CN108152848B - 一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，包括：衬底，布置在衬底上的反射层，布置在反射层上的微结构与闪烁体，所述的微结构为网格状结构，所述的闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。与现有技术相比，本发明采用可以降低光谱的形状畸变，有利于保持探测器光谱响应的一致性。

Description

一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件
技术领域
本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，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
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，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，无法进入探测系统成为有效的闪烁光，严重影响了探测的系统灵敏度和信噪比。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。
中国专利ZL201510566362.1公开了一种采用光子晶体微结构，采用此结构可以显著提高闪烁体的光提取效率，从而实现高的光输出。但是周期为波长量级的光子晶体的最大问题在于，其衍射效应，导致光谱畸变，即被增强的光是波长的依赖，由于探测的响应是波长的依赖，因此这将导致探测器响应的改变，从而影响效率的校准。因此发展一种光谱畸变的光输出增强方法对于闪烁体的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，包括：
衬底，
布置在衬底上的反射层，
布置在反射层上的微结构与闪烁体，所述的微结构为网格状结构，所述的闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。
所述的网格状结构的折射率小于闪烁体的折射率并且所述的网格状结构对闪烁体发光波长透明。
网格状结构为呈正方形周期的格子，网格的目的是破坏导波模式，通过折射定律实现光输出的提高，该网格材料的折射率越低越有利于光输出，兼顾制备的可获得性，选取了三种折射率小于塑料闪烁体的材料，即AlF3(折射率1.35)，MgF2(折射率1.38)，SiO2(折射率1.46)。该网格的线条宽度需要近似大于等于闪烁光的波长即可实现有效的折射效果，因此选取0.5-1.0μm较为合适。网格的周期必须远大于闪烁光的波长，以消除光子衍射的特征，光子衍射的特征将产生显著的波长依赖特性，造成增强光谱的谱型畸变。网格的周期太大则密度太低，会降低光提取的效果，网格的周期太小则密度太高，则会降低闪烁体成分的占空比，即闪烁体的有效含量，同样造成总体光输出的降低。我们选择波长的约20倍到100倍，即10-50μm，在这样的网格周期条件下，既可以起到很好的光输出的增强，又不至于导致显著的光谱形状畸变。
网格线高度与闪烁体高度一致，兼顾高能粒子射线的吸收效率，不能太薄，也不能过厚，选择0.5-5μm为合适的范围。
所述的闪烁体为塑料闪烁体，折射率介于1.5-1.6。
所述的闪烁体的材质包括基质、发光剂和移波剂，所述的基质为聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，所述的发光剂为对联三苯或PBD，所述的移波剂为POPOP或BBO。
所述的闪烁体的高度与微结构的高度一致。
所述的反射层为厚度300-500nm的金属银层，反射层材料选择银，其对于塑料闪烁体发射的蓝光(波长范围380-450nm)具有高的反射率，厚度300-500nm，超过300nm即形成良好的反射效果，过厚也没有必要，反而会造成其对待测核辐射的吸收，并增加成本，因此300-500nm是个合适的厚度。
所述的衬底为普通玻璃衬底、蓝宝石衬底、石英玻璃衬底或硅片。
闪烁体层发光是会产生导波模式，即沿着闪烁体层面内传播的模式，导波模式是限制光出射的主要原因，因此破坏其导波模式，并引导其出射出表面即可达到提高光输出的目的。图3显示其实现导波模式光提取的过程示意图，当光在闪烁体中沿着导波模式的高角度传播时，即θ1，与网格界面发生折射时产生折射角θ2，满足关系：n2 sinθ1＝n3 sinθ2，进入网格的光经过反射层的反射到达空气界面，产生出射角为θ3的出射，满足关系：n3 cosθ2＝n1 sinθ3。从而实现有效提取。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、增强塑料闪烁体光输出效率。
2、与光子晶体结构提高光输出相比，该网格结构的采用可以降低光谱的形状畸变，有利于保持探测器光谱响应的一致性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为微结构的示意图；
图3为光提取图；
图4实施例1中网格结构的电镜图片。
图5实施例1中网格结构闪烁体和参考样品在X射线激发下的发射谱。
图6实施例1中网格结构闪烁体相对于参考样品发光的增强比例。
图中，1为衬底，2为反射层，3为闪烁体，4为网格，n1为空气的折射率，n2为闪烁体的折射率，n3为网格的折射率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其结构如图1所示，包括衬底1，布置在衬底1上的反射层2，布置在反射层2上的微结构与闪烁体3，微结构为网格4，闪烁体3镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。
本实施例选择的结构如下：厚度0.5mm的石英玻璃衬底。反射层银膜厚度300nm。网格材料采用SiO2，折射率为1.46，结构参数为周期P＝10μm，网格线条宽度D为1μm，网格线高度为0.5μm。塑料闪烁体成分为基质为聚甲基苯乙烯、发光剂为对联三苯，移波剂为POPO。聚甲基丙烯酸甲酯基质的塑料闪烁体折射率是1.50，聚甲基苯乙烯和聚苯乙烯为基质的塑料闪烁体的折射率为1.59，图1中对应的是n2，网格的折射率n3小于闪烁体的折射率n2，且对闪烁体发光波长透明。n1为空气的折射率，闪烁体高度与网格线高度一致。
闪烁体层发光是会产生导波模式，即沿着闪烁体层面内传播的模式，导波模式是限制光出射的主要原因，因此破坏其导波模式，并引导其出射出表面即可达到提高光输出的目的。图3显示其实现导波模式光提取的过程示意图，当光在闪烁体中沿着导波模式的高角度传播时，即θ1，与网格界面发生折射时产生折射角θ2，满足关系：n2 sinθ1＝n3 sinθ2，进入网格的光经过反射层的反射到达空气界面，产生出射角为θ3的出射，满足关系：n3 cosθ2＝n1 sinθ3。从而实现有效提取，。
本发明所公开的微结构闪烁体器件采用以下方法制备：直径30mm，厚度0.5mm的石英玻璃衬底，经过丙酮，超声清洗之后，采用常规热蒸发获得厚度为300nm的银膜层。
随后进行正方周期网格的制备，首先在银膜上采用电子束蒸发法制备一层SiO2薄膜，厚度为0.5μm。然后在该层SiO2薄膜旋涂一层光刻胶，然后采用标准光刻技术得到光刻胶的网格结构，在使用缓冲氧化物刻蚀剂(NH4F 34.3wt％:HF 6.48wt％)，进行刻蚀，时间约90秒，最后在采用90℃的温度烘烤，去除残留的光刻胶，最终得到所需结构。采用电子显微镜进行成像，其结构如图4所示，表面其结构符合设计要求。随后制备闪烁体层。将成分基质为聚甲基苯乙烯、发光剂为对联三苯移波剂为POPO塑料闪烁体溶解在甲苯溶液，采用旋涂法在制备好的网格结构上旋涂塑料闪烁体，旋涂速度2000转/分，将制备好的样品在室温下保持一昼夜，待甲苯挥发即可得到所需样品。为了观察网格结构效果，同时制备了没有结构的对比样品，厚度相同。
在X射线激发下，测试了网格样品和没有网格的参考样品的发光光谱，如图5所示。图6显示了两者的相除后得到的增强倍数，结果显示增强了大约2.4倍，同时没有明显的波长依赖，显示出了增强谱没有谱型畸变存在，符合设计预期。
实施例2
一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，包括：衬底，布置在衬底上的反射层，布置在反射层上的微结构与闪烁体，微结构为网格状结构，闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。网格状结构的折射率小于闪烁体的折射率，并且网格状结构对闪烁体发光波长透明。
本实施例中网格状结构为呈正方形周期的格子，格子的边长为10μm，网格线条的宽度为0.5μm，高度为0.5μm，采用的材料为AlF3，折射率1.35。
采用闪烁体为塑料闪烁体，折射率为1.5，高度与微结构的高度一致，闪烁体的材质包括基质、发光剂和移波剂，基质为聚甲基丙烯酸甲酯，发光剂为对联三苯，移波剂为POPOP。
实施例3
一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，包括：衬底，布置在衬底上的反射层，布置在反射层上的微结构与闪烁体，微结构为网格状结构，闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。网格状结构的折射率小于闪烁体的折射率，并且网格状结构对闪烁体发光波长透明。
本实施例中网格状结构为呈正方形周期的格子，格子的边长为20μm，网格线条的宽度为0.8μm，高度为1μm，采用的材料为MgF2，折射率1.38。
采用闪烁体为塑料闪烁体，折射率为1.5，高度与微结构的高度一致，闪烁体的材质包括基质、发光剂和移波剂，基质为聚甲基丙烯酸甲酯，发光剂为PBD，移波剂为BBO。
实施例4
一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，包括：衬底，布置在衬底上的反射层，布置在反射层上的微结构与闪烁体，微结构为网格状结构，闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体。网格状结构的折射率小于闪烁体的折射率，并且网格状结构对闪烁体发光波长透明。
本实施例中网格状结构为呈正方形周期的格子，格子的边长为50μm，网格线条的宽度为1μm，高度为5μm，采用的材料为SiO2，折射率1.46。
采用闪烁体为塑料闪烁体，折射率为1.6，高度与微结构的高度一致，闪烁体的材质包括基质、发光剂和移波剂，基质为聚苯乙烯，发光剂为PBD，移波剂为BBO。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，该闪烁体器件包括：
衬底，
布置在衬底上的反射层，
布置在反射层上的微结构与闪烁体，所述的微结构为网格状结构，所述的闪烁体镶嵌在各网格内并与微结构形成一整体；
所述的网格状结构的折射率小于闪烁体的折射率，网格状结构为呈正方形周期的格子，网格的周期为闪烁光波长的20-100倍，为10-50μm，网格线条的宽度网格的线条宽度大于等于闪烁光的波长，为0.5-1μm；
闪烁体层发光时，会产生导波模式，即光沿着闪烁体层面内传播，是限制光出射的主要原因，因此网格状结构的目的是破坏导波模式，并通过折射定律引导光出射出表面，即可达到提高光输出的目的。
2.根据权利要求1所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的网格状结构对闪烁体发光波长透明。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的网格状结构为呈正方形周期的格子，格子的边长为10-50μm，网格线条的宽度为0.5-1μm，高度为0.5-5μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的微结构的材料为AlF3，MgF2或SiO2。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的闪烁体为塑料闪烁体，折射率介于1.5-1.6。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的闪烁体的材质包括基质、发光剂和移波剂，所述的基质为聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，所述的发光剂为对联三苯或PBD，所述的移波剂为POPOP或BBO。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的闪烁体的高度与微结构的高度一致。
8.根据权利要求1所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的反射层为厚度300-500nm的金属银层。
9.根据权利要求1所述的一种具有高光提取效率的微结构闪烁体器件，其特征在于，所述的衬底为普通玻璃衬底、蓝宝石衬底、石英玻璃衬底或硅片。
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