DE102011083422B4

DE102011083422B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kollimators

Info

Publication number: DE102011083422B4
Application number: DE102011083422.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Miess; Dr. Wirth Stefan
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN103021493A; CN103021493B; DE102011083422A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines zweidimensionalen Kollimators (1) für einen Röntgenstrahlungsdetektor, zumindest umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Herstellen des Kollimators (1), wobei eine Oberfläche des Kollimators (1) verfahrensbedingte Toleranzen (2) aufgrund anhaftender Partikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 1.2. der Kollimator (1) mittels eines Schmelzverfahrens hergestellt wird, und 1.3. eine Nachbehandlung des hergestellten Kollimators (1) mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird, um die Toleranzen (2) zu entfernen und die Oberfläche zu glätten, wobei 1.4. die Toleranzen (2) mittels einer Vielzahl von durch den Kollimator (1) gestrahlten Strahlpartikeln entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zweidimensionalen Kollimators für einen Röntgenstrahlungsdetektor und einen Kollimator hergestellt nach diesem Verfahren.
In zukünftigen Detektoren für CT-Systeme ist der Einsatz von zweidimensionalen Kollimatoren vorgesehen. Diese können zum Beispiel mittels eines selektiven Laserschmelzverfahrens (kurz SLM, englisch: Selektiv Laser Melting) hergestellt werden. Dabei werden die gitterartigen Konturen des Kollimators durch Aufschmelzen eines Metallpulvers mittels Laserstrahlung schichtweise aufgebaut. Herkömmliche gitterartige Kollimatoren werden dabei mit einer Vielzahl von Gitterlöchern und Gitterstegen mit einer bestimmten Wandstärke ausgebildet.
Bedingt durch dieses Herstellungsverfahren entstehen beim Aufschmelzen Partikelanhaftungen des schmelzenden und wieder erstarrenden Metallpulvers an den Konturen des Kollimators. Dies führt zu einer erhöhten Oberflächenrauhigkeit der Konturen und damit zu einer größeren Toleranz der Wandstärke. Bei der Verwendung eines derartigen Kollimators kann dies zu Abschattungen auf der aktiven Pixelfläche führen.
Um eine exakte Herstellung beziehungsweise ein präzises Vermessen der Kollimatoren in den Detektoren zu gewährleisten, müssen die anhaftenden Partikel entfernt beziehungsweise die Rauhigkeit der Oberflächen geglättet werden. Auf Grund des großen Schachtverhältnisses, also des Verhältnis der Höhe zur Breite des Kollimators, kann jedoch vor allem auf den Innenseiten der Wände, also in den Gitterlöchern, keine werkzeugbasierte Nachbehandlung und Glättung der Oberflächen erfolgen, ohne den Kollimator zu beschädigen.
Aus der DE 101 41 424 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines zweidimensionalen Kollimators bekannt, wobei der Grundkörper an seinen Innenflächen beziehungsweise in den Durchgangskanälen beschichtet wird und die außerhalb der Durchgangskanäle liegenden Oberflächen entweder nicht beschichtet werden oder die Beschichtung im Rahmen einer Nachbehandlung entfernt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Kollimators zu schaffen, mit welchem anhaftende Partikel und damit die Toleranzen an den Oberflächen entfernt und die Oberflächen geglättet werden können, ohne die Kollimatoren zu beschädigen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
Die Erfinder haben erkannt, dass die anhaftenden Partikel an den Oberflächen eines Kollimators mittels eines Strahlverfahrens schonend entfernt und so die Oberflächen geglättet werden können, ohne die dünnen und empfindlichen Wandstrukturen des Kollimators zu beschädigen. Das bei dem Strahlverfahren eingesetzte Strahlmittel sollte hierfür nicht-abrasiv sein, um ein etwaiges Zerstören der Konturen des Kollimators durch eine kantige Beschaffenheit der Strahlpartikel zu vermeiden, wie dies beispielsweise beim Sandstrahlen der Fall ist.
Als Strahlverfahren kann ein besonders schonendes Mikrostrahlverfahren eingesetzt werden, bei dem über Hochdruck Strahlpartikel durch das Kollimatorgitter geblasen werden. Die Strahlpartikel können beispielsweise als Kügelchen ausgebildet sein. Die runde Form der Kugeln beugt einer Beschädigung der Oberflächen des Kollimatorgitters durch scharfe Kanten oder Ecken vor. Dabei werden die an den Wänden des Kollimatorgitters anhaftenden Partikel von den Strahlpartikeln abgelöst und aus dem Kollimatorgitter geblasen, ohne die Struktur der Wände des Kollimators zu zerstören. Beispielsweise können die kugelförmigen Strahlpartikel aus Keramik (Al₂O₃, SiC, BC, Glas) hergestellt sein und weisen einen Durchmesser von ca. 0,1 mm auf. Weiterhin ist es sinnvoll, wenn das Material der Strahlpartikel härter ist als das Material des zu behandelnden Kollimators.
Demgemäß schlagen die Erfinder vor, ein Verfahren zur Herstellung eines zweidimensionalen Kollimators für einen Röntgenstrahlungsdetektor, wobei eine Oberfläche des Kollimators verfahrensbedingte Toleranzen aufweist, dahingehend zu verbessern, dass der Kollimator mittels eines Schmelzverfahrens hergestellt wird, und eine Nachbehandlung des hergestellten Kollimators mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird, um die Toleranzen zu entfernen und die Oberfläche zu glätten, wobei die Toleranzen mittels einer Vielzahl von durch den Kollimator gestrahlten Strahlpartikeln entfernt werden. Eine derartige Nachbehandlung ist besonders schonend für die empfindlichen und dünnen Wandstrukturen des Kollimators. Dabei ist das Verfahren auch bei gitterartigen Kollimatoren mit einem hohen Schachtverhältnis, beispielsweise mindestens 1:10, vorzugsweise mindestens 1:20, anwendbar.
Bevorzugt werden die zweidimensionalen Kollimatoren mittels eines selektiven Laserschmelzverfahrens hergestellt. Bei einem Laserschmelzverfahren wird ein Metallpulver durch Bestrahlen mit einem Laser geschmolzen und verflüssigt und beim Aushärten des flüssigen Metalls der Kollimator schichtweise aufgebaut. Dabei bleiben Partikel des Metallpulvers an den Konturen des Kollimators haften und führen zu Toleranzen der Oberfläche. Unter dem Begriff „Toleranzen” werden im Rahmen dieser Patentanmeldung jegliche Rauhigkeiten, Unebenheiten, Partikelanhaftungen etc. an der Oberfläche des Kollimators verstanden, die eine Glätte der Oberfläche negativ beeinflussen. Erfindungsgemäß werden diese Toleranzen bei der Nachbehandlung des Kollimators mittels des Strahlverfahrens durch die Strahlpartikel abgetragen, sodass die Oberfläche geglättet wird. Bevorzugt wird hier ein Kugelstrahlverfahren angewendet.
Entsprechend dem zur Nachbehandlung eingesetzten Strahlverfahren werden die Toleranzen mittels einer Vielzahl von durch den Kollimator gestrahlten Strahlpartikeln, bevorzugt Kugeln, entfernt. Die Strahlpartikel werden vorteilhafterweise durch den gitterartigen Kollimator mit Hochdruck durchgeblasen, sodass vor allem die engen Gitteröffnungen nachbehandelt werden. Die Strahlpartikel stoßen gegen die Toleranzen, lösen diese von der Oberfläche und tragen die gelösten Teilchen im Partikelstrahl fort. Vorteilhafterweise sind die Strahlpartikel nicht-abrasiv, sodass kein sonstiger Materialabtrag an den Oberflächen des Kollimators erfolgt. Es sollen durch die Nachbehandlung lediglich die Toleranzen entfernt und die Oberfläche geglättet werden. Die Konturen des Kollimators bleiben grundsätzlich erhalten. Außer den Toleranzen erfolgt vorzugsweise kein Materialabtrag.
In einer Ausführung sind die verwendeten Strahlpartikel deswegen beispielsweise rund und/oder oval ausgeführt. Vorteilhafterweise weisen diese kugelförmigen oder ovalen Strahlpartikel keine scharfkantigen Konturen, wie Ecken, Kanten oder Sonstiges, auf, welche die empfindlichen Kollimatorkonturen beschädigen könnten. Besonders geeignete Materialien für die Strahlpartikel sind beispielsweise mineralische Stoffe, Keramik und/oder Glas. Eine vorteilhafte Größe der Strahlpartikel liegt beispielsweise zwischen 0,01 und 0,15 mm, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,1 mm. Vorteilhafterweise sind die Strahlpartikel wesentlich kleiner als die Gitterstrukturen des Kollimators, vorzugsweise nur 5% bis 25%.
Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Strahlpartikel mit einem Luftdruck von 0,5 bis 6 bar, höchstens 8 bar, durch das Kollimatorgitter beschleunigt werden. Bei einem zu hohen Druck beziehungsweise einer zu hohen Geschwindigkeit der Strahlpartikel können diese die Kollimatorkonturen beschädigen. Die Strahlpartikel weisen vorteilhafterweise eine Geschwindigkeit von mindestens 100 m/s bis höchstens 220 m/s, bevorzugt höchstens 180 m/s, auf.
Die Nachbehandlung der mittels eines selektivern Laserstrahlverfahrens hergestellten zweidimensionalen Kollimatoren mit einem Mikrostrahlverfahren ermöglicht die Einhaltung der geforderten Toleranzwerte für Wandstärke und Rauhigkeit der Oberfläche. Dies ist notwendig, um eine genaue Positionierung des Kollimators bei der Montage, beispielsweise auf ein Szintillator-Array, zu gewährleisten und eine Abschattung von aktiven Pixelflächen durch die Kollimatorwände zu vermeiden. Gegenüber abrasiven Methoden gewährleistet das Mikrostrahlverfahren eine homogene Oberflächenbehandlung über die gesamte Höhe des Kollimators und damit eine große Prozessstabilität.
Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte zweidimensionale Kollimator ist bevorzugt gitterartig ausgeführt mit einer Vielzahl von Gitterlöchern und Gitterstegen mit einer bestimmten Wandstärke. Die erfindungsgemäße Nachbehandlung eignet sich besonders dafür, Toleranzen in den Gitterlöchern werkzeuglos zu entfernen. Vorteilhafterweise ist der Kollimator mit einem Schachtverhältnis in einem Bereich zwischen 1:10 und 1:50, bevorzugt zwischen 1:15 und 1:30, ausgebildet. Als Kollimatormaterial wird beispielsweise Wolfram, Molybdän oder Tantal verwendet. Möglich ist auch eine Legierung aus diesen Materialien. Bevorzugt ist das Kollimatormaterial weicher als das Material der Strahlpartikel, um eine Ablösung der Toleranzen von den Gitterwänden zu gewährleisten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figur näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Kollimator; 2: Toleranzen; 3: Gitterstege; 4: unbehandelter Bereich; 5: nachbehandelter Bereich.
Es zeigt im Einzelnen:
1 eine Draufsicht auf einen Kollimator mit einem unbehandelten Bereich und einem erfindungsgemäß nachbehandelten Bereich.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Kollimator 1 mit einem unbehandelten Bereich 4 und einem erfindungsgemäß nachbehandelten Bereich 5. Der unbehandelte Bereich 4 ist im Bild in der linken Hälfte gezeigt und der nachbehandelte Bereich 5 in der rechten Hälfte. Der Kollimator 1 ist als zweidimensionaler Kollimator 1 mit einer Gitterstruktur hergestellt. Die Gitterstruktur weist eine Vielzahl von rechtwinkeligen Gitterstegen 3 mit Gitterlöchern dazwischen auf. Erfindungsgemäß ist der Kollimator mittels eines selektiven Laserschmelzverfahrens aus einem Metallpulver hergestellt. Die Gitterstege 3 weisen herstellungsbedingte Toleranzen 2 in Form von Partikelanhaftungen oder Oberflächenunebenheiten auf, wie im unbehandelten Bereich 4 zu erkennen ist. Durch die erfindungsgemäße Nachbehandlung mit einem Kugelstrahlverfahren werden die Toleranzen 2 von den Oberflächen abgetragen und die Oberflächen somit geglättet, wie im nachbehandelten Bereich 5 zu erkennen ist, ohne die Gitterstrukturen des Kollimators zu beschädigen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines zweidimensionalen Kollimators (1) für einen Röntgenstrahlungsdetektor, zumindest umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1. Herstellen des Kollimators (1), wobei eine Oberfläche des Kollimators (1) verfahrensbedingte Toleranzen (2) aufgrund anhaftender Partikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 1.2. der Kollimator (1) mittels eines Schmelzverfahrens hergestellt wird, und 1.3. eine Nachbehandlung des hergestellten Kollimators (1) mittels eines Strahlverfahrens durchgeführt wird, um die Toleranzen (2) zu entfernen und die Oberfläche zu glätten, wobei 1.4. die Toleranzen (2) mittels einer Vielzahl von durch den Kollimator (1) gestrahlten Strahlpartikeln entfernt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzverfahrens ein selektives Laserschmelzverfahren verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzen (2) mittels einer Vielzahl von durch den Kollimator (1) gestrahlten Kugeln entfernt werden.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlpartikel mit einer der nachfolgenden Formen verwendet werden: rund und/oder oval.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlpartikel aus einem Material verwendet werden, das härter als das Material des Kollimators (1) ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlpartikel mit einer Größe zwischen 0,01 und 0,15 mm, bevorzugt zwischen 0,02 und 0,1 mm, verwendet werden.