CN109632846B - 大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，包括以下步骤：(a)闪烁纤维防串扰涂覆：使含硼PMMA材料均匀分布在所述闪烁纤维表面形成一层防串扰层；(b)闪烁纤维单层阵列的制作，通过排线装置进行制作；(c)闪烁纤维单层阵列的合片；(d)闪烁纤维阵列成像面板的灌胶研磨。本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，采用直径0.3mm闪烁纤维，空间分辨率达到1.3lp/mm，尺寸为150mm×150mm×5mm；采用涂覆、单层阵列制作，合片、灌胶研磨四道工序，以实现中子图像诊断中中子大面积、高分辨率成像，该方法工艺简单，成本较低。

Description

大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法
技术领域
本发明属于成像探测技术领域，特别是涉及一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法。
背景技术
中子成像系统是近年来发展迅速的一项新兴无损检测技术，具有穿透力强、对低Z材料敏感度高等优点。特别地，利用14MeV氘氚中子照相能够对面密度大于100g/cm2的厚密样品成像，而且14MeV中子还具有亮度高，单色性好等优点，在无损检测和安检等方面的应用研究受到了广泛的重视。
在惯性约束聚变与磁约束聚变等研究中，聚变核心产生携带重要时空信息的14.1MeV中子可以穿透高密度等离子体边界，利用中子图像诊断系统可以获得聚变反应所产生中子强度的空间分布，根据所获得的反应区对称性、尺寸等信息提供可以检验相关物理设计与数值模拟计算结果，并进一步改进系统。大面积高分辨率闪烁纤维阵列成像面板是中子图像诊断系统的关键部件之一，对获得高分辨率的聚变源区图像至关重要。
大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板作为一种中子到可见光的转换屏，是中子成像系统中的关键器件。它的作用是把中子辐射信号转换为可记录传输的可见光信号。大面积高分辨率闪烁纤维阵列成像面板将直径为0.3mm的有机闪烁纤维密排成150mm×150mm×50mm的阵列，作为成像和传像的面板。成像面板两端的闪烁纤维一一对应，使图像不失真，每个像数的直径仅为0.3mm，空间分辨率达到1.3lp/mm，具有探测效率高，空间分辨率高等特点。大面积高分辨率闪烁纤维阵列成像面板工作原理图如图1所示。中子1'入射到塑料闪烁纤维阵列成像面板2'上，经塑料闪烁纤维阵列成像面板2'成像及传像，再经过光锥3'会聚后在CCD相机4'上成像。
目前国内有少量闪烁纤维成像面板的报告，申请号为022876219的专利公开了一种光纤阵列成像探测器，使用直径1mm闪烁光纤，尺寸只有为36mm×45mm×40mm，空间分辨率只有0.5lp/mm；此外，由于纤维之间是密排，纤维之间信号会互相串扰，导致系统的空间分辨率降低。申请号为2015108191904的专利公开了一种闪烁光纤面板及其制备方法，采用配料、制作闪烁玻璃芯料棒、拉丝、排版、热压成型等工序制作，加工制作难度大、成本高、工艺复杂，且闪烁光纤之间串扰严重。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，采用涂覆、单层阵列制作、合片和灌胶研磨四道工序，以实现中子图像诊断中中子大面积、高分辨率成像，可广泛应用于军事、工业无损检测、生物医疗等领域。
本发明采用的技术方案是：
一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，包括以下步骤：
(a)闪烁纤维防串扰涂覆：将含硼聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料溶解在溶剂中，制成涂覆液；将闪烁纤维快速通过充满所述涂覆液的涂覆槽，控制所述闪烁纤维放线速度为10±1m/min，然后烘干去除所述溶剂；使所述含硼PMMA材料均匀分布在所述闪烁纤维表面形成一层防串扰层；
(b)闪烁纤维单层阵列的制作：通过排线装置进行制作，包括以下步骤：
①首先把步骤(a)中涂覆后的所述闪烁纤维的一端固定在收线盘的一端上，随着所述收线盘均匀旋转，所述闪烁纤维在排线机构的作用下一根挨一根的紧密排列在所述收线盘的外圆周表面，排满整个盘面即达到需要的宽度，然后将所述收线盘上闪烁纤维的另一端也固定好；
②待一层闪烁纤维排好之后，检查所述闪烁纤维是否完好并确认没有压纤现象，然后对该层闪烁纤维的外表面进行涂胶；
③然后沿所述收线盘的两端将步骤②中的闪烁纤维层从某个位置截断，形成一个阵列片，根据所需要的长度对所述阵列片进行切片，得到若干片闪烁纤维单层阵列；
所述闪烁纤维阵列制作的具体工艺参数为：收放线张力为55-65g、放线速度为5-20m/min、控制胶的厚度10-30μm；
(c)闪烁纤维单层阵列的合片：以U形支架的一个垂直边为基准边，将步骤(b)中每一片所述闪烁纤维单层阵列的一边作为基准，靠在所述基准边上，相邻两片所述闪烁纤维单层阵列靠在两个基准的平面上，则相邻两片所述闪烁纤维单层阵列之间的位置是固定的，相邻两片所述闪烁纤维单层阵列的每根纤维都是上下一一对应，制得闪烁纤维阵列成像面板；
(d)闪烁纤维阵列成像面板的灌胶研磨：对步骤(c)中合片后的所述闪烁纤维阵列成像面板的两个端面进行灌胶，灌胶过程中保证胶完全覆盖所述闪烁纤维阵列成像面板，待一端面完全固化后再对另一端面进行灌胶；胶固化后将所述闪烁纤维阵列成像面板的两个端面研磨平整。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(a)中所述溶剂为苯酚或者苯甲醚。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(a)中所述含硼PMMA材料中硼的含量为2wt％。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(a)中所述防串扰层的厚度为5-10μm。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，所述闪烁纤维采用含有有机荧光物质的聚苯乙烯材质。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(b)中所述收线盘采用聚四氟乙烯加工而成，所述收线盘的直径大于等于30cm小于等于50cm。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(d)中采用光学环氧树脂胶进行灌胶。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(b)中所述排线装置包括收线机构和放线机构，所述收线机构包括收线盘、除静电机构、排线机构、导线轮一、导线轮二和导线轮三；所述放线机构包括放线盘、导线轮四、导线轮五和导线轮六，所述闪烁纤维的一端固定在放线盘上，另一端依次穿过导线轮四、导线轮五、导线轮六、导线轮三、导线轮二和导线轮一与收线盘的一端固定连接，所述排线机构通过驱动连杆与收线盘。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其中，步骤(b)中所述收线盘为工字型绕线盘，所述收线盘的上方设置有除静电机构。
本发明所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，具有以下有益技术效果：
(1)采用直径0.3mm闪烁纤维，空间分辨率达到1.3lp/mm，尺寸为150mm×150mm×5mm；采用涂覆、单层阵列制作，合片、灌胶研磨四道工序。工艺简单，成本较低。
(2)对于纤维成像面板而言，每个纤维就是一个像素点，像素点越小，分辨率越高。也就是意味着纤维直径越小，空间分辨率越高。但因闪烁纤维采用密排结构，由于反冲质子的影响，相邻纤维之间会发生串扰(即纤维产生的反冲质子会穿透纤维进入相邻的纤维)，且纤维越细，反冲质子对空间分辨率的影响越大。为了提高成像面板的空间分辨率我们在闪烁纤维表面涂覆对质子吸收效率高的物质作为防串扰层，本发明采用防串扰涂覆技术，用含硼涂覆液对闪烁纤维涂覆防串扰层可有效提高成像面板的空间分辨率；可以有效阻止反冲质子对相邻闪烁纤维的影响。
(3)制作高精度、大尺寸阵列成像面板的一个重要步骤是制作大尺寸细径的闪烁纤维单层阵列。由于闪烁纤维的直径只有0.3mm，成像面板的宽度为150mm，也就意味着单排纤维数为500根，其在排列过程中会比较困难，容易产生断丝和叠加现象。为了减小成像面板的坏点率，保证后续阵列合片时纤维能够一一对应，必须保证纤维排布的密度和位置。本发明中闪烁纤维单层阵列制作工艺，解决了阵列制作过程中纤维排列不齐、张力不均匀、不同纤维内部存在大小不同的轴向应力使纤维扭曲变形、开裂以及绕线时存在静电使纤维扭曲变形等问题。
(4)目前纤维二维排布一般有两种形式，“四边形”和“六边形”排布。同样为了获得较好的分辨率，采用“四边形”靠边法合片工艺技术。这是因为与“六边形”排布相比，“四边形”结构相邻纤维之间具有更多的死区域(不发光区域)。填充死区域的光学胶会吸收一部分反冲质子，光学胶吸收反冲质子不发光从而减少了串扰的发生。
附图说明
图1为大面积高分辨率闪烁纤维阵列成像面板的工作原理图；
图2为本发明所述的闪烁纤维单层阵列制作流程图的工艺流程图；
图3为本发明所述闪烁纤维单层阵列合片的工艺流程图。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，包括以下步骤：
(a)闪烁纤维防串扰涂覆：将含硼聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料溶解在溶剂中，制成涂覆液；所述溶剂为苯酚或者苯甲醚；将闪烁纤维快速通过充满所述涂覆液的涂覆槽，控制所述闪烁纤维放线速度为10±1m/min，然后烘干去除所述溶剂，烘干采用烘干箱，烘干温度为80±5℃；使所述含硼PMMA材料均匀分布在所述闪烁纤维表面形成一层防串扰层，对烘干后的所述闪烁纤维通过牵引装置牵引后，通过测径仪测量闪烁纤维直径，所述防串扰层的厚度为5-10μm；所述含硼PMMA材料中硼的含量为2wt％，所述含硼PMMA材料与所述溶剂的质量比为6％；所述闪烁纤维采用含有有机荧光物质的聚苯乙烯材质；
(b)闪烁纤维单层阵列的制作：通过排线装置进行制作，包括以下步骤：
①首先用胶带把步骤(a)中涂覆后的所述闪烁纤维的一端绕过放线盘21，依次穿过导线轮四22、导线轮五23、导线轮六24、导线轮三16、导线轮二15和导线轮一14与收线盘11的一端固定连接，收线盘11采用聚四氟乙烯加工而成，并尽量增加收线盘11的直径，减少单圈偏移角度，收线盘11的直径大于等于30cm小于等于50cm；随着收线盘11均匀旋转，所述闪烁纤维在排线机构13的作用下一根挨一根的紧密排列在收线盘11的外圆周表面，排满整个盘面即达到需要的宽度，然后将收线盘11上闪烁纤维的另一端也固定好；
②待一层闪烁纤维排好之后，检查所述闪烁纤维是否完好并确认没有压纤现象，然后对该层闪烁纤维的外表面进行涂胶，由于刚配好的胶比较稀，如水状，所以会渗透到该层闪烁纤维的另一面，使得每根闪烁纤维上都有胶；
③然后沿收线盘11的两端将步骤②中的闪烁纤维层从某个位置截断，形成一个阵列片，根据所需要的长度对所述阵列片进行切片，得到若干片闪烁纤维单层阵列；涂胶过程中需要控制胶层的厚度及固化程度，固化程度以有弹性、不粘手为宜，胶固化的太脆、涂的太厚或太薄都容易导致固化后的所述闪烁纤维单层阵列开裂变形；
所述闪烁纤维阵列制作的具体工艺参数为：收放线张力为60g±5g、放线速度为5-20m/min、控制胶的厚度10-30μm；所述闪烁纤维单层阵列的长度为5cm；
如图2所示，所述排线装置包括收线机构1和放线机构2，收线机构1包括收线盘11、除静电机构12、排线机构13、导线轮一14、导线轮二15和导线轮三16；放线机构2包括放线盘21、导线轮四22、导线轮五23和导线轮六24，所述闪烁纤维的一端固定在放线盘21上，另一端依次穿过导线轮四22、导线轮五23、导线轮六24、导线轮三16、导线轮二15和导线轮一14与收线盘1的一端固定连接，排线机构13通过驱动连杆与收线盘11，收线盘11的上方设置有除静电机构12；收线盘1为工字型绕线盘；收线机构1和放线机构2分别用三个导线轮能保证纤维的收放张力均匀；
(c)闪烁纤维单层阵列的合片：由于步骤(b)中所述闪烁纤维单层阵列是通过在聚四氟乙烯的收线盘上制作，收线盘11的边缘整齐、光滑，因此制作的所述闪烁纤维单层阵列的边缘是光滑、整齐的，厚度是均匀的；如图3所示，以U形支架3的一个垂直边31为基准边，将步骤(b)中每一片所述闪烁纤维单层阵列的一边作为基准，靠在所述基准边上，U形支架3的水平边32和垂直边31垂直、光滑，那么相邻两片所述闪烁纤维单层阵列靠在两个基准的平面上，则相邻两片所述闪烁纤维单层阵列之间的位置是固定的，相邻两片所述闪烁纤维单层阵列的每根纤维都是上下一一对应，从而有效避免了成像错位等失真现象，制得闪烁纤维阵列成像面板；
(d)闪烁纤维阵列成像面板的灌胶研磨：对步骤(c)中合片后的所述闪烁纤维阵列成像面板的两个端面进行灌胶，灌胶过程中保证胶完全覆盖所述闪烁纤维阵列成像面板，待一端面完全固化后再对另一端面进行灌胶；胶固化后将所述闪烁纤维阵列成像面板的端面放到研磨机上研磨平整，保证所述闪烁纤维阵列成像面板的端面平整和通光效率；采用光学环氧树脂胶进行灌胶。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)闪烁纤维防串扰涂覆：将含硼聚甲基丙烯酸甲酯材料溶解在溶剂中，制成涂覆液；将闪烁纤维快速通过充满所述涂覆液的涂覆槽，控制所述闪烁纤维放线速度为10±1m/min，然后烘干去除所述溶剂；使所述含硼聚甲基丙烯酸甲酯材料均匀分布在所述闪烁纤维表面形成一层防串扰层；
(b)闪烁纤维单层阵列的制作：通过排线装置进行制作，包括以下步骤：
①首先把步骤(a)中涂覆后的所述闪烁纤维的一端固定在收线盘(11)的一端上，随着所述收线盘(11)均匀旋转，所述闪烁纤维在排线机构的作用下一根挨一根的紧密排列在所述收线盘(11)的外圆周表面，排满整个盘面即达到需要的宽度，然后将所述收线盘(11)上闪烁纤维的另一端也固定好；
②待一层闪烁纤维排好之后，检查所述闪烁纤维是否完好并确认没有压纤现象，然后对该层闪烁纤维的外表面进行涂胶；
③然后沿所述收线盘(11)的两端将步骤②中的闪烁纤维层从某个位置截断，形成一个阵列片，根据所需要的长度对所述阵列片进行切片，得到若干片闪烁纤维单层阵列；
所述闪烁纤维阵列制作的具体工艺参数为：收放线张力为55-65g、放线速度为5-20m/min、控制胶的厚度10-30μm；
(c)闪烁纤维单层阵列的合片：以U形支架(3)的一个垂直边(31)为基准边，将步骤(b)中每一片所述闪烁纤维单层阵列的一边作为基准，靠在所述基准边上，相邻两片所述闪烁纤维单层阵列靠在两个基准的平面上，则相邻两片所述闪烁纤维单层阵列之间的位置是固定的，相邻两片所述闪烁纤维单层阵列的每根纤维都是上下一一对应，制得闪烁纤维阵列成像面板；
(d)闪烁纤维阵列成像面板的灌胶研磨：对步骤(c)中合片后的所述闪烁纤维阵列成像面板的两个端面进行灌胶，灌胶过程中保证胶完全覆盖所述闪烁纤维阵列成像面板，待一端面完全固化后再对另一端面进行灌胶；胶固化后将所述闪烁纤维阵列成像面板的两个端面研磨平整；
步骤(a)中所述溶剂为苯酚或者苯甲醚；步骤(a)中所述防串扰层的厚度为5-10μm；
步骤(a)中所述含硼聚甲基丙烯酸甲酯材料中硼的含量为2wt％。
2.根据权利要求1所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：所述闪烁纤维采用含有有机荧光物质的聚苯乙烯材质。
3.根据权利要求1所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述收线盘(11)采用聚四氟乙烯加工而成，所述收线盘(11)的直径大于等于30cm小于等于50cm。
4.根据权利要求1所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：步骤(d)中采用光学环氧树脂胶进行灌胶。
5.根据权利要求1所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：步骤(b)中所述排线装置包括收线机构(1)和放线机构(2)，所述收线机构(1)包括收线盘(11)、除静电机构(12)、排线机构(13)、导线轮一(14)、导线轮二(15)和导线轮三(16)；所述放线机构(2)包括放线盘(21)、导线轮四(22)、导线轮五(23)和导线轮六(24)，所述闪烁纤维的一端固定在放线盘(21)上，另一端依次穿过导线轮四(22)、导线轮五(23)、导线轮六(24)、导线轮三(16)、导线轮二(15)和导线轮一(14)与收线盘(1)的一端固定连接，所述排线机构(13)通过驱动连杆与收线盘(11)。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的大面积高分辨率塑料闪烁纤维阵列成像面板的制备方法，其特征在于：所述收线盘(11)为工字型绕线盘；所述收线盘(11)的上方设置有除静电机构(12)。
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