一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于輻射探測領(lǐng)域，涉及一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體。其結(jié)構(gòu)包含：閃爍體層、周期陣列層和覆蓋層，其中：周期陣列層與閃爍體層直接接觸，布置于其上方，覆蓋層與周期陣列層直接接觸并與其共形。采用這種表面結(jié)構(gòu)，可使得閃爍體的光輸出成倍提高，對于提高閃爍探測系統(tǒng)的靈敏度和信噪比具有非常重要的作用。本發(fā)明設(shè)計(jì)原理清晰明了，材料制備涉及的工藝成熟，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核輻射探測領(lǐng)域，具體涉及一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體，該結(jié)構(gòu)性的閃爍體在輻射探測器中將顯著提高閃爍體光輸出，進(jìn)而提升探測系統(tǒng)的靈敏度和信噪比。

【背景技術(shù)】
[0002]在高能物理實(shí)驗(yàn)、核物理實(shí)驗(yàn)及核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中閃爍探測系統(tǒng)是非常重要的輻射測量裝置，該裝置中的核心功能材料就是閃爍體。閃爍體通過吸收高能射線并將其轉(zhuǎn)化為可見光的方式來實(shí)現(xiàn)對射線的探測。
[0003]閃爍體的光輸出是直接決定的探測器的效率，光輸出由閃爍體的本征光產(chǎn)額和光提取效率共同決定，目前使用的大部分商用閃爍體的本征光產(chǎn)額都經(jīng)過晶體生長技術(shù)的充分優(yōu)化接近理想值。但由于大部分閃爍體的折射率較大(通常介于1.8到2.2之間)，閃爍光在出射面形成的全反射角較小，導(dǎo)致大部分閃爍光被限制在閃爍體內(nèi)部無法出射，例如:當(dāng)折射率n=2時(shí)，全內(nèi)反射角為30°，從上下兩個(gè)界面出射的光只有約13%，大約87%的光被限制在閃爍體內(nèi)部被自吸收或從閃爍體邊緣發(fā)射，無法進(jìn)入探測系統(tǒng)成為有效的閃爍光，因此如何提取這部分被限制在閃爍體內(nèi)部的光顯得十分重要。
[0004]本發(fā)明正是針對傳統(tǒng)閃爍體高折射率導(dǎo)致的提取效率低下，提出設(shè)計(jì)方案，利用自組裝形成的周期陣列并覆蓋高折射率覆蓋層的人工光子微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閃爍體提取效率的大幅度提聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體。
[0006]本發(fā)明提出的利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體，其結(jié)構(gòu)包含:閃爍體層、周期陣列層和覆蓋層，其中:覆蓋層包覆于周期陣列層外，且覆蓋層與周期陣列層直接接觸并與其共形，包覆有覆蓋層的周期陣列層直接布置于閃爍體層上方；所述覆蓋層采用折射率大于1.6，且在相應(yīng)閃爍體發(fā)射波長范圍內(nèi)透明的介質(zhì)材料；所述周期陣列層的結(jié)構(gòu)屬于單層六角密堆積的結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明中，閃爍體層的材料為Lu2S15:Ce、(Lu，Y)2Si05:Ce、Bi3Ge4O12、Y3Al5O12:Ce、Cs1: Tl、Na1: Tl、PbWO4、塑料閃爍體或閃爍玻璃中的一種。
[0008]本發(fā)明中，周期陣列層采用的材料是聚苯乙烯微球或二氧化硅微球中的一種。
[0009]本發(fā)明中，聚苯乙烯微球或二氧化娃微球的直徑介于300nm到800nm之間。
[0010]本發(fā)明中，周期陣列層采用化學(xué)自組裝的方法制備。
[0011]本發(fā)明中，覆蓋層的厚度介于30nm到10nm之間。
[0012]本發(fā)明中，覆蓋層采用原子層沉積方法制備。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:
利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體，在很大程度上解決了由于閃爍體高折射率導(dǎo)致的光陷效應(yīng)，大幅度提高了有效光輸出，將提高閃爍探測器的靈敏度、信噪比，在輻射探測、射線成像、核醫(yī)學(xué)和空間探測等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為表面覆蓋光子結(jié)構(gòu)閃爍體的截面示意圖。
[0015]圖2為表面覆蓋光子結(jié)構(gòu)閃爍體的俯視示意圖。
[0016]圖3為實(shí)施例1中(Lu，Y)2Si05:Ce樣品表面的掃描電鏡圖。
[0017]圖4為實(shí)施例1中X射線激發(fā)發(fā)光光譜。其中曲線a為表面具有光子結(jié)構(gòu)的(Lu, Y)2Si05:Ce樣品的發(fā)光光譜，曲線b為表面無結(jié)構(gòu)的(Lu，Y)2Si05:Ce參考樣品的發(fā)光光譜。
[0018]圖5為實(shí)施例1中表面具有光子結(jié)構(gòu)的(Lu, Y)2Si05:Ce樣品相對于無結(jié)構(gòu)參考樣品的發(fā)光增強(qiáng)比例。
[0019]圖6為實(shí)施例2中X射線激發(fā)發(fā)光光譜。其中曲線a為表面具有光子結(jié)構(gòu)的Bi3Ge4O12樣品的發(fā)光光譜，曲線b為表面無結(jié)構(gòu)的Bi3Ge4O12參考樣品的發(fā)光光譜。
[0020]圖7為實(shí)施例2中表面具有光子結(jié)構(gòu)的Bi3Ge4O12樣品相對于無結(jié)構(gòu)參考樣品的發(fā)光增強(qiáng)比例。
[0021]圖中標(biāo)號:1為閃爍體層，2為周期陣列層，3為覆蓋層。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0023]實(shí)施例1:
本例采用的閃爍體層I是表面為10X20 mm2，厚度為Imm的(Lu，Y)2Si05:Ce閃爍晶體，周期陣列層2由直徑為414 nm的聚苯乙烯微球構(gòu)成，覆蓋層3由厚度為58.8nm的T12構(gòu)成。樣品制備過程如下:1.硅片處理。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的十二烷甲基硫酸鈉溶液，將厚度為0.5mm的硅片放入該溶液中，放置12小時(shí)。2.配制聚苯乙烯微球溶液。取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為
2.5%的聚苯乙烯微球溶液和無水乙醇,按1:1的比例混合。3.將已配制好的聚苯乙烯微球溶液滴到處理過的硅片上，等待其在硅片上充分展開，并將水分完全揮發(fā)。4.把附著聚苯乙烯微球的硅片緩慢放入去離子水中，這時(shí)聚苯乙烯微球漂浮在水面上，并形成六角陣列排布。5.用表面處理干凈的閃爍體層從水中將漂浮的聚苯乙烯微球陣列撈起，待自然蒸發(fā)掉多余的水分后，閃爍體層表面即附著了聚苯乙烯微球陣列。6.覆蓋層T12的制備。采用三維原子層沉積技術(shù)，在聚苯乙烯微球陣列上沉積T12層，沉積厚度為58.8nm,沉積時(shí)的工作溫度為75攝氏度。樣品表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖，如圖3所示，表明其形貌符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖4展示了 X射線激發(fā)下，樣品的發(fā)光光譜，結(jié)果表明在整個(gè)發(fā)光光譜區(qū)間，有光子結(jié)構(gòu)的樣品的發(fā)光被顯著增強(qiáng)了。增強(qiáng)的效果是寬帶，也是波長依賴的關(guān)系，不同波長處的增強(qiáng)效果不同，見圖5所示。在峰值附近的增強(qiáng)接近3倍，整個(gè)光譜積分的增強(qiáng)約2.5倍。
[0024]實(shí)施例2:
本例采用的閃爍體層I是表面為10X20 mm2，厚度為Imm的Bi3Ge4O12閃爍晶體，周期陣列層2由直徑為500 nm的聚苯乙烯微球構(gòu)成，覆蓋層3由厚度為30nm的T12構(gòu)成。樣品制備過程如實(shí)施例1所述。圖6展示了 X射線激發(fā)下，樣品的發(fā)光光譜，結(jié)果表明在整個(gè)發(fā)光光譜區(qū)間，有光子結(jié)構(gòu)的樣品的發(fā)光被顯著增強(qiáng)了。增強(qiáng)的效果是寬帶，也是波長依賴的關(guān)系，不同波長處的增強(qiáng)效果不同，見圖7所示。整個(gè)光譜積分的增強(qiáng)約2.5倍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用表面光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的高光提取效率閃爍體，其特征在于結(jié)構(gòu)包含:閃爍體層、周期陣列層和覆蓋層，其中:覆蓋層包覆于周期陣列層外，且覆蓋層與周期陣列層直接接觸并與其共形，包覆有覆蓋層的周期陣列層直接布置于閃爍體層上方；所述覆蓋層采用折射率大于1.6，且在相應(yīng)閃爍體發(fā)射波長范圍內(nèi)透明的介質(zhì)材料；所述周期陣列層的結(jié)構(gòu)屬于單層六角密堆積的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述閃爍體層的材料為Lu2S15:Ce、(Lu, Y) 2Si05: Ce、Bi3Ge4O12、Y3Al5O12: Ce、Cs1: Tl、Na1: Tl、PbWO4、塑料閃爍體或閃爍玻璃中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體結(jié)構(gòu)，其特征在于周期陣列層采用的材料是聚苯乙烯微球或二氧化娃微球中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的閃爍體結(jié)構(gòu),其特征在于微球的直徑介于300nm到800nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體結(jié)構(gòu)，其特征在于周期陣列層采用化學(xué)自組裝的方法制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層的厚度介于30nm到lOOnm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體結(jié)構(gòu)，其特征在于覆蓋層采用原子層沉積方法制備。
【文檔編號】G01T1/20GK104280761SQ201410496266
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】劉波, 朱智超, 程傳偉, 顧牡, 陳鴻 申請人:同濟(jì)大學(xué)