CN103760589A - 一种新结构闪烁晶体射线探测头 - Google Patents

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Abstract

一种新结构闪烁晶体射线探测头，包括由平面石英玻璃、底座构成的封装外壳和安装在封装外壳中的闪烁晶体，闪烁晶体加工成六面抛光的六方体，并在射线入射面和四个侧面镀制疏水全反射膜，减少荧光从非出光面的泄漏的同时防止微量水气对晶体的侵蚀，石英玻璃一面与晶体通过光胶键合或高折射硅凝胶粘结粘结在一起，减少荧光穿越石英玻璃时由于不同界面折射率差异导致的光损耗，石英玻璃另一面镀制增透膜提高荧光透光率；探测头表面粘结棱镜增亮膜（BEF）将发散光聚拢在70°范围内出射，增加130%正视的亮度。采用本发明的射线探测头可以防止闪烁晶体潮解失效的同时大幅度提高探测头的整体荧光输出效率，封装工艺简单，适合规模化生产。

Description

一种新结构闪烁晶体射线探测头
技术领域
本发明涉及射线探测器领域，特别涉及一种新结构闪烁晶体射线探测头。
背景技术
闪烁晶体可以做成探测器，闪烁晶体探测器在高能物理、核物理、影像核医学诊断（XCT、PET）、地质勘探、天文空间物理学以及安全稽查等领域中有着巨大的应用前景。随着核科学技术以及其它相关技术的飞速发展，其应用领域在不断的拓宽。不同应用领域对无机闪烁体也提出了更多更高的要求。传统的NaI(Tl)、BGO等闪烁晶体探测器已经无法满足新的应用领域的特殊要求。
掺铈溴化镧（LaBr3:Ce）自1999年被发现后，由于其优异的闪烁性能掀起了研究研究的热潮。掺铈溴化镧光输出可达78000Ph/MeV，其衰减时间快达30ns，其密度为5.1g/cm3，对高能射线的吸收能力明显强于NaI:Tl晶体，且其环境污染的风险远远小于NaI:Tl，因此LaBr3:Ce晶体目前已成为光输出高、衰减快闪烁晶体的代表，该晶体有望全面取代NaI:Tl晶体，从而在医疗仪器、安全检查和油井探测等领域得到广泛使用。但LaBr3:Ce晶体生长困难，组份严重挥发，且非常容易和氧、水反应；且晶体非常容易开裂。因此LaBr3:Ce晶体的产率很低，大尺寸晶体生长尤为困难，价格也极其昂贵，并且掺铈卤化镧晶体具有极易潮解的物化特性，如果探头不具有较好的密封性极易导致器件失效，同时传统的射线探测器探头由于封装结构设计原因导致整体荧光输出效率偏低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种新结构的掺铈卤化镧闪烁晶体射线探测头，该方法可以在同等条件下大幅度提高探测头的整体荧光输出效率。
本发明通过以下技术手段实现：
一种新结构闪烁晶体射线探测头，包括由平面石英玻璃、底座构成的封装外壳和安装在封装外壳中的闪烁晶体，将所述闪烁晶体射线入射面、荧光发射面和侧面抛光，并在射线入射面和侧面镀制宽谱全反射膜，所述宽谱全反射膜是采用离子束溅射或电子束蒸发方式镀制的，所述宽谱全反射膜的透光波段为360nm～600nm，所述宽谱全反射膜具有疏水性，可以隔绝外界水汽，所述闪烁晶体可以加工成六方体、圆柱体或圆锥体，所述平面石英玻璃一面与晶体通过光胶键合或高折射密封胶粘结在一起，另一面镀制与发射荧光相同波段的增透膜，所述平面石英玻璃与底座通过密封胶紧密粘结，所述底座材料可以是铝，铜、不锈钢或聚四氟乙烯，所述石英玻璃表面粘结有棱镜增亮膜（BEF），其表面为数十微米左右高度的微三棱镜结构，所述棱镜增亮膜可以将原先大视角的发散光，聚拢在70°范围内出射，所述增亮膜可以是各种类型能够将大视角发散光聚拢在90°范围内出射的功能薄膜。
采用本发明的一种新结构闪烁晶体射线探测头，可以防止闪烁晶体潮解失效的同时大幅度提高探测头的整体荧光输出效率，封装工艺简单，适合规模化生产。
附图说明
附图为本发明的一种新结构闪烁晶体射线探测头的结构示意图。
其中101为增亮膜，102为石英玻璃，103为底座，104为晶体。
具体实施方式
实施例一：
以掺铈溴化镧晶体为例：
（1）晶体加工
首选是切割工序。利用内圆切割机，将掺铈溴化镧晶体毛坯切割成为一块六方体器件，尺寸为25mm×25mm×30mm。在切割过程中始终保持切割油覆盖在晶体毛坯上，避免切割过程中，空气里头的水分对晶体的腐蚀。切割油是由水含量小于10ppm的硅油构成。
然后是抛光工序。利用变频调速二轴手抛机对晶体进行六面抛光。采用沥青材料作为抛光盘，采用超细氧化铈作为抛光粉，采用水含量小于10ppm硅油为抛光试剂。利用大功率去湿机，在抛光过程中始终保持室内的湿度小于20%，避免抛光过程中，空气里头的水分对晶体的腐蚀。
最后是镀膜工序。在射线入射面和四个侧面镀制全反射膜，形成一个导光通道，最大限度的减少荧光从非出光面的泄漏，同时晶体六面镀制的膜层可以有效隔绝通过铝壳与石英玻璃粘结层泄漏到探测使中的微量水气对晶体的侵蚀。采用设备为具有冷凝泵系统和行星转动装置的美国VEECO镀膜机，采用离子束溅射蒸发材料，采取石英晶体膜厚控制仪STC—200控制蒸发速率和膜厚。使用酒精和乙醚的混合液在要镀制晶体表面擦拭，要求没有点子，划痕，无擦痕，表面擦拭后质量S/D做到20/10。膜层的膜系设计为“晶体/Al2O3/Al/Al2O3/SiO2/空气”，各个膜层的厚度分别是30nm/80nm/60nm/50nm，最终反射膜的反射率R>95%（360nm～600nm）。
（2）晶体封装
首选是制备探测头外壳，加工出尺寸为30mm×30mm×1mm的石英片，双面抛光，在石英片一面镀制备360nm～420nm波段的增透膜，膜层的膜系设计为“玻璃/MgF2/SiO2/空气”，各个膜层的厚度分别是30nm/50nm，透光率>98%（360nm～450nm）。加工出铝制的底座，底座如附图所示，为一开口的六方壳，外部尺寸为30mm×30mm×31.5mm，侧面壁厚为2mm，底部壁厚为1mm，铝壳内外各个面进行拉亮处理，同时将铝壳靠近石英窗口片的部位磨砂，便于石英片与铝壳的粘结紧密。
其次是晶体与石英片窗口片的粘结。将石英窗口片未镀膜的一面与晶体通过光胶键合或高折射硅凝胶粘结在一起，把晶体在粘结石英窗口片的中央位置，确保晶体的4个边缘距离对应的石英片边缘大于2mm。
最后是石英片窗口片与铝壳的粘结。在晶体的四个侧面和底部缠绕白色聚四氟乙烯带，作为晶体与铝壳之间的缓冲。将晶体装入铝壳中，然后采用紫外固化胶将石英片窗口片与铝壳的粘结在一起，然后在紫外灯下照射2h，保证胶水的固化完全。
（3）晶体探测头输出发散荧光的聚拢。
于石英玻璃表面粘结棱镜增亮膜（BEF），利用其表面为数十微米左右高度的微三棱镜结构，是将原先大视角的发散光，聚拢在70°范围内出射，增加越130%正视的亮度。

Claims (10)

1.一种新结构闪烁晶体射线探测头，包括由平面石英玻璃、底座构成的封装外壳和安装在封装外壳中的闪烁晶体，其特征在于：所述闪烁晶体将射线入射面、荧光出射面和侧面抛光，并在射线入射面和侧面镀制宽谱全反射膜。
2.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述宽谱全反射膜采用离子束溅射或电子束蒸发方式镀制。
3.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述宽谱全反射膜的透光波段为360nm～600nm。
4.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述宽谱全反射膜具有疏水性，可以隔绝外界水汽。
5.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述闪烁晶体可以加工成六方体、圆柱体或圆锥体，所述底座开槽形状与晶体相同。
6.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，特征在于：所述平面石英玻璃一面与晶体通过光胶键合或高折射密封胶粘结在一起，另一面镀制与发射荧光相同波段的增透膜。
7.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：平面石英玻璃与底座通过密封胶紧密粘结。
8.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述底座材料可以是铝，铜、不锈钢或聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，特征在于：所述石英玻璃表面粘结有棱镜增亮膜BEF，其表面为数十微米左右高度的微三棱镜结构。
10.根据权利要求1所述的新结构闪烁晶体射线探测头，其特征在于：所述棱镜增亮膜可以将原先大视角的发散光，聚拢在70°范围内出射，所述增亮膜可以是各种类型能够将大视角发散光聚拢在90°范围内出射的功能薄膜。
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