阅读说明：本技术 栅格状光束准直器及其制造方法、辐射探测器和成像设备 (Grid-shaped beam collimator, manufacturing method thereof, radiation detector and imaging device ) 是由 A·弗罗因德 H·盖尔 S·维尔特 G·施蒂布里茨 T·斯图德尼茨基 K·罗伊特 F·达 于 2019-06-19 设计创作，主要内容包括：本公开涉及栅格状光束准直器及其制造方法、辐射探测器和成像设备。通过印刷制造栅格状光束准直器(1)的方法,其中包括粘合剂(4)和金属颗粒(5)的悬浮物被印刷在多个堆叠的层中以用于构建具有栅格结构(2)的层堆叠,栅格结构具有多个交叉网(3),借此将粘合剂(4)从层堆叠中去除,然后至少在栅格结构(2)的表面上施加可固化的液体加固材料(6),加固材料(6)在施加之后固化。(The present disclosure relates to a grid-like beam collimator, a method of manufacturing the same, a radiation detector and an imaging device. Method of manufacturing a grid-like beam collimator (1) by printing, wherein a suspension comprising a binder (4) and metal particles (5) is printed in a plurality of stacked layers for building a layer stack with a grid structure (2) having a plurality of intersecting webs (3), whereby the binder (4) is removed from the layer stack, and then a curable liquid reinforcement material (6) is applied at least on the surface of the grid structure (2), the reinforcement material (6) being cured after application.)

栅格状光束准直器及其制造方法、辐射探测器和成像设备

技术领域

本发明涉及用于通过印刷制造栅格状光束准直器的方法，其中包括粘合剂和金属颗粒的悬浮物被印刷在多个堆叠的层中以用于构建具有多个交叉网(web)的栅格结构的层堆叠。

背景技术

栅格状光束准直器、也称为散射辐射栅格，用于如CT系统(CT＝computedtomography计算机断层扫描)或血管造影系统的X射线系统以吸收被散射的辐射。通常，粘合在支撑机构中的薄金属板的堆叠被用于构建这种准直器。由钨或钼制成的薄金属板被***并粘在塑料载体中。该准直器允许在方向(换句话说，在CT系统的机架旋转方向)上消除散射辐射。众所周知，与简单的准直器相比，散射束校正通过在方向和z方向上作用的准直器更加有效，特别是在双源系统中，开发了准直器的新类型。在这些准直器中，印刷准直器是已知的，例如参见DE 10 2012 206 546 A1。包括具有金属颗粒的载体介质的悬浮物或膏体被丝印到多个层中，以形成层堆叠。使用钨、钼、钽或铜以作为金属颗粒。当一层一层地印刷时，建立三维栅格或网结构。通过将滤网改为更小的开口，还可以使栅格的网适应焦点，使得开口或沟道具有截锥形状。

在印刷层堆叠或网之后，需要去除粘合剂并烧结网结构以使其硬化。在该烧结过程期间，对网结构进行加热，使得金属颗粒牢固地烧结在一起，从而使准直器或防散射栅格稳定。

这种烧结过程存在以下问题：所印刷的网结构或堆叠以不受控制的方式收缩，而这种收缩在网结构的所有部分中并不相等，使得无法预测栅格的网的最终厚度和在烧结网结构处的相应位置。过程稳定性难以实现，所制造的准直器或栅格的性能在每个准直器中是不同的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于制造栅格状光束准直器的方法，其允许更精确地制造印刷准直器。

该问题通过用于制造栅格状光束准直器的方法来解决，其特征在于，将粘合剂从层堆叠中去除，然后至少在栅格结构的表面上施加可固化的液体加固材料，加固物或加固材料在该施加之后固化。

本发明的方法允许通过使悬浮物或膏体穿过用于构建层堆叠的滤网进行印刷来制造栅格状光束准直器，而不存在由于烧结热处理而出现的任何收缩问题。根据本发明的方法，在第一步骤中印刷栅格结构。然后，从层堆叠中去除粘合剂，其中粘合剂是悬浮物的一部分。此外，至少在栅格结构的表面上向栅格结构施加液体加固物用于覆盖栅格结构。此后所参考的单独方式可以进行这种施加。加固物是可固化的，其可以从液体状态(其在被施加时具有液体状态)转变为固化之后的凝固状态。在这种凝固状态下，加固物分别对层堆叠(分别为栅格结构)进行加固和稳定，使其具有足够的硬度进行进一步的加工。

明显地，本发明的方法不需要包括将印刷的栅格结构加热到非常高的温度以熔化或软化金属颗粒的烧结步骤，金属颗粒例如由具有非常高的熔化温度的钨或钼制成。因此，不会发生栅格或网结构的收缩，最终结构仍然具有相同的几何形状，并且对于最终结构的网，在最终的固化步骤之后还具有相同的网宽度和高度。具有平坦和光滑表面的网可以在保持其几何形状和尺寸的情况下实现。利用本发明的方法可以实现非常精确和过程稳定的制造。

通过对所印刷的栅格结构的软热处理用于蒸发粘合剂材料或者分解粘合剂材料，可以实现粘合剂的去除。即使粘合剂被至少部分地去除，金属颗粒仍然粘在一起，因为金属颗粒仍然在彼此接触的区域中粘在一起。此外，也可以通过使用溶剂来进行去除粘性。

至少在栅格结构的表面上施加加固材料，使其在该表面处或靠近该表面润湿金属颗粒，并在固化之后将它们牢固地粘合在一起。优选地，加固材料渗透到栅格结构中。加固材料不仅施加在栅格结构的表面处，而且还渗透到栅格结构的相应深度，优选至少为栅格结构的相应网厚度的10％，尤其是至少20％。随着加固材料从相应的多个网的所有侧面渗透，这些相应的网被加固到加固材料渗透的特定深度。当然加强材料可以完全渗透，使加强材料存在于整个网中，因此彻底加固整个网。

渗透可以在室温或高温下进行，还可以交替地或额外地应用高压或真空的情况。可以使用这些方法中的任一种，分别有助于提高渗透过程(分别为渗透速度)。

优选地，加固材料为聚合物，其在施加或渗透时处于液体状态。术语“聚合物”是指可被固化的任何有机材料，该材料也包括任何类型的胶或粘合物，只要这些胶或粘合物在施加或渗透温度下是液体并且随后可被固化。

加固物的固化可以通过单独的方法来实现，而要使用的相应方法取决于所使用的加固材料(分别为聚合物)的特性。可以通过额外地施加或渗透固化物(如固化剂或交联剂)来固化加固物，尤其是聚合物，其中固化物与渗透的加固物(分别为聚合物)反应。当加固材料(分别为聚合物)是光可固化材料时，也可以通过将UV光照射到所印刷的网结构上来执行固化。

固化也可以通过将层堆叠加热到适当的固化温度来执行，该温度远低于金属颗粒的熔化温度。最后，也可以通过简单地在室温下使被施加或渗透的加固材料干燥，来执行固化。

除使用聚合物作为加固材料外，还可以使用金属作为加固材料，例如与金属颗粒的熔化温度相比具有相对较低熔化温度的金属。因此，可以使用诸如锡、银、铜、镍的金属或者这些金属中的至少两种的合金。使用熔化温度非常低的金属的优点在于，避免由于金属的施加而使网结构过热。

在加固材料为金属的情况下，优选通过冷却层堆叠来执行固化。

如前所述，具有多种不同的方法来将加固材料施加在层堆叠上。根据第一可选方法，在层堆叠上喷射或分配加固材料。例如，可通过使用相应的喷射设备将加固材料直接喷射在网结构上。加固材料也可以其他方式被分配在层堆叠上，例如通过将其倾倒在层堆叠上等等。

除这些方法外，还可以通过将层堆叠浸入液体加固物中来施加加固材料。根据该实施例，层堆叠被浸入包含液体加固物的槽中，只要需要渗透，层堆叠就保持在该槽中，并达到渗透深度(如有必要)，然后将其从槽中移除。之后，进行固化。

用于施加加固材料的第三可选方法是在层堆叠上印刷加固材料，优选通过丝网印刷，即经过滤网来印刷液体加固材料。当加固材料是充足的液体时，加固材料可润湿网的所有侧面，使得网结构在表面被完全覆盖，并且由此可以在所有区域被加固。

最后，可以通过将箔附接至层堆叠并将箔加热到其熔化温度以上，来执行施加。箔由加固材料制成，并且在其附接至层堆叠之后通过简单加热箔而熔化。特别是当箔是聚合物箔时，到箔融化的加热温度非常低，使箔在所有表面上润湿栅格结构的网。

本发明的方法允许在不进行用于烧结网结构的任何热处理的情况下，制造栅格状光束准直器。这完全避免了温度引起的收缩的危险，使得准直器的制造在几何形状和尺寸方面具有非常高的精度。因此，在印刷期间，不需要对由于收缩导致的任何尺寸变化采取措施，使得与现有技术的烧结方法相比，可以在同一表面上印刷更多的准直器或栅格结构。

还可以印刷具有不同网厚度的网结构，使得尤其可以制造较薄的网或壁。被印刷的结构的外网或壁可具有较小的厚度，使得可以将多个被印刷的结构放置为彼此相邻，使外网或壁相互接触，从而使这些双壁网的有效厚度与相应栅格结构内部的网厚度相同。

还可以印刷倾斜的网，使得网或准直器可聚焦到x射线焦点。

金属颗粒被无反应地布置在加固材料或基体中。也可以使用不同金属颗粒的混合物或合金。

此外，本发明涉及一种栅格状光束准直器，其包括具有多个交叉网的栅格结构，栅格结构由金属颗粒和施加在栅格结构表面或存在于栅格结构中的固化加固材料制成。

加固材料可通过上述任何一种方式仅施加到表面上，因此其仅存在于表面上和薄边界层中。作为替代，加固材料可在相应网中达到特定深度。这也可以通过上述任何一种方式来执行。在加固材料被施加、即存在于网内的情况下，有利得将加固材料引入栅格结构的相应网厚度的至少10％的深度，优选为至少20％。

加固物优选为聚合物，可代替地可以使用金属。

优选地，网以截锥金字塔的形状限定沟道，沟道的纵轴与公共焦点对齐。网优选比沟道显著更薄以避免遮蔽辐射探测器的辐射有源矩阵的有源像素并避免具有高剂量的施加，这些网是倾斜或锥形的，使得它们界定出截锥形状的开口或沟道，这些开口或沟道相对于公共焦点与它们的纵轴对齐。这种截锥金字塔几何形状可以非常高的精度实现，因为根据本发明制造网结构的方式不发生收缩。在印刷过程期间，可以通过用连续改变印刷几何形状替换至少一次或优选多次使用的印刷网，来产生分别随截锥金字塔形状的网(分别为沟道)的高度变化的截面。在该实施例中，网的厚度在高度上变化，网在针对公共焦点的方向上变得更薄。这也允许将沟道与公共焦点对齐。

准直器可具有截锥金字塔的整体形状，其具有平行的上下表面和倾斜侧面。此外，准直器边缘处的网也可以倾斜。这能够将多个较小的准直器排成一行，用于构建在CT系统的机架中布置的多边形环形准直器。当然，这种截锥准直器也可以用作单个准直器，例如在包括可移动C形臂等的X射线应用中。可替代地，准直器可以具有长方体形状，具有平行和垂直的边缘网，该实施例优选用于准直器的单独使用。这种具有较厚边缘网的准直器是有利的，因为其在最终硬化时显示出较高的稳定性。

替代地，印刷准直器也可以弯曲形式被印刷，或者可以在印刷之后被机械弯曲，或者制造可成行布置的更小的准直器用于为CT系统的机架构建环形准直器。由于从准直器环到中心焦点的半径较大，因此机械变形较小，以允许保持焦点。对于弯曲印刷但尚未硬化的准直器，可以使用一个或多个圆柱形滚筒。

本发明还涉及一种辐射探测器，特别是x射线探测器，其包括根据本发明的方法或者如上所述制造的栅格状光束准直器。

最后，本发明涉及一种医学成像系统，特别是包括如上所述的辐射探测器的CT系统。

附图说明

本发明的附加优势和特征从下文讨论的实施例和附图中明显得出。在附图中：

图1示出了栅格状光束准直器的原理图，作为穿过印刷后的栅格结构的网的局部截面图，

图2示出了在去除粘合剂之后以及施加加固材料时的图1所示的网，

图3示出了加固材料渗透到网中之后的图2的网，

图4示出了固化渗透的加固材料之后的图3的网，

图5示出了本发明的网状光束准直器的原理透视图，其中网与公共焦点对齐，

图6示出了本发明的网状光束准直器的原理图，其中网的厚度改变并且其与公共焦点对齐，

图7示出了本发明的被弯曲的栅格状光束准直器的原理图，

图8示出了解释本发明的方法步骤的流程图，以及

图9示出了CT系统形式的医学成像系统。

具体实施方式

图1以原理图示出了本发明的栅格状光束准直器1。其包括一个网或包括多个交叉网3的栅格结构2，其中一个网在图1的截面图中示出。栅格结构通过印刷悬浮物或膏来构建，悬浮物或膏包括液体或膏状粘合剂4和金属颗粒5(例如，由钨或钼制成)。这种悬浮膏被穿过滤网(丝网印刷)印刷，多个独立的层被叠加印刷以形成层堆叠。执行印刷，直到网结构2具有其最终形状、几何和尺寸。如图1所示，每个网都具有宽度x和高度y。

粘合剂4连接相应的金属颗粒，使得被印刷的栅格结构在一定程度上稳定并保持其形状。然而，被印刷的层堆叠可以包括在金属颗粒5之间特定的间隙或裂缝。

根据本发明，使用包含粘合剂和金属颗粒的悬浮物印刷栅格结构。常规可能的粘合剂材料的非排他性列表包括例如羟丙基纤维素，甲基羟乙基纤维素，乙基纤维素(EC)，PVB(聚乙烯醇缩丁醛)，PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，PVA(聚乙烯醇)或PEG(聚乙二醇)。

悬浮物还可包含其他组分以影响悬浮物的流变性和印刷特性。例如，RHEOBYK-H3300 VF(由BYK-Chemie股份有限公司提供)，增塑剂，例如甘油、聚丙二醇或邻苯二甲酸二丁酯，或分散剂，例如三氧杂癸酸、Dynol或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

例如，在EP 1 342 760 A1中，使用PVP作为粘合剂描述了用于丝网印刷技术的悬浮物。Thomas Maeder等人的“用于厚膜和LTCC基板上的牺牲层的丝网印刷载体的配制和加工(Formulation and processing of screen-printing vehicles for sacrificiallayers on thick-film and LTCC substrates)”(记录，XXXII国际会议，IMAPS波兰章节，2008)公开了用于厚膜和LTCC结构化技术的丝网印刷媒介物，例如使用PVA或EC作为粘合剂。

在印刷之后，网或栅格结构2例如进行热处理，以将粘合剂从被印刷的结构中去除。

根据本发明的一个实施方案，优选选择粘合剂，使得印刷的栅格结构的软热处理蒸发粘合剂材料或使其分解。

本发明的方法允许避免需要烧结步骤，该烧结步骤包括将印刷的栅格结构加热到非常高的温度，以熔化或软化例如由具有非常高的熔化温度的钨或钼制成的金属颗粒。。

软热处理包括使用比烧结热处理中所用温度更低温度的来加热结构。栅格结构优选被加热至低于1000℃，更优选低于700℃。优选地，栅格结构被加热至至少250℃。软热处理可以例如包括将印刷的栅格结构加热至600℃的温度。例如，栅格结构以5K/min的步幅加热至300℃，然后以3K/min的步幅将结构加热至600℃，然后将栅格结构保持在600℃一段时间，例如20分钟到300分钟。由此尽可能地除去粘合剂，而在结构中残留一定量的剩余粘合剂时，只要由于去除粘合剂而在纤维网中产生孔或开口，就没有危害。

根据本发明的另一个实施方案，如果使用溶剂除去粘合剂，则根据所用的粘合剂选择溶剂。优选使用挥发性溶剂，例如Aceton，来去除粘合剂。

在图2中示出了去除粘合剂之后的图1的网。金属颗粒5仍然粘在一起，尽管部分或大部分粘合剂已被去除。栅格结构保持其尺寸x和y。然而，该结构示出许多减小或裂缝，这使得可以渗透液体加固物6，例如通过喷射设备7喷射或分配该液体加固物来施加加固物。这种液体加固物优选为聚合物，其具有较低的熔化温度，使得在施加加固材料6时不会显著地加热被印刷的栅格结构2。

聚合物硬化材料可包含另外的化学粘合剂，例如，基于硅酸钠，硅酸钾或硅酸锂。可商购的化学粘合剂包括例如Lithopix P1(Zschimmer&Schwarz)或类似物，以及例如Lithosol 1530(Zschimmer&Schwarz)或类似物。硬化材料还可包括环氧树脂，水基密封剂(例如由Jeln 股份有限公司提供的Nano-Seal 180W或类似物)，基于溶剂的密封剂(例如由Jeln 股份有限公司提供的Nano-Seal 120R或类似物)或硅树脂(例如由Wacker Chemie股份公司提供的Silres H62c或类似物)，其中该列表是非排他性列表，并且不排除未明确命名但具有上述特征的其他材料。例如当使用化学粘合剂时，硬化材料可以用水或溶剂进一步稀释以施加，或者例如使用水性密封剂时，可以直接施加硬化材料。

加固材料6可以仅施加于栅格结构2的表面或分别施加于网3，因此润湿外部金属颗粒5，这在随后固化加固材料时将足以加固整个结构。优选地，将加固材料渗透到相应的栅格结构2(分别为网3)中，使其流入相应的网3到特定深度，优选存在于所有相应的网3之上。

根据本发明的一个实施方案，渗透可以在室温或高温下进行。优选选择20℃至250℃之间的温度用于渗透。将栅格结构加热到高于室温的高温可以因此支持或加速渗透。

根据本发明的另一个实施方案，渗透可以在高压或在真空下进行。这意味着也可以使用压力辅助渗透方法来支持渗透。压力辅助渗透可以基于施加高于主要空气压力的高压，或基于施加压力低于主要空气压力的真空，或基于两者的组合。为了支持渗透，优选地，相对于所选择的渗透介质，选择在100mbar和1100mbar之间、更优选地在700mbar和1000mbar之间的有效压力差。优选地，使用基于真空的压力辅助渗透方法，相对于所选择的渗透介质施加1mbar至950mbar之间的压力。

图3示出了液体加固材料6(分别为聚合物)渗透到整个网3中的图2的网3，其仍然具有印刷尺寸x和y。可以看出，所有金属颗粒5均被液体加固材料润湿或接触。

在最后的步骤中，液体加固材料6被固化至凝固。这种固化或凝固可通过各种方法执行。可以简单地稍微加热栅格结构2用于硬化液体加固材料。当液体加固材料6可光固化时，也可以应用UV光。

无论采用何种方法，结果都是加固材料6被凝固，并且牢固地***并且稳定地分别与金属颗粒5接触。整个栅格结构非常稳定，并且可以分别进行进一步加工，同时保持其尺寸而不存在收缩的危险。

图5示出了本发明的准直器1的原理图。其包括栅格状的网结构2，具有平坦的上下两侧和交叉的网3(它们在前侧由虚线示出)，这些网与公共焦点对齐，因为它们从中心到侧面开始越来越倾斜。网的厚度在其高度上保持不变。由于网限定了沟道9，这些沟道也被聚焦，它们的纵轴与公共焦点对齐。准直器1具有截锥金字塔的总体形状。该几何形状可利用印刷过程来制造，从而由于网结构2高度上的几何形状变化，印刷筛需要改变一次或多次。

图6示出了另一发明实施例的准直器1的侧视图，其还具有平坦的上下两侧。具有网3的网结构2也与公共焦点对齐，但网厚度随网的高度而变化。网越高，它们在焦点方向上变得越薄。此外，这种网几何形状也可以通过改变印刷筛的印刷过程来制造。

图7最后示出了具有网结构的准直器1，网结构被弯曲用于使网结构2(分别为网3)与公共焦点对齐。这种弯曲可以在印刷工艺期间实现，意味着网结构以弯曲形式被印刷。在替代方法中，网结构2被印刷具有平行的上下表面，然后进行机械弯曲。

图8示出了解释本发明的方法的流程图。在步骤S1中，制造包括粘合剂和金属颗粒的悬浮物。例如，金属颗粒可以是钼或钨。针对筛印刷方法选择悬浮物的粘度。

然后，参见步骤S2，使膏状悬浮物穿过限定了网结构的滤网进行印刷，以制造用于印刷网结构(分别为准直器)。该结构通过将多个被印刷的层彼此叠加印刷而被构建，以构建层堆叠。如果应制造聚焦准直器，则频繁变换滤网，使得被印刷的网变得倾斜。因此，由倾斜网限定的沟道或开口将具有截棱锥或截锥金字塔形式，沟道的纵轴都与公共焦点对齐。因为每个沟道都由四个网界定，所以其具有正方形的横截面。还可以改变结构上的网厚度，使得可以构建具有较小网的区域和具有较大网的区域。

参见步骤S3，在网结构的印刷之后，将能量施加于网结构以去除粘合剂。可以通过加热网结构或者通过向网结构施加溶剂来施加能量。粘合剂尽可能地被去除，而当粘合剂的残留量留在结构中时，只要由于去除粘合剂而在网中形成孔或开口，则是无害的。

在去除粘合剂时，在步骤S4中，施加加固材料。可以多种方式来进行这种施加。其可以被喷射或分配在层堆叠上，或者通过将层堆叠浸入液体加固材料中来施加。可替代地，其可以被印刷在层堆叠上，或者其可以作为箔被附接至层堆叠并加热到其熔化温度以上。加固材料可以仅施加于网的表面或者其可以移动到网中直到特定深度。当网显示出特定的吸收能力时可以在室温下渗透到网中，或者可以加热网结构或通过施加更高的压力来驱动渗透。加固材料优选地被移动到网厚度的至少20％的深度。

最后，参见步骤S5，加固材料被固化以硬化网。例如，可以通过施加固化物、或通过施加UV光、或通过将结构加热到固化温度、或在使用聚合物加固材料的情况下，在室温下进行硬化。根据加固材料的特性选择所需的方法。当金属用作加固材料时，硬化仅通过冷却结构即可。

图9示出了CT系统10形式的医学成像设备的原理图。CT系统10是双源系统，其包括两个辐射源11和12，例如X射线源，它们错开90°的角度。如果进一步包括两个辐射探测器13和14，探测器也被错开90°的角度并与辐射源11和12相对地布置。如果CT系统不是双源系统，则仅提供具有相对辐射探测器的一个辐射源。源-探测器对布置在机架外壳15中的机架上。

探测器13和14均具有一个或多个栅格状光束准直器1，准直器具有一个或多个散射辐射栅格。散射辐射栅格如上所述制造，它们在结构上可以是模块化的，并且在方向和z方向上均引起散射辐射减少。这里，z方向被认为是坐标轴，并且被认为是机架的旋转方向。

尽管已参照优选实施例详细描述了本发明，但本发明不受所公开示例的限制，本领域技术人员从所公开的示例中能够得到其他变型而不背离本发明的范围。