CN104280761B - 一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体 - Google Patents
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Abstract
本发明属于辐射探测领域，涉及一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体。其结构包含：闪烁体层、周期阵列层和覆盖层，其中：周期阵列层与闪烁体层直接接触，布置于其上方，覆盖层与周期阵列层直接接触并与其共形。采用这种表面结构，可使得闪烁体的光输出成倍提高，对于提高闪烁探测系统的灵敏度和信噪比具有非常重要的作用。本发明设计原理清晰明了，材料制备涉及的工艺成熟，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，该结构性的闪烁体在辐射探测器中将显著提高闪烁体光输出，进而提升探测系统的灵敏度和信噪比。
背景技术
在高能物理实验、核物理实验及核医学成像系统中闪烁探测系统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，目前使用的大部分商用闪烁体的本征光产额都经过晶体生长技术的充分优化接近理想值。但由于大部分闪烁体的折射率较大（通常介于1.8到2.2之间），闪烁光在出射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，例如：当折射率n=2时，全内反射角为30°，从上下两个界面出射的光只有约13%，大约87%的光被限制在闪烁体内部被自吸收或从闪烁体边缘发射，无法进入探测系统成为有效的闪烁光，因此如何提取这部分被限制在闪烁体内部的光显得十分重要。
本发明正是针对传统闪烁体高折射率导致的提取效率低下，提出设计方案，利用自组装形成的周期阵列并覆盖高折射率覆盖层的人工光子微结构，实现闪烁体提取效率的大幅度提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体。
本发明提出的利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，其结构包含：闪烁体层、周期阵列层和覆盖层，其中：覆盖层包覆于周期阵列层外，且覆盖层与周期阵列层直接接触并与其共形，包覆有覆盖层的周期阵列层直接布置于闪烁体层上方；所述覆盖层采用折射率大于1.6，且在相应闪烁体发射波长范围内透明的介质材料；所述周期阵列层的结构属于单层六角密堆积的结构。
本发明中，闪烁体层的材料为Lu2SiO5:Ce、(Lu,Y)2SiO5:Ce、Bi3Ge4O12、Y3Al5O12:Ce、CsI:Tl、NaI:Tl、PbWO4、塑料闪烁体或闪烁玻璃中的一种。
本发明中，周期阵列层采用的材料是聚苯乙烯微球或二氧化硅微球中的一种。
本发明中，聚苯乙烯微球或二氧化硅微球的直径介于300nm到800nm之间。
本发明中，周期阵列层采用化学自组装的方法制备。
本发明中，覆盖层的厚度介于30nm到100nm之间。
本发明中，覆盖层采用原子层沉积方法制备。
本发明的有益效果为：
利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，在很大程度上解决了由于闪烁体高折射率导致的光陷效应，大幅度提高了有效光输出，将提高闪烁探测器的灵敏度、信噪比，在辐射探测、射线成像、核医学和空间探测等领域具有非常重要的应用价值。
附图说明
图1 为表面覆盖光子结构闪烁体的截面示意图。
图2为表面覆盖光子结构闪烁体的俯视示意图。
图3为实施例1中(Lu,Y)2SiO5:Ce样品表面的扫描电镜图。
图4 为实施例1中X射线激发发光光谱。其中曲线a为表面具有光子结构的(Lu,Y)2SiO5:Ce样品的发光光谱，曲线b为表面无结构的(Lu,Y)2SiO5:Ce参考样品的发光光谱。
图5 为实施例1中表面具有光子结构的(Lu,Y)2SiO5:Ce样品相对于无结构参考样品的发光增强比例。
图6 为实施例2中X射线激发发光光谱。其中曲线a为表面具有光子结构的Bi3Ge4O12样品的发光光谱，曲线b为表面无结构的Bi3Ge4O12参考样品的发光光谱。
图7 为实施例2中表面具有光子结构的Bi3Ge4O12样品相对于无结构参考样品的发光增强比例。
图中标号：1为闪烁体层，2为周期阵列层，3为覆盖层。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
本例采用的闪烁体层1是表面为10X20 mm2，厚度为1mm的(Lu,Y)2SiO5:Ce闪烁晶体，周期阵列层2由直径为414 nm的聚苯乙烯微球构成，覆盖层3由厚度为58.8nm的TiO2构成。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，并形成六角阵列排布。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TiO2的制备。采用三维原子层沉积技术，在聚苯乙烯微球阵列上沉积TiO2层，沉积厚度为58.8nm，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3所示，表明其形貌符合结构设计。图4展示了X射线激发下，样品的发光光谱，结果表明在整个发光光谱区间，有光子结构的样品的发光被显著增强了。增强的效果是宽带，也是波长依赖的关系，不同波长处的增强效果不同，见图5所示。在峰值附近的增强接近3倍，整个光谱积分的增强约2.5倍。
实施例2：
本例采用的闪烁体层1是表面为10X20 mm2，厚度为1mm的Bi3Ge4O12闪烁晶体，周期阵列层2由直径为500 nm的聚苯乙烯微球构成，覆盖层3由厚度为30nm的TiO2构成。样品制备过程如实施例1所述。图6展示了X射线激发下，样品的发光光谱，结果表明在整个发光光谱区间，有光子结构的样品的发光被显著增强了。增强的效果是宽带，也是波长依赖的关系，不同波长处的增强效果不同，见图7所示。整个光谱积分的增强约2.5倍。
Claims (4)
1.一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，其特征在于结构包含：闪烁体层、周期阵列层和覆盖层，其中：覆盖层包覆于周期阵列层外，且覆盖层与周期阵列层直接接触并与其共形，包覆有覆盖层的周期阵列层直接布置于闪烁体层上方；所述覆盖层采用折射率大于1.6，且在相应闪烁体发射波长范围内透明的介质材料；所述周期阵列层的结构属于单层六角密堆积的结构；周期阵列层采用的材料是聚苯乙烯微球或二氧化硅微球中的一种；微球的直径介于300nm到800nm之间；覆盖层的厚度介于30nm到100nm。
2.根据权利要求1所述的闪烁体结构，其特征在于所述闪烁体层的材料为Lu2SiO5:Ce、(Lu,Y)2SiO5:Ce、Bi3Ge4O12、Y3Al5O12:Ce、CsI:Tl、NaI:Tl、PbWO4、塑料闪烁体或闪烁玻璃中的一种。
3.根据权利要求1所述的闪烁体结构，其特征在于周期阵列层采用化学自组装的方法制备。
4.根据权利要求1所述的闪烁体结构，其特征在于覆盖层采用原子层沉积方法制备。
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| CN201410496266.XA CN104280761B (zh) | 2014-09-25 | 一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体 |
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