一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，由底部閃爍體(101)，布置于底部閃爍體(101)上的光子晶體層(102)和布置于光子晶體層(102)上的頂部閃爍體(103)構(gòu)成，底部閃爍體(101)為BGO閃爍晶體或CsI:Tl閃爍晶體，頂部閃爍體(103)為塑料閃爍體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過光子晶體調(diào)控兩種不同波長的閃爍體發(fā)光，實(shí)現(xiàn)兩種閃爍體發(fā)光在空間角度上的分離，從而可以采用兩套光電探測器分別采集來自伽馬射線和中子的閃爍光，從而提升探測系統(tǒng)的甄別測量能力。
【專利說明】
一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于核輻射探測領(lǐng)域，尤其是涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，通過光子晶體對兩種不同發(fā)射波長的閃爍體的發(fā)光方向性的不同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)兩種閃爍體發(fā)光沿著不同的方向發(fā)射，在核輻射粒子甄別應(yīng)用發(fā)揮作用。
【背景技術(shù)】
[0002]閃爍探測系統(tǒng)在核醫(yī)學(xué)成像、核物理實(shí)驗(yàn)、高能物理實(shí)驗(yàn)、武器物理研究、天文物理和宇宙射線探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，是探測高能射線和粒子的重要方法。該系統(tǒng)中的核心功能材料是閃爍體，閃爍體的作用是吸收核輻射的能量并將其轉(zhuǎn)換成可見光或近紫外光。閃爍體的性能強(qiáng)烈影響探測系統(tǒng)的探測能力。
[0003]在實(shí)際輻射測量應(yīng)用中，經(jīng)常遇到待測粒子由多種輻射粒子構(gòu)成的復(fù)雜場，探測不同種類輻射粒子的方法屬于粒子甄別測量，由于不同種類的輻射粒子往往都能引起閃爍發(fā)光，因此粒子甄別測量是輻射探測中的難點(diǎn)問題。例如很多情況下，放射性核素產(chǎn)生的輻射即包含伽馬射線也包含了中子，有效的實(shí)現(xiàn)伽馬/中子的甄別測量是研究核反應(yīng)過程的必要條件。傳統(tǒng)伽馬/中子甄別測量可以利用兩種閃爍體在不同粒子激發(fā)下衰減時(shí)間的不同來實(shí)現(xiàn)，但兩種閃爍體發(fā)光在空間上的疊加導(dǎo)致了探測器布局上的困難，采集到的信號面臨相互干擾的嚴(yán)重問題，因此難以提高粒子甄別測量的效率和精度。
[0004]中國專利CN105068106A公開了一種閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有閃爍體光輸出效率低的技術(shù)問題。技術(shù)方案是閃爍體光子晶體結(jié)構(gòu)包括閃爍體和光子晶體兩部分，光子晶體由一系列成六角型或四邊型周期性排列光子晶體微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。光子晶體制作方法包括陽模板制作、陰模板制作、聚合物涂覆及固化、脫模處理等步驟。但是該專利中公開的光子晶體閃爍體只具有一種閃爍體成分，在伽馬射線和中子激發(fā)下均會產(chǎn)生發(fā)光，所產(chǎn)生的發(fā)光具有相同的波長，在空間上不可區(qū)分，因此不能實(shí)現(xiàn)伽馬/中子甄別測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種提高伽馬/中子甄別測量的效率和精度的復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，通過光子晶體調(diào)控兩種不同波長的閃爍體發(fā)光，實(shí)現(xiàn)兩種閃爍體發(fā)光在空間角度上的分離，從而可以采用兩套光電探測器分別采集來自伽馬射線和中子的閃爍光，從而提升探測系統(tǒng)的甄別測量能力。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]—種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，由底部閃爍體，布置于底部閃爍體上的光子晶體層和布置于光子晶體層上的頂部閃爍體構(gòu)成，
[0008]所述的底部閃爍體為BGO閃爍晶體(發(fā)射波長峰值560nm)或Cs1:T1閃爍晶體(發(fā)射波長峰值500nm)，厚度為0.5-5mm。該層閃爍體負(fù)責(zé)伽馬射線的吸收和探測，由于伽馬射線有較強(qiáng)的穿透能力，必須采取毫米量級的厚度，并采用較高密度的無機(jī)晶體作為閃爍體。
[0009]所述的頂部閃爍體為塑料閃爍體，采用旋涂的方法制備。
[00?0]所述的底部閃爍體的厚度為0.5-5mm。
[0011]所述的頂部閃爍體由摻雜發(fā)光劑和移波劑的塑料基質(zhì)構(gòu)成，所述的發(fā)光劑、移波劑、塑料基質(zhì)的重量比為a:a:100-2a，其中a的范圍是1-3。
[0012]優(yōu)選地，發(fā)光劑為對聯(lián)三苯(C18H14)或PBD(C20Hi4N2O)，移波劑為POPOP(C20Hi4N2O2)或BBO(C24H18NO),塑料基質(zhì)為聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
[0013]頂部閃爍體發(fā)光波長峰值為380-420nm，該層閃爍體負(fù)責(zé)中子的吸收和探測，由于塑料閃爍體中包含大量氫元素，與中子產(chǎn)生核反沖的截面大，易于阻止中子并吸收其能量，實(shí)現(xiàn)中子的有效探測。厚度為0.5-3μπι。該厚度可以有效吸收中子，但對于伽馬射線的吸收幾乎可以忽略。
[0014]光子晶體層控制底部閃爍體和頂部閃爍體沿不同方向發(fā)射，具體來說，光子晶體層控制底部閃爍體的方向沿著表面的法線方向，控制頂部閃爍體沿與法線呈40-60°夾角的方向。
[0015]光子晶體調(diào)控閃爍體發(fā)光的過程是波長依賴的，因此選擇了兩種發(fā)光波長具有顯著差異的閃爍體，才有可能使得不同的發(fā)射波長的光沿著不同的方向發(fā)射，實(shí)現(xiàn)空間上的分離，有利于探測器的接收。
[0016]光子晶體層為三角孔狀周期陣列結(jié)構(gòu)，其孔狀部位被頂部閃爍體填充。三角結(jié)構(gòu)具有更高的對稱性，制備完頂部閃爍體后其孔狀部位被塑料閃爍體填充，光子晶體的高度為200-300nm，其值為半個(gè)閃爍光波長附近，具有顯著的調(diào)控效果。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)有效的伽馬/中子甄別測量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用兩種閃爍體，它們將分別響應(yīng)伽馬射線和中子，并產(chǎn)生相應(yīng)的發(fā)光。這兩種閃爍體產(chǎn)生的發(fā)光波長不同，在光子晶體的作用下，將向不同的空間角度上發(fā)射，實(shí)現(xiàn)兩種發(fā)光的分離，在相應(yīng)的角度上分別接收發(fā)光信號，即可實(shí)現(xiàn)伽馬射線和中子的甄別測量，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)有兩種不同的閃爍體分別吸收并探測伽馬射線和中子，提高伽馬/中子甄別測量的效率和精度；
[0019](2)通過光子晶體調(diào)控兩種不同波長的閃爍體發(fā)光，兩種閃爍體的光沿著不同的方向發(fā)射，可以在不同的方向上布置相應(yīng)的探測器，實(shí)現(xiàn)伽馬射線和中子的甄別測量。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖的剖面圖；
[0021 ]圖2為實(shí)施例1的roTD模擬的樣品色散關(guān)系；
[0022]圖3為實(shí)施例1的X射線激發(fā)下樣品的發(fā)射與角度依賴關(guān)系。
[0023 ]圖中，11-底部閃爍體，102-光子晶體層，103-頂部閃爍體。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由底部閃爍體101，布置于底部閃爍體上的光子晶體層102和布置于光子晶體層102上的頂部閃爍體103構(gòu)成。
[0027]本實(shí)施例中，底部閃爍體采用厚度為0.5mm的BGO閃爍體，發(fā)射波長峰值560nm，其折射率為2.15。頂部閃爍體為摻雜發(fā)光劑對聯(lián)三苯(C18Hm)和移波劑POPOP的聚甲基苯乙烯，其重量比為I:1:98,厚度為0.5微米，其發(fā)光波長峰值為410nm，其折射率為1.58。光子晶體成分為固化的光刻膠PMMA，折射率1.49，結(jié)構(gòu)為三角對稱周期結(jié)構(gòu)，周期為360nm，孔狀直徑為200nm，高度200nm。采用納米壓印技術(shù)制備，光刻膠結(jié)構(gòu)固化后再共形沉積一層厚度為40nm的T12，其折射率為2.9，目的是為了增加折射率襯度，另外T12層非常致密，可以防止制備塑料閃爍體時(shí)有機(jī)溶劑與光刻膠結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)破壞光子晶體的結(jié)構(gòu)。該例的結(jié)構(gòu)參數(shù)是經(jīng)過H)TD模擬后得到的值，其色散關(guān)系如圖2所示。我們可以看到，BGO發(fā)射光譜對應(yīng)了法線方向的發(fā)射，即色散關(guān)系中的0°，而塑料閃爍體的發(fā)射光譜對應(yīng)了與法線方向成50°的發(fā)射。
[0028]具體制備過程如下:采用面積為20mmX20mm，厚度為0.5mm的單晶BGO閃爍體，雙面拋光。采用納米壓印技術(shù)在其表面制備光刻膠結(jié)構(gòu)。首先利用商業(yè)購買的滿足設(shè)計(jì)要求的硬膜板制備軟模板，在光子晶體硬模板表面澆一層聚二甲基硅氧烷，等待聚二甲基硅氧烷自然展開并逐步固化后，將聚二甲基硅氧烷層與硬模板分開，得到具有硅光子晶體相對應(yīng)的反式結(jié)構(gòu)軟模板。光子晶體結(jié)構(gòu)的壓制，在閃爍體表面旋涂一層光刻膠，將軟模板有光子晶體結(jié)構(gòu)的一面覆蓋于光刻膠上并施加壓力，采用紫外線將光刻膠固化。脫模，將軟模板取下，粘附在閃爍體表面的光刻膠即完整地保持了設(shè)計(jì)的光子晶體結(jié)構(gòu)。隨后采用原子層沉積系統(tǒng)制備40nm厚的T12層，該層共形沉積于制備好的固化的光刻膠結(jié)構(gòu)表面。塑料閃爍體的旋涂制備。將商業(yè)購買的成分為聚甲基苯乙烯中摻雜發(fā)光劑對聯(lián)三苯(C18H14)和移波劑POPOP的塑料閃爍體溶解于甲苯中，并加入適當(dāng)?shù)哪z黏劑，配置成膠體狀物質(zhì)，將該物質(zhì)滴于制備好的結(jié)構(gòu)表面，利用旋涂機(jī)按照2000r/min的速度旋涂2分鐘，即可獲得一定厚度的塑料閃爍膜，為了讓有機(jī)溶劑盡快地?fù)]發(fā)，將制備好的樣品在紅外燈下約90°C的溫度下烘烤5分鐘，即可獲得厚度為0.5微米的塑料閃爍體層。由于塑料閃爍體的制備采用膠體旋涂的方法，其膠體具有一定的流動性，因此可以填充進(jìn)光子晶體結(jié)構(gòu)的孔洞之中。最終獲得設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)性樣品。
[0029]圖3顯示的是在X射線激發(fā)下，樣品發(fā)射譜與角度的關(guān)系。結(jié)果表明BGO閃爍體的發(fā)光主要集中在法線方向附近，而塑料閃爍體發(fā)光在50°附近有顯著的方向性，測試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
[0030]實(shí)施例2
[0031]本實(shí)施例中的公開的復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，底部閃爍體采用厚度為5mm的CsI = Tl閃爍體，發(fā)射波長峰值500nm，其折射率為1.82。頂部閃爍體采用摻雜發(fā)光劑對聯(lián)三苯PBD和移波劑BBO的聚甲基苯乙烯，其重量比為3:3:94,厚度為3微米，其發(fā)光波長峰值為420nm，其折射率為1.58。光子晶體成分SiN，折射率1.49，結(jié)構(gòu)為三角對稱周期結(jié)構(gòu)，周期為400nm，孔狀直徑為180nm，高度200nm。采用傳統(tǒng)電子束刻蝕方法制備光子晶體結(jié)構(gòu)。Cs1:T1發(fā)射光譜對應(yīng)了法線方向的發(fā)射，即色散關(guān)系中的0°，而塑料閃爍體的發(fā)射光譜對應(yīng)了與法線方向成60°的發(fā)射。
[0032]具體制備過程如下:采用面積為5_X5mm，厚度為5mm的單晶Cs1:T1閃爍體，雙面拋光。采用納米壓印技術(shù)在其表面制備光刻膠結(jié)構(gòu)。采用電子束刻蝕的方法制備相應(yīng)光子晶體結(jié)構(gòu)。將商業(yè)購買的成分為聚甲基苯乙烯中摻雜發(fā)光劑對聯(lián)三苯PBD和移波劑BBO的塑料閃爍體溶解于甲苯中，并加入適當(dāng)?shù)哪z黏劑，配置成膠體狀物質(zhì)，將該物質(zhì)滴于制備好的結(jié)構(gòu)表面，利用旋涂機(jī)按照4000r/min的速度旋涂2分鐘，即可獲得一定厚度的塑料閃爍膜，為了讓有機(jī)溶劑盡快地?fù)]發(fā)，將制備好的樣品在紅外燈下約90°C的溫度下烘烤5分鐘，即可獲得厚度為3微米的塑料閃爍體層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，由底部閃爍體(101)，布置于底部閃爍體(101)上的光子晶體層(102)和布置于光子晶體層(102)上的頂部閃爍體(103)構(gòu)成， 所述的底部閃爍體(101)為BGO閃爍晶體或Cs1:T1閃爍晶體， 所述的頂部閃爍體(103)為塑料閃爍體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的底部閃爍體(101)的厚度為0.5-5_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的頂部閃爍體(13)由摻雜發(fā)光劑和移波劑的塑料基質(zhì)構(gòu)成，所述的發(fā)光劑、移波劑、塑料基質(zhì)的重量比為a:a:100_2a，其中a的范圍是1-3。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于， 所述的發(fā)光劑為對聯(lián)三苯(Ci8Hw)或PBD (C20Hi4N2O)， 所述的移波劑為POPOP ( C2qHwN2O2 )或BBO ( GmH18NO)， 所述的塑料基質(zhì)為聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的光子晶體層(102)控制底部閃爍體(101)和頂部閃爍體(103)沿不同方向發(fā)射。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的光子晶體層(102)控制底部閃爍體(101)的方向沿著表面的法線方向。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的光子晶體層(102)控制頂部閃爍體(103)沿與法線呈40-60°夾角的方向。8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的光子晶體層(102)為三角孔狀周期陣列結(jié)構(gòu)，其孔狀部位被頂部閃爍體(103)填充。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體閃爍體，其特征在于，所述的光子晶體層(102)的高度為半個(gè)閃爍光波長。
【文檔編號】G01T1/20GK106094003SQ201610338660
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】劉波, 程傳偉, 顧牡, 陳鴻, 劉金良, 陳亮, 歐陽曉平
【申請人】同濟(jì)大學(xué)