröses Silizium mit periodischer Porenstruktur dargestellt wird, um in den Poren Material mit stark unterschiedlicher Ordnungszahl, beispielsweise Gold oder Blei, unterzubringen. Nachteil ist, dass bei dieser Technologie eine ideale Gitterstruktur nicht reproduzierbar ist. Darüber hinaus ist das Verfahren bisher nicht vollständig entwickelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Beugungsgittern mit Strukturmaßen im µm-Bereich anzugeben, insbesondere für die Beugung von Röntgen strahlen. Ein mit dem Verfahren dargestelltes Zwischenprodukt oder Produkt soll beschrieben werden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der Hauptansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Darstellung von Beugungsgittern mit gleichmäßig beanstandeten Stegen, insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlung, sehr vorteilhaft durch alternierendes Übereinanderstapeln von Folien aus einem ersten Material zur Darstellung von Stegen und aus einem zweiten Material zur Darstellung von Stegabständen geschehen kann. Der entstandene Schichtstapel wird in einem oder mehreren Walzverfahren plastisch verformt und die einzelnen Höhen der Folien werden reduziert. Gleichzeitig werden die Schichten jeweils miteinander fest verbunden.
Als Zwischenprodukt entsteht ein Schichtstapel, der eine gewünschte Breite der Stege und Stegabstände aufweist. Von diesem Schichtstapel können hintereinander eine Vielzahl von Beugungsgittern vereinzelt werden, deren Breite von Stegen und von Stegabständen aus dem Walzverfahren bestimmt sind und deren Stegtiefe bei der Vereinzelung, beispielsweise bei einem Schneideverfahren, ausgebildet wird.
Durch wiederholte Ausführung des Walzverfahrens kann ein Schichtstapel über die jeweils vorhandene plastische Verformung derart in der gesamte Dicke und in den einzelnen Schichtdicken reduziert werden, dass eine geforderte Breite von Steg und Stegabstand im Schichtstapel vorliegen.
Zur Unterstützung sowohl des Walzverfahrens zur Einstellung der Schichtdicke, als auch zur Realisierung der festen Verbindung zwischen den einzelnen Lagen des Schichtstapels, kann zusätzlich ein Wärmebehandlungsverfahren eingesetzt werden zur Vergleichmäßigung und zur Beschleunigung der am Schichtstapel vorgenommenen Verformungen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Metallen für die Darstellung der Stege, wobei der Stegabstand, das heißt der Zwischenraum zwischen zwei Stegen, ebenfalls aus Metall darstellbar ist. In diesem Fall sind die Metalle derart auszuwählen, dass das Metall des Stegabstandes eine mindestens um zwei kleinere Ordnungszahl aufweist, als die des Stegs.
Es ist besonders vorteilhaft, Gold für die Darstellung von Stegen zu benutzen, wobei Gold eine Ordnungszahl von 79 aufweist. Wird ein Metall für den Stegabstand eingesetzt, so ist dessen Ordnungszahl mindestens um zwei geringer als die des ersten Materials. Mit Gold als erstem Material für Stege wäre ein Material für Stegabstände höchstens mit einer Ordnungszahl von 77 zu verwenden. mit
Durch die Aufbringung einer Mantelschicht kann ein Schichtstapel, für die Durchführung eines Walzverfahrens sowie eines Wärmebehandlungsverfahrens geschützt werden. Die Mantelschicht ist vorteilhaft zwischen Walzen und Schichtstapel positioniert. Die Mantelschicht wird bevorzugt beidseitig aufgebracht.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein einem Walzverfahren zuzuführender Schichtstapel zusammengesetzt ist aus mindestens zwei übereinanderliegenden, bereits einfach gewalzten Schichtstapeln, so dass eine mehrfache Höhenreduzierung der einzelnen Schichten erfolgten kann und die Anzahl der Stege in dem in weiteren Walzverfahren erzeugten Schichtstapel vervielfacht wird.
Durch die entsprechenden Walzverfahren wird ein Schichtstapel erzeugt, der die gewünschte Stegbreite und den gewünschten Stegabstand aufweist. Die Höhe z eines Beugungsgitters erstreckt sich in Längsrichtung des Schichtstapels. Beugungsgitter können vom Schichtstapel durch beispielsweise einen Schneidvorgang vereinzelt werden. Dabei wird durch die Schichtdicke des abgeschnittenen Beugungsgitters die Tiefe y der Stege und damit auch die Tiefe y des Stegabstandes bestimmt. Schneidebene ist die Breite x/Höhe z-Ebene.
Im Folgenden werden anhand von schematischen Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Aufbau für eine Phasenkontrast-Computertomographie,
2 zeigt einen Schichtstapel, der durch eine oberseitige und unterseitige Mantelschicht geschützt ist, wobei der Schichtstapel seitwärts betrachtet, wie in den Figuren, aus Stegen und Stegabständen besteht,
3 zeigt einen Schichtstapel, welcher von zwei Walzen auf die Zieldicke der Einzelschichten umgeformt wird,
4 zeigt einen Schichtstapel, welcher durch Übereinanderlegen mehrerer Abschnitte eines bereits gewalzten Schichtstapels erzeugt und erneut gewalzt wird, zur Einstellung sowohl der Materialstärken der einzelnen Schichten, bei vorgegebener Anzahl der im Stapel enthaltenen Schichten.
Die 1 zeigt Röntgengitter 10, 20, 30 die zur Phasenkontrast-Computertomographie einzusetzen sind. Dabei wird beispielsweise ein monochromatischer Röntgenstrahl 18 beispielsweise von einer Röntgenstrahlquelle ausgesandt und auf das Beugungsgitter 10 gerichtet. Die Röntgenstrahlquelle hat einen Abstand von etwa 40 m zum Gitter 10. Im weiteren Verlauf trifft der Röntgenstrahl auf die Probenaufnahme 2, die eine zu untersuchende Probe enthält, welche zur Messung drehbar ist. Im Anschluss daran folgt das vom Gitter 10 mit dem Abstand 3, der ca. 6 Meter beträgt, beabstandete Gitter 20 und in einem weiteren Abstand 4 von etwa 0,2 Meter das Gitter 30. Zum Schluss der Messtrecke ist der Detektor 40 positioniert.
Weiterhin ist in 1 der Grundaufbau der Beugungsgitter skizziert, wobei diese aus Stegen 16 bestehen, die parallel zueinander angeordnet und durch Stegabstände 17 beabstandet sind. Die Breite 6 der Stege 16 ist etwa so groß wie die Breite 7 des Stegabstands 17, wobei die Größe im Bereich von 1 bis 2 µm liegen soll. In 1 und 3 ist angegeben, dass in x-Richtung die Breite eines Steges 16 oder eines Stegabstands 17 liegt, in y-Richtung die Tiefe und in z-Richtung die Höhe.
2 zeigt einen Schichtstapel, der aus einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Folien besteht, die abwechselnd einen Steg 16 und einen Stegabstand 17 darstellen. Der Schichtstapel ist auf seiner Oberseite und seiner Unterseite von einer Mantelschicht 5 zum Schutz beim Walzverfahren abgedeckt.
3 zeigt die schematischen Verhältnisse bei einem Walzverfahren, wobei zwei Walzen 11, die sich entsprechend der Pfeilrichtungen drehen, den linken Schichtstapel 14 zum rechten Schichtstapel 15 verformen, so dass mit einem einfachen oder mehrfachen Walzvorgang die gewünschte Breite des Stegs 6 und des Stegabstands 7 erzielt wird.
4 zeigt einen Schichtstapel 12, welcher eine wesentlich größere Anzahl von einzelnen Schichten aufweist als in 3 dargestellt, wobei dieser Schichtstapel im Walzverfahren zum verformten Schichtstapel 13 gewandelt wird. Die Anzahl der Folien oder der alternierenden Schichten kann vorgegeben werden, genauso wie der Verformungsgrad bei einem oder mehreren Walzvorgängen.
Beugungsgitter für Röntgenstrahlung werden insbesondere bei der Phasenkontrast-Computertomographie eingesetzt. Diese Beugungsgitter müssen aus einer periodischen Anordnung von Stegen 16 aus einem ersten Material mit hoher Ordnungszahl, wie beispielsweise Gold, bestehen. Die Breite 6 der Stege 16, sowie die Breite 7 der Stegabstände 17 beträgt ca. 1 bis 2 µm. Die Höhe 8 der Stege 6 beträgt mindestens 100 µm. Die mit Stegen belegte Fläche liegt insgesamt im Bereich von ca. 20 mm × 50 mm.
Das Herstellungsverfahren für Beugungsgitter besteht aus einem Übereinanderschichten von dünnen Folien bestehend alternierend aus Gold und einem anderen Metall, wobei sich die Ordnungszahlen der Metalle zwischen erstem und zweitem Material wesentlich unterscheiden. Alternativ zum Metall kann das zweite Material durch ein Polymer oder durch eine duktile Keramik dargestellt sein. Hier wird eine mittlere Ordnungszahl für Nichtmetalle ermittelt. Die feste Verbindung der Materialien untereinander zur Bildung eines Schichtstapels sowie die Einstellung der einzelnen Schichtdicken wird über ein oder mehrere Walzverfahren erreicht. Unterstützend kann eine Wärmebehandlung des Schichtstapels erfolgen. Es ist grundsätzlich möglich, beliebig oft die Schichten zu wiederholen und beliebige Schichtmaterialien zu verwenden.
Zum Schutz des Schichtstapels kann beidseitig, das heißt als unterste und als oberste Schicht eine Mantelschicht 5 aufgebracht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Beugungsgittern (10, 20, 30), insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlen, wobei die Beugungsgitter (10, 20, 30) parallel zueinander ausgerichtete und gleichmäßig beabstandete Stege (16), sowie Stegabstände (17) aufweisen und die Stege (16) aus einem ersten Material mit hoher Ordnungszahl ausgebildet sind und die Stegabstände (17) aus einem zweiten Material mit niedrigerer Ordnungszahl ausgebildet sind, umfassend folgende Schritte: – alternierendes Übereinanderlegen einer Vielzahl von Folien aus dem ersten Material und dem zweiten Material, zur Bildung eines Schichtstapels (14), – Verformung des Schichtstapels (14) in einem Walzverfahren zur Erzeugung einer festen Verbindung zwischen dem jeweiligen ersten und zweiten Material, und zur Einstellung einer vorgegebenen Breite (6) der Stege (16), – Darstellung einzelner Beugungsgitter durch flächige Vereinzelung vom Schichtstapel (13, 15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzverfahren mehrfach zur wiederholten Verformung des Schichtstapels (12, 14) zur Einstellung der Breite (6) der Stege (16) angewandt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmebehandlungsverfahren begleitend zum Walzverfahren oder in Walzpausen auf den Schichtstapel (12, 14) angewandt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (12, 13, 14, 15) an den mit Walzen (11) in Kontakt kommenden Seiten jeweils mit mindestens einer Mantelschicht (5) versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material zur Darstellung ei nes Steges (16) ein Metall mit einer Ordnungszahl von mindestens 72, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das zweite Material eines Stegabstandes (17) ein Metall oder ein Polymer oder eine duktile Keramik mit geringerer Ordnungszahl als die des ersten Materials der Stege (16) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Walzverfahren zugeführte Schichtstapel aus mindestens zwei übereinanderliegenden, bereits mindestens einfach gewalzten Schichtstapeln zusammengesetzt wird.
Schichtstapel zur Darstellung von Beugungsgittern, umfassend eine Vielzahl von fest miteinander verbundenen, alternierend, übereinanderliegenden Schichten, bestehend aus einem ersten Material zur Darstellung von Stegen (16) und einem zweiten Material zur Darstellung von Stegabständen (17), wobei die Schichtdicke der Schichten im Schichtstapel, entsprechend der Breite (6) der Stege (16) bzw. der Breite (7) der Schichtabstände (17) mittels eines oder mehrerer Walzverfahren, in einem Bereich von jeweils ca. 1 bis 2 µm eingestellt sind.
Beugungsgitter, insbesondere zur Beugung von Röntgenstrahlung bestehend aus parallel zueinander ausgerichteten und gleichmäßig beabstandeten Stegen (16) sowie Stegabständen (17), wobei die Stege (16) aus einem ersten Material mit hoher Ordnungszahl ausgebildet sind und die Stegabstände (17) aus einem zweiten Material mit niedrigerer Ordnungszahl ausgebildet sind und die Breite (6) der Stege (16) und/oder der Stegabstände (17) ca. 1 bis 2 µm betragen, die Höhe (8) der Stege (16) bei mindestens 100 µm liegt, und die Materialien der Stege und der Stegabstände jeweils durch mindestens ein Walzverfahren fest miteinander verbunden sind.
Beugungsgitter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Stegen (16) belegte Fläche insgesamt eine Ausdehnung von Breite x/Höhe z von ca. 20 × 50 mm aufweist.
Beugungsgitter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material zur Darstellung von Stegen zumindest die Ordnungszahl 72 aufweist, entsprechend dem Element Hafnium.
Beugungsgitter nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material zur Darstellung von Stegabständen ein Metall oder ein Polymer oder eine duktile Keramik mit geringerer Ordnungszahl als die des ersten Materials der Stege ist.
Beugungsgitter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material zur Darstellung von Stegen Gold mit einer Ordnungszahl von 79 ist.