CN107015263B - 一种同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合x射线探测器 - Google Patents

一种同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合x射线探测器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同基质的“闪烁体‑半导体‑闪烁体”复合X射线探测器，包括前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体。三者组成类似三明治结构，通过原子间吸引力结合，不需要耦合剂；前闪烁体、后闪烁体化学成分相同，厚度不同，通过对基质掺杂获得；半导体光电导探测器包括半导体基质、电极和引线；复合X射线探测器可以通过通用薄膜生长技术获得，生长过程中只需要调节掺杂浓度即可，将闪烁体、耦合剂、光电二极管或光电倍增管简三种材料化为一种材料，具有制作方法简单、制作原理单一、制作周期短、制作成本低等优势，同时，取消了耦合剂，闪烁体与光电导探测器通过原子间引力紧密结合，光损耗小，探测效率高。

Description

一种同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器
技术领域
本发明属于传感器领域，具体是一种同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器。
背景技术
目前，X射线探测技术已广泛应用于安全检查、医疗健康、无损检测等领域，其核心部件为探测器。目前使用的X射线探测分为直接型和间接型，直接型利用半导体材料在X射线照射下产生光电子原理制成，探测效率低，只适合于低能X射线；间接型利用闪烁体把X射线转换为可见光，然后使用半导体光电二极管或光电倍增管探测可见光，二者通过光学胶或硅油等耦合剂，耦合在一起，配合不同闪烁体，适合于不同能量范围的X射线，应用范围比较广泛。间接性探测器制作工艺复杂，成本高昂，需要使用单晶炉，在高温下缓慢生长出单晶闪烁体，每次生长需要消耗数十个小时，然后切割、抛光、密封后备用，需要使用复杂的半导体工艺制作半导体光电二极管或使用真空管工艺制作光电倍增管，然后在超净间中将二者耦合在一起。
发明内容
针对现有技术存在的工艺复杂、效率低的问题，结合间接型和直接型的优点，本发明提供一种同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器。
本发明的技术方案是：
一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，复合探测器包括前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体；所述前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体为一种同基质(比如ZnO，ZnS)材料，三者组成类似三明治结构，通过原子间吸引力结合，不需要耦合剂；
所述前闪烁体、后闪烁体化学成分相同，厚度不同，前闪烁体较薄，后闪烁体较厚，通过对基质掺杂，掺杂度为0.1-5％获得；
所述半导体光电导探测器包括半导体基质、电极和引线；
所述复合探测器可以通过通用薄膜生长技术获得，生长过程中只需要调节掺杂浓度即可。
本发明的优点是：通过创新的“闪烁体-半导体-闪烁体”结构，使得紫外线分别从上、下两个方向分别进入半导体光电导探测器层，探测效率提高了1倍，具有显著的优势。
本发明是同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器，将目前使用的生长闪烁晶体、制作光电二极管或光电倍增管、耦合三步制作方法简化为一步，将闪烁体、耦合剂、光电二极管或光电倍增管简三种材料化为一种材料，具有制作方法简单、制作原理单一、制作周期短、制作成本低等优势，同时，取消了耦合剂，闪烁体与光电导探测器通过原子间引力紧密结合，光损耗小，利用效率高。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的应用原理图。
图3是本发明的点探测器示意图。
图4是本发明的线探测器示意图。
图5是本发明的面探测器示意图。
图6是本发明的探测器重叠布置示意图。
图7是本发明的探测器具有过虑片重叠布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-7和具体实施方式对本发明做详细说明。
一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，复合探测器包括前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体；所述前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体为一种同基质(如ZnO，ZnS)材料，三者组成类似三明治结构，通过原子间吸引力结合，不需要耦合剂；
所述前闪烁体、后闪烁体化学成分相同，厚度不同，前闪烁体较薄(厚度为0.005mm-0.1mm)，后闪烁体较厚(厚度为0.01mm-0.15mm)，通过对基质掺杂(掺杂是现有技术，掺杂度为0.1-5％)获得；
所述半导体光电导探测器包括半导体基质(基质不掺杂)、电极和引线；
所述复合探测器可以通过通用薄膜生长技术获得，生长过程中只需要调节掺杂浓度即可。
用于X射线检测的点探测器，一个复合探测器就是一个点探测器，多个复合探测器构成线探测器或面探测器；点探测器只有一个探测点，可以探测局部区域的X射线强度。
用于X射线检测的线阵探测器，将多个复合探测器排成一条线，可以获得某时刻该直线或曲线位置X射线强度曲线，被检测物体在X射线光源和线阵探测器之间移动，通过把不同时刻强度曲线组合，形成二维图像，即为被检测物体的完整透射图像。
用于X射线检测的面阵探测器，将多个复合探测器构成的线探测器，排成一个面，可以获得某时刻该平面位置X射线强度曲线，即为被检测物体的完整透射图像。
为提高X射线探测效率，可以将多个复合探测器重叠布置，形成多层的探测点、线阵探测器、面阵探测器；每一时刻可以获得多个点、线、面强度信号，可以分别进行叠加等处理。
在重叠布置时，可以在每层之间加入过滤片(市购产品铜片或镍片)，已过滤掉特点波长范围的X射线，每一时刻可以获得多个点、线、面强度信号，可以分别进行叠加或扣除等处理，通过多能量信号分析，除了获得被检测物体的形状信息，还可以获得其成分信息，方便特定物体或危险物品的识别。
实施例
如图1所示，包括前闪烁体1、半导体光电导探测器、后闪烁体3。半导体光电导探测器包括半导体基质2(基质不掺杂)、电极一4、电极二5和引线；
同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器可以通过通用薄膜生长技术获得，比如磁控溅射法或溶胶-凝胶法。
下面以磁控溅射法为例：
首先准备好基质和掺杂物质的靶材，如果采用ZnO为基质，可以采用Zn为基质靶材，Ga或In为掺杂物质。
采用双靶磁控溅射设备，首先装入两种靶材，将两个电极(比如叉指电极)固定在衬底上，关闭真空室，开始抽真空。
当真空达到预定值后，开始接通氩气和氧气，调节其流量，使真空值保持在设计范围。
预热半小时左右。
根据掺杂浓度，调节好两个靶材的电流，开始溅射后闪烁体层，并计时。
达到后闪烁体层溅射时间后，关闭掺杂物质电流，继续溅射半导体层，并计时。
达到半导体层溅射时间后，开始掺杂物质电流，开始溅射前闪烁体层，并计时。
达到前闪烁体层溅射时间后，关闭两个靶材的电流，关闭氩气和氧气，冷却到室温后，关闭真空，取出打磨电极上镀层后备用。
应用时如图2所示，同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器与电阻R串联后，接入偏置电压U，比如10伏特，使其中有电流通过。当有X射线照射到同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合X射线探测器上时，前闪烁体和后闪烁体，分别受到X射线照射，将其部分X射线光子能量转换为相应强度的可见光，可见光从上下两个方向照射到半导体光电导探测器上，使其产生相应强度的光电流，从而使整个回路的电流产生变化，故电阻R两端的电压差也产生变化，测量T端的电压变化情况，即可测量入射X射线强度。
本发明在工作时，同时通过直接型和间接型探测X射线：X射线穿透前闪烁体层后，进入半导体光电导探测器层，部分X射线光子在该层中，通过光电效应，直接产生光电子，同时X射线进入前闪烁体和后闪烁体，分别产生紫外线，沿半导体光电导探测器层上、下两个方向分别进入半导体光电导探测器层，在穿透该层的范围内，通过光电效应，间接产生光电子。通过这两种途径产生的光电子，在两个电极之间偏置电压的作用下，产生光电流，且电流强度与入射X射线强度相关。
半导体光电导探测器层一般为宽禁带的化合物半导体材料制成，比如ZnO，具有六方纤锌矿晶体结构，晶格常数a＝0.32496nm，c＝0.52065nm，其室温下禁带宽度为3.37eV。由于其晶体结构各向异性，其光学特性也具有各向异性，对于钠黄光(波长589.3nm)，a轴方向折射率为2.008，c轴方向折射率为2.029，折射率常随波长的减小而增大，即红光的折射率最小，紫外线的折射率最大，比如前闪烁体和后闪烁体使用ZnO:Ga材料，其发射谱峰值为385nm，折射率就会更高，折射率越高的材料，透光率就越低，这也是ZnO也可以作为防晒材料的原理。由于折射率的差异，光线入射到ZnO内部后，将产生双折射现象，具有双折射现象的材料，其透光率更低。由此可见，闪烁体产生的紫外线，只能被半导体光电导探测器层表面附近较浅部位吸收，转化为电信号，探测效率不高，本发明提出了“闪烁体-半导体-闪烁体”结构，使用两层闪烁体，它们产生的紫外线分别从上、下两个方向分别进入半导体光电导探测器层，在上、下表面附近被吸收，转化为电信号。

Claims (6)

1.一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：
复合探测器包括前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体；所述前闪烁体、半导体光电导探测器、后闪烁体为一种同基质材料，三者组成类似三明治结构，通过原子间吸引力结合，不需要耦合剂；
所述前闪烁体、后闪烁体化学成分相同，厚度不同，前闪烁体较薄，后闪烁体较厚，通过对基质掺杂，掺杂度为0.1-5％获得；
所述半导体光电导探测器包括基质、电极和引线；
所述复合探测器可以通过通用薄膜生长技术获得，生长过程中只需要调节掺杂浓度即可；
所述基质为Zn0、ZnS。
2.根据权利要求1所述的一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：一个复合探测器就是一个点探测器，点探测器只有一个探测点，可以探测局部区域的X射线强度。
3.根据权利要求2所述的一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：将多个探测点排列成一条线，构成用于X射线检测的线阵探测器，可以获得某时刻直线位置X射线强度曲线，被检测物体在X射线光源和线阵探测器之间移动，通过把不同时刻强度曲线组合，形成二维图像，即为被检测物体的完整透射图像。
4.根据权利要求3所述的一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：是将多个复合探测器构成的线探测器，排成一个面，构成用于X射线检测的面阵探测器，可以获得某时刻该平面位置X射线强度曲线，即为被检测物体的完整透射图像。
5.根据权利要求1、2、3、4任何一项所述的一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：为提高X射线探测效率，可以将多个复合探测器重叠布置，形成多层的探测点，形成线阵探测器，形成面阵探测器；每一时刻可以获得多个点、线、面强度信号，可以分别进行叠加处理。
6.根据权利要求5所述的一种用于X射线检测的同基质的“闪烁体-半导体-闪烁体”复合探测器，其特征在于：在重叠布置时复合探测器时，可以在每层之间加入过滤片，用于过滤掉特点波长范围的X射线，每一时刻可以获得多个点、线、面强度信号，可以分别进行叠加或扣除处理，通过多能量信号分析，除了获得被检测物体的形状信息，还可以获得其成分信息，方便特定物体或危险物品的识别。
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