CN108415062B - 一种具有光子微结构表面的闪烁体器件 - Google Patents

一种具有光子微结构表面的闪烁体器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球。与现有技术相比，本发明可以获得基本无光谱基本的光输出增强效果，在核辐射探测***的应用中提高探测效率的同时降低测量误差。

Description

一种具有光子微结构表面的闪烁体器件
技术领域
本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，该器件在辐射探测器中将显著提高闪烁体光输出，同时不会引起闪烁光谱的光谱畸变。
背景技术
在高能物理实验、核物理实验及核医学成像***中闪烁探测***是非常重要的辐射测量装置，该装置中的核心功能材料就是闪烁体。闪烁体通过吸收高能射线并将其转化为可见光的方式来实现对射线的探测。
闪烁体的光输出是直接决定的探测器的效率，光输出由闪烁体的本征光产额和光提取效率共同决定。大部分闪烁体具有高的折射率较(介于1.8到2.2之间)，闪烁光在出射界面形成的全反射角较小，导致大部分闪烁光被限制在闪烁体内部无法出射，大部分闪烁光被限制在闪烁体内部被自吸收或从闪烁体边缘发射，无法进入探测***成为有效的闪烁光，对于闪烁体发光的利用率十分低下，因此提取这部分被限制在闪烁体内部的光显得十分重要。
为了有效提取出闪烁体发光，专利号为201410496266.X的发明专利公开了一种采用自组装光子晶体结构实现光输出的显著提高。但该结构对闪烁光的增强具有波长依赖，即不同的发射波长增强的比例是不同的，波长依赖的增强产生了光谱畸变。在大多数核辐射探测中，采用的是积分光谱的收集方式，即所有波长的闪烁光子都将被收集，而探测器对于不同波长响应是不同的，因此具有波长畸变特征的增强方式不利于最终探测信号的校准，从而导致探测***探测性能的下降和测量误差的增加。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中常规光子晶体带来的光谱畸变问题而提供一种具有光子微结构表面的闪烁体器件。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，所述的微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球。
三种微球的直径分别为：
Figure BDA0001553309770000021
其中λm是闪烁体发光的中心波长，Δλ是闪烁体发光的带宽。
作为优选的实施方式，三种微球的直径为：
Figure BDA0001553309770000022
作为更加优选的实施方式，闪烁体发光的带宽为150-300nm。
作为更加优选的实施方式，闪烁体发光的中心波长为400-700nm。
所述的共形层的材料选择为对闪烁体发光透明的材料。
所述的共形层的厚度为10-100nm。
以往公开的光子晶体闪烁体是由单一尺寸的微球阵列构成，微球采取周期结构排列，因此展示出了规则的衍射结构，该衍射结构在提高闪烁光输出的同时具有显著的波长依赖特征，波长依赖是衍射的本质特征。正如前文所述，波长依赖导致发光光谱畸变，光谱畸变会带来后续光电探测器件的校准困难并引起测量误差。本专利申请中采用三种不同尺寸的微球构成的光子结构，可以显著改善光谱畸变，对于宽带发光的闪烁体尤其必要。可以这样理解其作用机理，每种直径的微球都构成了一套衍射机构，三种直径构成三套衍射机构，可以在很大程度上平均掉增强光谱的波长依赖，得到近似一致的增强效果。也可以将每种不同直径的微球理解为各自的散射单元，三种散射单元构成的平均效果将平滑光谱的波长依赖，得到近似一致的增强效果。考虑到大部分常见闪烁体的发光带宽位于150-300nm之间，因此采用三种直径的微球即可很好的满足平均效应，得到近似一致的增强效果。对于衍射过程，最佳的直径一般位于所需衍射的闪烁体发光波长，因此我们选取中心波长处，和两侧1/3处的波长处，由于发光峰一般属于高斯型，两侧1/3处的发光强度仍然较强，因此设置在该出，增强该波长的发射强度从积分效果上来说具有更好的效果。如果波长间隔太大，则发光强度显著降低，不利于整个波长范围的积分增强效果；每种尺寸微球的增强效果具有一定的带宽，通常介于50-100nm范围，因此选择选取中心波长处和两侧1/3处的波长处，可以获得基本无光谱基本的光输出增强效果，在核辐射探测***的应用中提高探测效率的同时降低测量误差。
附图说明
图1为实施例1中微球层的电镜图片；
图2实施例1的表面覆盖微结构的样品和表面无结构的光滑平面参考样品在X射线激发下的发射谱；
图3实施例1的表面覆盖微结构的样品的增强光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本例采用的闪烁体层是表面为10X20mm2，厚度为1mm的Bi3Ge4O12(BGO)闪烁晶体，其发光中心波长位于520nm，发光范围400-700nm，带宽为300nm。因此选取三种微球的直径分别为420,520和620nm。
样品制备过程如下：1.硅片处理。配制质量分数为5％的十二烷甲基硫酸钠溶液，将厚度为0.5mm的硅片放入该溶液中，放置12小时。2.配制聚苯乙烯微球溶液。取质量分数为2.5％的等量直径为420,520和620nm的聚苯乙烯微球溶液和无水乙醇，按1:1的比例混合。3.将已配制好的聚苯乙烯微球溶液滴到处理过的硅片上，等待其在硅片上充分展开，并将水分完全挥发。4.把附着聚苯乙烯微球的硅片缓慢放入去离子水中，这时聚苯乙烯微球漂浮在水面上。5.用表面处理干净的闪烁体层从水中将漂浮的聚苯乙烯微球阵列捞起，待自然蒸发掉多余的水分后，闪烁体层表面即附着了聚苯乙烯微球阵列。6.覆盖层采用三维原子层沉积技术，在聚苯乙烯微球上沉积TiO2层，沉积厚度为10nm，沉积时的工作温度为75摄氏度。样品表面结构的扫描电镜图，如图1所示。图2展示了X射线激发下表面覆盖微结构的样品和表面无结构的光滑平面参考样品的发光光谱，结果表明在整个发光光谱区间，表面覆盖微结构的样品的发光被显著增强了。图3显示的增强光谱，结果表明在整个发光光谱范围都有较为均匀的增强，增强比例为1.75倍，没有显著的波长依赖特性。满足设计要求。
实施例2：
本例采用的闪烁体层是表面为20X20mm2，厚度为2mm的LYSO闪烁晶体，其发光中心波长位于420nm，发光范围380-560nm，带宽为180nm。因此选取三种微球的直径分别为360,420和480nm。覆盖层为100nm的二氧化硅层。测试结果表明其具有无波长依赖的增强，增强比例为1.8倍。
实施例3：
本例采用的闪烁体层是表面为20X20mm2，厚度为2mm的PbWO4闪烁晶体，其发光中心波长位于450nm，发光范围400-550nm，带宽为150nm。因此选取三种微球的直径分别为500,450和550nm。覆盖层为50nm的二氧化硅层。测试结果表明其具有无波长依赖的增强，增强比例为1.9倍。
实施例4：
一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球。三种微球的直径可以允许有一定的偏差，分别为：
Figure BDA0001553309770000041
其中λm是闪烁体发光的中心波长，Δλ是闪烁体发光的带宽，本实施例中闪烁体发光的带宽为150nm，闪烁体发光的中心波长为400nm。使用的共形层的材料选择为对闪烁体发光透明的材料，厚度为10nm。
实施例5：
一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球。三种微球的直径分别为：
Figure BDA0001553309770000042
其中λm是闪烁体发光的中心波长，Δλ是闪烁体发光的带宽，本实施例中闪烁体发光的带宽为200nm，闪烁体发光的中心波长为500nm。使用的共形层的材料选择为对闪烁体发光透明的材料，厚度为50nm。
实施例6：
一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球。三种微球的直径可以允许有一定的偏差，分别为：
Figure BDA0001553309770000051
其中λm是闪烁体发光的中心波长，Δλ是闪烁体发光的带宽，本实施例中闪烁体发光的带宽为300nm，闪烁体发光的中心波长为700nm。使用的共形层的材料选择为对闪烁体发光透明的材料，厚度为100nm。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，包括闪烁体层、覆盖在闪烁体层表面的微球层、覆盖在微球层上的共形层，所述的微球层为由三种不同直径的微球混合得到的单层微球；
三种微球的直径分别为：
Figure FDA0002924241880000011
λm±20nm，
Figure FDA0002924241880000012
其中λm是闪烁体发光的中心波长，Δλ是闪烁体发光的带宽。
2.根据权利要求1所述的一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，三种微球的直径为：
Figure FDA0002924241880000013
λm，
Figure FDA0002924241880000014
3.根据权利要求1或2所述的一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，所述的闪烁体发光的带宽为150-300nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，所述的闪烁体发光的中心波长为400-700nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，所述的共形层的材料选择为对闪烁体发光透明的材料。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有光子微结构表面的闪烁体器件，其特征在于，所述的共形层的厚度为10-100nm。
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