CN110727012A - 一种镀有增反膜和特殊出光面的掺铈铝酸钇闪烁晶体辐射探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镀有增反膜和特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，针对闪烁晶体本身的主要出射波段进行针对性设计膜层的构思，并克服了薄膜研究数据量过大难以分析的困难，得到了合适的反光膜层材料，不仅具有与晶体良好的附着力，并且膜层层数较少易于实现，还进一步提供了和全反射镀膜方案相配套的特殊出光面设计，相应提高了测量效率和测量精度。

Description

一种镀有增反膜和特殊出光面的掺铈铝酸钇闪烁晶体辐射探 测器

技术领域

本发明涉及核辐射或X射线辐射的测量，尤其涉及X射线辐射、γ射线辐射、微粒子辐射或宇宙线辐射的测量，具体来说是辐射强度测量中闪烁体是晶体的闪烁探测器。

背景技术

辐射测量已在许多领域发挥着重要的作用，如核电站热电厂辐射测量，对测量地点的辐射剂量进行连续测量；工业和民用建筑，建筑装修，建筑材料生产制造，对各种建筑材料的放射性测量;地质勘探，地质找矿与矿山辐射测量;用于射线安检通道门，能够为海关、机场、边境检查、重要会议场所的安全检查提供帮助;医疗中使用的辐射测量和辐射治疗（CT，PET，射线刀等）均需要通过测量辐射强度用于诊断和治疗，辐射测量已经广泛应用于放射性监测、工业无损探伤、医院的治疗和诊断、同位素应用、废料回收等放射性场所，辐射测量一方面监测辐射防止辐射产生危害，另一方面起到诊断和治疗的监测和计算作用。

辐射探测是辐射测量最基础的研究领域，辐射探测器的基本原理是，利用辐射在气体或者液体或者固体中引起的电离激发效应或者其它物理或化学变化进行辐射探测，探测器的公知类型包括气体探测器，闪烁探测器和半导体探测器，气体探测器结构复杂而半导体探测器的探测效率不够理想，闪烁探测器是目前最常用的探测器，闪烁探测器严格意义上分为液体闪烁探测器和固体闪烁探测器，液体闪烁探测器相比与固体闪烁探测器的便携性要差很多，基本用于实验室研究，利用闪烁晶体测量辐射的固体探测器是本领域研究最多的探测器类型。

传统的闪烁晶体辐射测量装置比较典型的结构如图1所示，使用闪烁晶体作为探测晶体，面向发射源的面和四周设置反射层，剩下一面为激发光出射面，该面通过光耦合结构与光传感器(典型的例如光电倍增管)相连接，光传感器光电倍增管分别与高压分压器、以及前置放大器相连；输入高压通过高压分压器加载在光电倍增管，输出信号依次经过前置放大器、线性放大器和多道分析器的处理形成最终的输出信号。这种使用闪烁晶体的探测器因为便于使用并且结构简单成为应用最广的探测器，也已经被本领域技术人员研究得较为透彻。

已知的反射层材料通常使用聚四氟乙烯或者硫酸钡，反射层的设置方式通常为包裹或者填充，这样的方式虽然简单，但对于闪烁晶体的保护和反光效果并不理想，无法满足研制高性能的探测器的要求，能量分辨率及时间分辨率的进一步提升成为难题，在此基础上有研究人员进一步提出了镀膜的方式，包括在晶体表面镀制MgF2/CeO2介质膜/金属铝膜的方式，实现了在特定波长处较高的反射率，还设计了采用了Ta2O5/SiO2两种材料进行高反的设计以及提出了HfO2/TiO2/SiO2三种材料组合的构思，为了达到全反射的效果甚至提出了镀膜层数为48层之多的方案设计，然而其仅仅是理论上的可行性，实际镀膜的层数越多带来的误差越大，并且达到一定层数以后提升的效果也微不足道。

镀膜的构思仍然给本领域技术人员打开了新思路，然而镀膜方案需要克服多种问题，首先要能够容易在闪烁晶体上镀制，镀层要有足够的牢固度，又要考虑膜层甚至晶体本身不受环境影响，例如需要避免氧化，潮解等问题，无论是材料的选择还是膜层的设计通过现有设计均无法再进一步明显提升探测器性能。

目前，如何进一步提高探测器的能量分辨率和时间分辨率是研制高性能探测器的技术瓶颈。

为了打破瓶颈，本申请人的技术团队经过悉心研究，投入了大量资金，借助高通量试验仪器，在大量实验数据中突破性设计了高通量线性实验方法并由此针对不同的闪烁晶体得了多组可行的镀膜方案（拟在研究成果上进行多组专利布局）。

另外，现有技术通常使用外部的反射膜和增透膜提高闪烁光的出射效率和出射时间，然而实际上忽视了闪烁晶体本身也是重要的光导组件的一部分，尤其是在本申请人团队提出了最新的镀膜和透镜组引导闪烁光的方案后，意外发现闪烁晶体本身对于光出射效率的影响也成为了可以考虑的重要因素，本申请人的技术团队通过进一步突破性设计，提出了闪烁体出射面形状的改进，能够进一步提高探测器的能量分辨率和时间分辨率。尤其是在镀膜和/或透镜组与特殊设计的闪烁体出射面形状相配合时，这种提升更加明显，本组专利布局拟将不同的闪烁晶体分别进行反射膜层和闪烁体出射面形状之间的配合方案进行保护，本案涉及其中一种闪烁晶体探测系统，其它方案的探测器系统另案提出申请

需要说明的是，本申请人技术团队经过三年多对该领域的研究，得出了多项技术成果，为了避免在先申请可能成为在后申请的现有技术或者抵触申请，特意将技术成果同日提出申请进行不同技术之间组合形成专利布局，相应的背景技术中提到的现有技术并不一定是已经对公众公开的技术，有些是申请人技术团队研究对应技术时未公开的内部的在先技术，因此背景技术中提到的技术或者声称的现有技术均无法作为相关技术已经被公众获悉的证据，更不能成为公知常识的证据。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题和瓶颈，本发明针对特定的闪烁晶体提供了对应的全反射镀膜方案和相配套的特殊出光面设计，并基于此提供了一种镀有增反膜和特殊出光面的掺铈铝酸钇闪烁晶体辐射探测器，主要目的是提供一种在研制高性能辐射探测器时可以进一步提升光出射率的结构，以提升探测效率和精度。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种镀有增反膜和特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体，光传感器，前置放大电路和多道分析仪，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面，增透层设置在闪烁光出射面，所述闪烁晶体为掺铈铝酸钇晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，其特征在于：所述光传感器为光电倍增管，所述反光层为增反膜层，所述增反膜层对于所述闪烁晶体的闪烁光的反射率大于97%，膜层层数小于10层，所述闪烁光出射面具有与掺铈铝酸钇晶体闪烁光波段相匹配的非球面凸起结构，所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，所述增反膜层通过物理沉积的方式沉积在所述圆柱体圆周和非凸起的底面上；

进一步地，所述增反膜层为多层薄膜，通过物理沉积在的方式得到的，从闪烁晶体的接触面开始膜层依次为三氧化二铝(Al2O3)，银(Ag)，氧化锆（ZrO2），二氧化硅（SiO2），氧化锆（ZrO2），其膜厚分别为100 nm，80 nm，80 nm，30 nm，40nm；

进一步地，所述圆柱体的轴线与光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述闪烁光出射面的凸起形状满足以下非球面公式：

y＝(x²/R)/（1+（1－(k+1) (x²/R²)）^1/2 +A4x⁴+A6x⁶+A8x⁸+A10x¹⁰+A12x¹²+A14x¹⁴+A16x¹⁶，

其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：

R=-0.87，k=-2.92212，A4=0.61403，A6=0.02233，A8=0.02111，A10=-0.01808，A12=0.00387，A14=0.00039，A16=-0.00015；

进一步地，所述光电倍增管的受光面的面积大于所述闪烁光出射面的面积20%。

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1）本领域通常研制宽谱的全反射膜和增透膜，以期望增加探测器的能量分辨率和得到通用性的材料，这种构思因为预期对大波段覆盖而不用针对特定波段进行深入研究，降低了研发难度，无非就是根据现有的已知反光膜进行叠加组合，但能量分辨率的提升对探测精度的提升有限，本发明提出了针对闪烁晶体本身的主要出射波段进行针对性设计膜层的构思，并克服了薄膜研究数据量过大难以分析的困难，得到了合适的反光膜层材料，不仅具有与掺铈铝酸钇晶体良好的附着力，并且膜层层数较少易于实现，基于此的探测器整体设计可以显著提高闪烁晶体出光率，相应提高了时间分辨率和测量精度；

2）现有技术中的辐射探测器通常考虑的都是闪烁体外部的反光和增透，很少从闪烁晶体自身的形状和性能出发，本发明首创性提出了对闪烁晶体光出射面的形状加以优化的构思，通过闪烁体本身的出射端构成了光学导光结构，其具体的形状设计考虑了与闪烁晶体本身的出射波段的匹配，能够增加现有技术中第一次出射发生全反射的出射光的出射几率，提高了测量效率和测量精度，尤其是在与本发明的增反膜相配合时效果更明显，在研制高性能探测器时能够进一步提高探测性能。

附图说明

图1为现有技术中的辐射探测器结构示意图；

图2为本发明的辐射探测器结构示意图；

图3为本发明高反膜的带通试验结果；

图4为本发明特殊设计的闪烁光出射面几何形状示意图；

图中：R：放射源 S1：闪烁晶体光出射面 S2：闪烁晶体光反射面 S3：光电倍增管的受光面 1：闪烁晶体 2：光传感器 3：内部电路 4：探测器封装壳体 5：外部电源和电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，如图2所示，一种镀有增反膜和特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体1，光传感器2，前置放大电路和多道分析仪3，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面S2上，增透层设置在闪烁光出射面S1上，所述闪烁晶体为掺铈铝酸钇晶体，闪烁晶体1和光传感器2设置在封装壳体4中。

掺铈铝酸钇为现有技术中公知的常规闪烁晶体之一，闪烁晶体内部产生的低能可见光子成各向同性分布，只有当光子从出射面S1出射才会被检出，晶体内部产生的可见光子到达末端闪烁光出射面S1时，受出光面透过率的影响，部分光子将被反射回晶体内部经过多次反射后出射，将减少晶体的一次出光率，第一次到达PMT被检测到的光子数量减少，影响探测器的时间分辨率，为了提升探测器的大角度光子的一次出光率，同时提升探测器的时间分辨率，本发明脱离传统的通过叠加一个光学厚度的周期膜层材料的构思进行了重新设计，通过高通量实验，从海量数据中发现了效果出乎意料的膜层，不仅易于在晶体表面镀制，还具有良好的附着能力和环境适应性，不容易被环境影响，并且围绕闪烁晶体的闪烁光波段范围的波长进行了大量数据的出射面形状设计，经过实际试验和性能对比，得到如图4所述的非球面形状，当然图4也仅是示意图，本发明的具体设计如下：

反光层使用增反膜层，增反膜层为多层薄膜，从闪烁晶体的接触面开始膜层依次为三氧化二铝(Al2O3)，银(Ag)，氧化锆（ZrO2），二氧化硅（SiO2），氧化锆（ZrO2），其膜厚分别为100 nm，80 nm，80 nm，30 nm，40nm。

本发明的膜层组合虽然具有独创性，但各膜层本身均是常见材料，使用常规的镀膜方法即可实现膜层镀制，常用的薄膜沉积方法有溶胶-凝胶法、物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积 、电镀以及脉冲激光沉积等，本发明实际研发过程中使用了电子束热蒸发的物理气相沉积的方法制备了发射膜，然而本领域技术人员公知，在已知膜层组合方案后，镀膜方式可以根据实际条件进行选择。

本发明在镀膜前，所有晶体样品在镀膜之前均经过超声清洗、酒精浸泡擦拭、烘干等处理，并在镀膜前，采用平面研磨抛光方法对闪烁晶体进行精密加工，加工中首先采用粒径分级的氧化铝硬质磨料进行逐级磨削快速去除晶体表面缺陷，并按照设计将晶体出光面磨削成设计的形状，之后采用氧化铈抛光液对晶体进行精密抛光，加工后晶体表面粗糙度能够达到纳米级，最好达到1nm以下，然后在热蒸发镀膜设备中（市售的常规电子束蒸发镀膜机）加入相应膜层材料进行镀膜，镀膜完成后进行反射膜表面质量，力学性能（硬度和膜基结合力等）等方面的评价，在能够达到基本使用条件后进行反光性能测试，测试结果如图3所示。

对于出射面的设计为：

闪烁晶体除了闪烁光出射面S1外的主体为圆柱体结构，圆柱体的轴线与光传感器(本次设计以光电传感器为实验装置，然而本领域技术人员熟知的其它光传感器例如硅光电管也是可以适用的)的光接受面S3的中心轴线重合，所述闪烁光出射面凸起的形状满足以下非球面公式：

y＝(x²/R)/（1+（1－(k+1) (x²/R²)）^1/2 +A4x⁴+A6x⁶+A8x⁸+A10x¹⁰+A12x¹²+A14x¹⁴+A16x¹⁶，

其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：

R=-0.87，k=-2.92212，A4=0.61403，A6=0.02233，A8=0.02111，A10=-0.01808，A12=0.00387，A14=0.00039，A16=-0.00015；

需要说明的是，非球面公式为透镜设计的公知公式，难点在于具体的非球面参数设计，在公开了非球面公式的参数以后，现有技术中的常规制造技术能够轻易实现该非球面的加工，具体的加工方式不再赘述。

结合该非球面的出射角度，光电倍增管的光接受面与所述闪烁光出射面的距离与传统的经验不一致，大于一定距离后性能有提升，此时需要足够大的光电倍增管的受光面才能够覆盖出射光的出射范围，光电倍增管的受光面的面积大于闪烁光出射面的面积至少要20%才能够完全接收出射的闪烁光，相隔的具体距离在本身公了上述技术点后本领域技术人员可以通过常规试验得到，再在不做具体限定。

本发明的增反膜层对于掺铈铝酸钇晶体发出的闪烁光的主要波段的反射率大于97%，并且膜层层数低，远低于现有技术中提出膜层层数，能够控制在10层以下，不用重复周期性镀膜，易于实现，结合出射面的设计，能够明显提升探测器整体的计数效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种镀有增反膜和特殊出光面的闪烁晶体辐射探测器，包括闪烁晶体，光传感器，前置放大电路和多道分析仪，闪烁晶体表面设置有反光层和增透层，反光层设置在除了闪烁光出射面以外的表面，增透层设置在闪烁光出射面，所述闪烁晶体为掺铈铝酸钇晶体，闪烁晶体和光传感器设置在封装壳体中，其特征在于：所述光传感器为光电倍增管，所述反光层为增反膜层，所述增反膜层对于所述闪烁晶体的闪烁光的反射率大于97%，膜层层数小于10层，所述闪烁光出射面具有与掺铈铝酸钇晶体闪烁光波段相匹配的非球面凸起结构，所述闪烁晶体除了闪烁光出射面外的主体为圆柱体结构，所述增反膜层通过物理沉积的方式沉积在所述圆柱体圆周和非凸起的底面上。

2. 如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述增反膜层为多层薄膜，通过物理沉积在的方式得到的，从闪烁晶体的接触面开始膜层依次为三氧化二铝(Al2O3)，银(Ag)，氧化锆（ZrO2），二氧化硅（SiO2），氧化锆（ZrO2），其膜厚分别为100 nm，80 nm，80 nm，30nm，40nm。

3.如权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于：所述圆柱体的轴线与光传感器的光接受面的中心轴线重合，所述闪烁光出射面的凸起形状满足以下非球面公式：

y＝(x²/R)/（1+（1－(k+1) (x²/R²)）^1/2 +A4x⁴+A6x⁶+A8x⁸+A10x¹⁰+A12x¹²+A14x¹⁴+A16x¹⁶，

其中，R是中心轴上的曲率半径（绝对值的长度单位为mm），k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数，取值如下：

R=-0.87，k=-2.92212，A4=0.61403，A6=0.02233，A8=0.02111，A10=-0.01808，A12=0.00387，A14=0.00039，A16=-0.00015。

4.如权利要求1-3之一所述的辐射探测器，其特征在于：所述光电倍增管的受光面的面积大于所述闪烁光出射面的面积20%。

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