本發(fā)明涉及正電子發(fā)射計算機斷層掃描領(lǐng)域，具體而言，涉及一種硅酸釔镥晶體的超光滑高精度表面修形方法。

背景技術(shù)：

正電子發(fā)射計算機斷層掃描(Positron Emission Tomography，PET)是近年來的一個研究和應(yīng)用熱點，其在醫(yī)療領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用已經(jīng)逐漸展現(xiàn)，并且已經(jīng)成為診斷癌癥、心臟病以及腦部疾病的一個重要手段。相對于其他診斷手段，如核磁共振(MRI)或計算機斷層掃描(CT)等，PET可以診斷更早期的癌癥以及區(qū)別良性和惡性腫瘤，還可有效地用于指導(dǎo)腫瘤的治療。

PET技術(shù)里所使用的一個核心部件則是掃描器，掃描器探測注射于人體內(nèi)的微量放射性元素。放射性元素釋放出的正電子與物質(zhì)內(nèi)的電子產(chǎn)生湮滅并形成光子，光子經(jīng)過探測器時將會點亮閃爍晶體，從而被光電倍增管或雪崩二極管等捕捉。探測器最關(guān)鍵的部件之一是閃爍晶體。閃爍晶體有NaI(Tl)、CsI(Tl)、BGO、YLSO等。其中，YLSO即硅酸釔镥晶體，其具有優(yōu)良的閃爍性能，主要優(yōu)點有高光輸出(約為BGO的3-4倍)、快發(fā)光衰減、有效原子序數(shù)多、密度大等優(yōu)良特性，并且其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不潮解、對放射線的能量分辨率高、抗輻射能力強、溫度系數(shù)小，并且與光電倍增管具有良好匹配。目前，YLSO為性能最好的無機閃爍晶體材料之一，未來將代替NaI(Tl)、BGO等閃爍晶體。

由于YLSO晶體具有以上優(yōu)良的性能，不僅被廣泛用于PET系統(tǒng)，而且在高能物理、核物理、X射線探測、油井鉆探、安全檢查、環(huán)境檢查等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用。YLSO具有高的物理密度，因此，有利于放射線探測器的小型化、便攜化。YLSO還具有高光輸出、快發(fā)光衰減，從而使得YLSO具有比其他閃爍晶體更高的時間和空間分辨精度。另外，YLSO具有優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性能。這些優(yōu)異的性能使得YLSO已經(jīng)在核醫(yī)學(xué)、核物理、CT、安防等領(lǐng)域獲得了大量應(yīng)用。

在以上應(yīng)用中，包含YLSO的探測器是核心部件。所使用的YLSO需要具有超光滑的表面以及高質(zhì)量面形精度，以保證對表面信號探測的靈敏性、高信噪比及高的時空分辨率。目前，還沒有一套能夠獲取具有高精度面形以及超光滑表面的YLSO的成熟工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種硅酸釔镥晶體的表面修形方法，以提供一種成熟的工藝以制備具有精度高、表面光滑的硅酸釔镥晶體。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種硅酸釔镥晶體的表面修形方法，包括以下步驟：分別利用磨料對硅酸釔镥晶體進行N次研磨，再利用拋光料進行拋光。磨料中含有粒徑為5微米～80納米的剛玉，且第N次研磨采用的磨料中的剛玉的粒徑小于第N-1次研磨采用的磨料中的剛玉的粒徑。拋光料含有粒徑為1～3微米的二氧化鈰。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供了一套完整且有效的用于硅酸釔镥晶體表面整形的超精拋光方案。利用本發(fā)明提供的表面修形方法，可以將硅酸釔镥晶表面的面形精度控制在100nm以下，并且表面粗糙度低于<0.5nm，達(dá)到超精密拋光，滿足現(xiàn)有正電子發(fā)射計算機斷層掃描裝置對硅酸釔镥晶體的精度要求。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體在二氧化硅玻璃背板上的排列方式；

圖2示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過預(yù)研磨后的硅酸釔镥晶體的表面粗糙度示意圖；

圖3示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過預(yù)研磨后的硅酸釔镥晶體的表面面形精度示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過精磨后的硅酸釔镥晶體的表面粗糙度示意圖；

圖5示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過精磨后的硅酸釔镥晶體的表面面形精度示意圖；

圖6示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過精磨后的硅酸釔镥晶體的表面粗糙度示意圖；

圖7示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過精磨后的硅酸釔镥晶體的表面面形精度示意圖；

圖8示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過拋光后的硅酸釔镥晶體的表面粗糙度示意圖；

圖9示出了本發(fā)明實施例1提供的硅酸釔镥晶體的表面修形方法中經(jīng)過拋光后的硅酸釔镥晶體的表面面形精度示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

100-二氧化硅玻璃背板；102-硅酸釔镥晶體。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

以下針對本發(fā)明實施例的硅酸釔镥晶體的表面修形方法進行具體說明：

一種硅酸釔镥晶體的表面修形方法，包括以下步驟：

分別利用磨料對硅酸釔镥晶體進行N次研磨，再利用拋光料進行拋光。其中，磨料中含有粒徑為5微米～80納米的剛玉，且第N次研磨采用的磨料中的剛玉的粒徑小于第N-1次研磨采用的磨料中的剛玉的粒徑。，拋光料含有粒徑為1～3微米的二氧化鈰。

硅酸釔镥晶體的熔點為2050℃，具有不溶于水、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點。硅酸釔镥晶體硬度高，其莫氏硬度可達(dá)5.8，但是，其相對較脆而易損壞。為了對硅酸釔镥晶體進行表面加工，需要采用特殊的工藝，以避免加工處理過程中造成硅酸釔镥晶體的損壞。

為了獲得光滑、高精度的表面形貌，本發(fā)明采用對硅酸釔镥晶體表面進行多次研磨、拋光處理。通過不斷減小多次研磨、拋光處理過程中的研磨材料和拋光材料的粒徑，從而可以實現(xiàn)對硅酸釔镥晶體表面逐步的打磨，以減少打磨過程中硅酸釔镥晶體出現(xiàn)不可控的大尺度裂紋和缺陷，從而獲得較好的表面形貌，避免出現(xiàn)碎裂的情況。

剛玉的主要成分為三氧化二鋁，其莫氏硬度為9.0，大于硅酸釔镥晶體的莫氏硬度。因此，剛玉可以對硅酸釔镥晶體表面進行大尺度的打磨，可以對粗糙表面進行修形。當(dāng)利用剛玉將硅酸釔镥晶體的凹凸不平的表面修形后，其表面的平整度大大增加，此時再利用粒徑更小的二氧化鈰進行拋光處理，可以進一步使硅酸釔镥晶體的表面更加平整、光滑。

進行研磨時可采用合成錫盤作為研磨盤。合成錫盤可用于進行高精度的研磨，能夠獲得較好的研磨表面形貌。合成錫盤配合剛玉可以獲得相對較高的研磨速度，從而提高表面整形處理的速度。

較佳地，合成錫盤的平面度為30～50微米，本發(fā)明實時實施例中合成錫盤的平面度為45微米。合成錫盤的平面度對整形處理的效果起到較大的影響。其平面度過低，則合成錫盤的加工難度大，且易損壞，從而導(dǎo)致使用成本增加；平面度過大，則合成錫盤加工后的硅酸釔镥的表面的粗糙度增加，需要重復(fù)多次研磨，從而增加了處理時間和成本。

合成錫盤的工作面(與硅酸釔镥晶體待研磨表面接觸的一面)可設(shè)置多個同心圓，同心圓的圓心在合成錫盤的軸心線上。同心圓之間的寬度和每個同心圓的深度以對硅酸釔镥的表面整形要求進行確定，例如，寬度為1～4毫米，深度為100～220微米。

經(jīng)過磨料的研磨后，硅酸釔镥晶體表面的大部分劃痕、機械或者化學(xué)腐蝕痕跡得以被去除，硅酸釔镥晶體表面的光滑程度大大提高。此時，再采用拋光料進行更精細(xì)的拋光處理，從而使其表面更加光滑，降低粗糙度。拋光的時間可以根據(jù)硅酸釔镥晶體原料的表面粗糙程度以及所需達(dá)到的面形精度進行確定。

本發(fā)明中采用聚氨酯作為拋光盤，并且結(jié)合二氧化鈰顆粒為拋光材料，以實現(xiàn)對硅酸釔镥表面的高精度加工處理。拋光的時間根據(jù)硅酸釔镥晶體所需達(dá)到的面形精度進行確定。本發(fā)明實施例中，拋光時間為30～180分鐘。

聚氨酯材質(zhì)的拋光盤的硬度相對較低，且具有較高的彈性，在同等拋光壓力下，可減小對拋光材料對硅酸釔镥晶體表面的破壞。二氧化鈰顆粒的硬度與硅酸釔镥晶體的硬度接近，因而，二氧化鈰與硅酸釔镥晶體相互摩擦?xí)r，二氧化鈰不易對其表面產(chǎn)生機械損傷。

較佳地，本發(fā)明中，采用如下方法對硅酸釔镥晶體進行研磨：

首先，利用含粒徑為2～5微米剛玉的磨料對硅酸釔镥晶體進行預(yù)研磨。其中，磨料由剛玉與水(優(yōu)選為去離子水)混合而成，且剛玉的濃度為1～20wt％。預(yù)研磨時，可采用自由連續(xù)主動偏心拋光機器，在合成錫盤的轉(zhuǎn)速為10～40轉(zhuǎn)/分鐘、壓力為0.1～10kPa，磨料的流量為1～100mL/min的條件下預(yù)研磨60～240分鐘。通過預(yù)研磨，硅酸釔镥晶體表面的面形精度為100～300nm，表面粗糙度為15～20nm。

其次，利用含粒徑為0.3～0.5微米剛玉的磨料對硅酸釔镥晶體進行精磨。其中，磨料由剛玉與水(優(yōu)選為去離子水)混合而成，且剛玉的濃度為1～20wt％。精磨時，可采用自由連續(xù)主動偏心拋光機器，在合成錫盤的轉(zhuǎn)速為10～40轉(zhuǎn)/分鐘、壓力為0.1～10kPa，磨料的流量為1～100mL/min的條件下預(yù)研磨精磨60～240分鐘。通過精磨，硅酸釔镥晶體表面的面形精度為100～200nm，表面粗糙度為1～5nm。

再次，利用含粒徑為30～80納米剛玉的磨料對硅酸釔镥晶體進行超精磨。其中，磨料由剛玉與水(優(yōu)選為去離子水)混合而成，且剛玉的濃度為1～20wt％。超精磨時，可采用自由連續(xù)主動偏心拋光機器，在合成錫盤的轉(zhuǎn)速為10～40轉(zhuǎn)/分鐘、壓力為0.1～10kPa，磨料的流量為1～100mL/min的條件下超精磨。通過超精磨60～240分鐘，硅酸釔镥晶體表面的面形精度為100以下nm，表面粗糙度為1～2nm。

相應(yīng)地，采用如下方法對硅酸釔镥晶體進行拋光：

采用自由連續(xù)主動偏心拋光機器，以聚氨酯盤為拋光盤在轉(zhuǎn)速為5～20轉(zhuǎn)/分鐘、壓力為0.1～5kPa，拋光料的流量為1～100mL/min的條件下拋光30～180分鐘。其中，拋光料由二氧化鈰與水(優(yōu)選為去離子水)混合形成，且二氧化鈰的濃度為0.1～10wt％。

以上研磨和拋光過程中，硅酸釔镥晶體均固定在二氧化硅玻璃板。由于二氧化硅玻璃與硅酸釔镥晶體的硬度相近，可減小背板和硅酸釔镥晶體之間的相互摩擦損傷。二氧化硅玻璃板熱傳導(dǎo)更加均勻，避免硅酸釔镥晶體熱集中而產(chǎn)生缺陷的問題。另外，由于采用水體系的液態(tài)磨料以及拋光料，可以在一定程度降低加工過程中發(fā)熱的問題，同時流動的磨料和拋光料還可以攜帶走部分從硅酸釔镥晶體表面研磨和拋光的廢屑，避免廢屑對硅酸釔镥晶體表面的二次損壞。其次，由于合成錫盤設(shè)置有同心圓，研磨液也更易在合成錫盤和硅酸釔镥晶體接觸面之前輸運。

當(dāng)需要同時對多片硅酸釔镥晶體進行加工處理時，多片硅酸釔镥晶體優(yōu)選放置于二氧化硅玻璃板的中部，并且硅酸釔镥晶體之間間隔100微米為佳，且對稱排列，以防止硅酸釔镥晶體受熱膨脹而彼此接觸，從而避免了由于膨脹接觸而發(fā)生機械損傷的問題。采用上述的排列方式可以減少硅酸釔镥晶體在超精密拋光過程中的塌邊現(xiàn)象，提高整個表面的面形精度，并保證了加工的完整性。

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明的硅酸釔镥晶體的表面修形方法作進一步的詳細(xì)描述。

實施例1

1.試驗條件

研磨設(shè)備：超精密主動驅(qū)動研磨機

研磨盤直徑：300mm

硅酸釔镥晶體尺寸：4mm×4mm×20mm

玻璃背板尺寸：直徑50mm

壓力：2～4kPa

研磨盤、拋光盤轉(zhuǎn)速：15～20rpm

硅酸釔镥晶體轉(zhuǎn)速：15～20rpm

2.檢測設(shè)備

粗糙度：Zygo光學(xué)式粗糙度檢測設(shè)備

面形：QED光學(xué)干涉儀

形貌：Keyence光學(xué)式數(shù)字顯微鏡

粒度：Malvern激光散射式粒度測試儀

研磨方法：將磨料連續(xù)不斷地輸送至合成錫盤上，使硅酸釔镥晶體被研磨的表面與合成錫盤自由接觸，被研磨的表面與合成錫盤產(chǎn)生相對運動，磨料持續(xù)供給，不循環(huán)使用。拋光的方法：將拋光料連續(xù)不斷地輸送至聚氨酯盤上，使硅酸釔镥晶體被研磨的表面與聚氨酯盤自由接觸，被研磨的表面與聚氨酯盤產(chǎn)生相對運動，拋光料持續(xù)供給，不循環(huán)使用。

硅酸釔镥晶體的表面修形方法具體包括以下步驟：

第一步、粘貼上盤，將硅酸釔镥晶體粘貼于二氧化硅玻璃背板100上。以五片硅酸釔镥晶體102為例進行說明，硅酸釔镥晶體102的排列方式參閱圖1。硅酸釔镥晶體102樣品對稱結(jié)構(gòu)排列，條狀硅酸釔镥晶體對稱粘貼于背盤中部，其中相鄰兩個硅酸釔镥晶體樣品之間相互間隔約100μm左右。

第二步、預(yù)研磨階段，本實施方案采用合成錫盤作為研磨盤，以3微米粒徑的剛玉與去離子水的混合物為磨料，且磨料中剛玉的濃度為6wt％。

預(yù)研磨條件：合成錫盤預(yù)研磨壓力為3.5kPa、轉(zhuǎn)速在20rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)，磨料的流量為10mL/min，預(yù)研磨時間為240分鐘。通過預(yù)研磨使硅酸釔镥晶體的表面粗糙度達(dá)到15nm，面形精度達(dá)到100nm。檢測結(jié)果如圖2、圖3所示，可見硅酸釔镥晶體表面的殘留機械損傷(圖中深色凹坑)，尺度在350nm。

第三步、精磨階段，采用合成錫盤作為研磨盤，以0.3微米粒徑剛玉和水的混合物為磨料，且磨料中剛玉的濃度為7wt％。

精磨條件：合成錫盤精磨壓力為2.7kPa、轉(zhuǎn)速在17rpm，磨料的流量為10mL/min，精磨時間為240分鐘。通過精磨使硅酸釔镥晶體的表面粗糙度可達(dá)到1～2nm，面形精度達(dá)到100nm。檢測結(jié)果如圖4和圖5所示，可見硅酸釔镥晶體表面的表面殘留機械損傷(凹坑)尺寸下降至45nm。通過精磨階段的處理，將在預(yù)研磨階段遺留的機械損傷快速降低，以提高硅酸釔镥晶體表面質(zhì)量。

第四步、超精磨階段，采用合成錫盤作為研磨盤，50納米粒徑剛玉和去離子水混合形成磨料，且磨料中剛玉的濃度為8wt％。

超精磨條件：合成錫盤超精研磨壓力為2.7kPa、轉(zhuǎn)速在15rpm，磨料流量為10mL/min，超精磨時間為60分鐘。通過超精磨使硅酸釔镥晶體的表面粗糙度可達(dá)到1～2nm，面形精度達(dá)到100nm。檢測結(jié)果如圖6和圖7所示，表面殘留機械損傷(凹坑)深度已下降至23nm。通過超精磨階段的處理，將精磨階段遺留的機械損傷降至最低，提高硅酸釔镥晶體表面質(zhì)量至研磨過程中的最高質(zhì)量，以便于拋光階段快速形成超光滑表面。

第五步、拋光階段，聚氨酯盤作為拋光盤，采用1微米CeO₂和去離子水的混合物作為拋光料，且拋光料中CeO₂的濃度為10wt％。

拋光條件：拋光盤的壓力在2.8kPa，轉(zhuǎn)速在15rpm，拋光料的流量為10mL/min，拋光180分鐘。通過拋光加工，硅酸釔镥晶體表面粗糙度可達(dá)到0.57nm，面形達(dá)到100nm，將研磨階段的機械損傷完全去除，使其表面粗糙度達(dá)到亞納米級。檢測結(jié)果如圖8和圖9，通過拋光階段的處理，將超精研磨階段遺留的機械損傷完全去除，使硅酸釔镥晶體表面粗糙度達(dá)到亞納米級，且表面無殘留機械損傷，實現(xiàn)硅酸釔镥晶體超光滑表面的加工。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。