CN111638543A - 一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺 - Google Patents

一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，属于核物理实验、医学成像、安全检查领域。本发明的CsI(Tl)晶体阵列耦合多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C，并且结合高效、快速、经济的DCP桥电路设计的四路读出电路板，组成位置灵敏的探测器探头。经过测试证明，晶体像素尺寸为1.0×1.0×5.0mm3的CsI(Tl)晶体阵列其位置分辨率为：FWHMX＝0.58mm，FWHMY＝0.63mm，晶体像素条尺寸为2.0×2.0×10.0mm3的CsI(Tl)晶体阵列探测器其位置分辨率为：FWHMX＝0.86mm，FWHMY＝0.80mm；在医学成像，高分辨率相机研究等领域中具有一定的应用前景。

Description

一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺
技术领域
本发明属于核物理、医学成像、安全检查等领域，具体涉及核辐射测量中的核辐射位置信息测量探头的制作工艺。
背景技术
核辐射位置信息的测量对核辐射敏感的晶体探头品质提出了较高要求，晶体探头的品质除了对核辐射敏感的晶体本身的品质有较强依赖外，CsI(Tl)晶体阵列探头工艺品质也是非常重要的环节。
传统的CsI(Tl)晶体阵列探头均是单独加工单元像素条，经过表面处理后使用人工方法拼接晶体像素条成阵列而成。传统方法制作出的CsI(Tl)晶体阵列精确度有一定的缺陷，造成晶体光输出的一致性受到影响，对核辐射测量的精度有所影响。
发明内容
本发明为了克服背景技术中存在问题，提出一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，提出了位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列，耦合H8500C光电倍增管和基于DPC简化处理电路，形成了位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列探头。
本发明提供一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，包括CsI(Tl)晶体阵列，多阳极位置灵敏光电倍增管，DCP桥电路设计的四路读出电路板，CsI(Tl)晶体阵列与多阳极位置灵敏光电倍增管之间采用光学硅脂进行耦合，并设计DPC桥式电路把多阳极位置灵敏光电倍增管输出的64路阳极信号简化成为4路信号输出，从而获得γ入射的位置信息，得到位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列探头；
且每个位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列探头均采用避光处理，后续电子学经过成形放大、甄别进入系统测试平台分别对CsI(Tl)晶体阵列像素数为24×23和22×22的两块CsI(Tl)晶体阵列进行符合测试，输出像素横截面为1.0×1.0mm2和2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列一维图谱，二维散点图及位置分辨率。
其中CsI(Tl)晶体阵列的加工方法为：
步骤1.使用高精密切割机对大尺寸的块状晶体材料进行划片处理，划出平行度优于±0.1mm的CsI(Tl)晶体阵列；
步骤2.使用SiO2粉末和光学环氧树脂，作为光反射材料对步骤1中CsI(Tl)晶体阵列像素(晶体阵列是多个像素组合到一起的一个探头，像素之间是有间隙的)之间空隙进行填充；
步骤3.对步骤2中填充好的光反射材料的CsI(Tl)晶体阵列整体进行打磨抛光处理，以消除切割机在晶体加工时留下的刀痕，直至表面光洁度达到
Figure BDA0002514140550000021
；
步骤4.最后制得的横截面为1.0×1.0mm2CsI(Tl)晶体阵列像素(像素条是指作为整个探头阵列的像素单元)条，具有24×23个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸为30.4×31.9mm2，CsI(Tl)晶体阵列条之间填充的光反射材料厚度为0.1mm；
横截面为2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列像素条，具有22×22个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸49.9×51.2mm2，晶体像素条之间填充的光反射材料厚度为0.3mm。
进一步的技术方案是，步骤2中，光学环氧树脂301由两种成份混合而成，混合比例为3.3∶1～5.5∶1(体积比，光学胶的两种成分比例是体积比，混合后的胶与TiO2粉末的量使用天平称重较为方便。此处表述没问题。所有的比例，都是按照便于工作开展所使用的的比例，所以，体积比和质量比，属于在两个工作步骤里的做法)；TiO2粉末量为环氧树脂量的8％-13％。
进一步的技术方案是，步骤2中，为去除TiO2粉末和光学环氧树脂胶的混合物中的气泡，在0.1Pa真空系统中，排出光反射层中的气泡，形成光反射材料。
真空系统由真空泵、玻璃观察窗、真空室、真空计、微调阀、挡板阀及支架组成，支架放置于真空室内，在真空室与真空泵之间加装一个微调阀以便控制抽气速率大小，挡板阀安装于真空室的出口端，真空泵安装于挡板阀一侧的出口端，真空室另一侧连接真空计。
利用真空系统排出气泡的方法为：首先把已完成灌胶步骤的CsI(Tl)晶体阵列放置在真空室的支架上，玻璃观察窗紧贴在真空室上方，关闭挡板阀，打开真空泵后在缓慢调节挡板阀至适中以控制抽气速率，由玻璃观察窗中观察从CsI(Tl)晶体阵列里冒出的气泡密集程度，通过调节微调阀以控制抽气速率大小，直至真空室的气压值维持在0.1Pa，并连续保持4小时左右，关真空泵打开微调阀待真空室内气压降至一个大气压时，取出CsI(Tl)晶体阵列置于避光平整处待胶自然晾干即可。
对粒子位置信息读出多采用电荷分除法，CsI(Tl)晶体阵列探头采用日本Hamamatsu公司生产的具有体积小、性价比高等优点的多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C，但是光电倍增管H8500C阳极信号路数较多，因此设计了DPC桥式电路把64路阳极信号简化成为4路信号输出，从而获得γ入射的位置信息，这样就很大程度上减少了电子学(电子学是指信号处理的电子线路)和数据采集系统的总通道数，降低了搭建成本。
CsI(Tl)晶体阵列与H8500C之间并采用光学硅脂进行耦合，以提高闪烁光分配的均匀性，且每个CsI(Tl)晶体阵列探头均采用避光处理，后续电子学经过成形放大、甄别进入IQSP518系统测试平台分别对CsI(Tl)阵列像素数为24×23和22×22的两块CsI(Tl)晶体阵列进行符合测试，并给出了像素横截面为1.0×1.0mm2和2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列一维谱，二维散点图及位置分辨率。
本发明的有益效果：
本发明可用于核物理实验、医学成像、安全检查等领域中的核辐射测量仪器中广泛大量使用光闪烁CsI(Tl)晶体阵列探头，此项技术研发出的晶体探头位置误差小、各像素条输出信号一致性较好，具有巨大的商业应用价值。
附图说明
图1为真空系统结构示意图；
图2(a)为像素条横截面为2.0×2.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列图；
图2(b)为像素条横截面为1.0×1.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列图；
图3(a)为晶体像素条横截面为1.0×1.0mm2的X(a)一维散光辐射场图谱；
图3(b)为晶体像素条横截面为1.0×1.0mm2的Y(b)一维散光辐射场图谱；
图4为晶体像素条横截面为1.0×1.0mm2的二维散光辐射场图谱；
图5(a)为晶体像素条横截面为2.0×2.0mm2的X(a)一维散光辐射场图谱；
图5(b)为晶体像素条横截面为2.0×2.0mm2Y(b)一维散光辐射场图谱；
图6为晶体像素条横截面为2.0×2.0mm2的二维散光辐射场图谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下，锁获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，包括CsI(Tl)晶体阵列，多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C，DCP桥电路设计的四路读出电路板，其中CsI(Tl)晶体阵列的加工方法为：
步骤1.使用高精密切割机对大尺寸的块状晶体材料进行划片处理，划出平行度好于±0.1mm的CsI(Tl)晶体阵列。
步骤2.使用TiO2粉末和光学环氧树脂的混合物作为光反射材料对步骤1中CsI(Tl)晶体阵列像素之间空隙进行填充，为了充分填充CsI(Tl)晶体阵列之间的空隙，被填充的CsI(Tl)晶体阵列放置在真空系统中，在真空系统的帮助下，光反射层中的气泡逐渐被排出，形成反射效果非常好的光发射材料，其中光学环氧树脂301由两种成份3.3∶1～5.5∶1(体积比)配比制成；TiO2粉末量为环氧树脂量的8％-13％。
步骤3.对步骤2中浇灌好光反射材料的CsI(Tl)晶体整体进行打磨以消除切割机在晶体加工时留下的刀痕，其表面光洁度可达到
Figure BDA0002514140550000061
，为了与光读出器件更好的耦合需对光读出面进行特殊处理。
如图2(a)、图2(b)制得的CsI(Tl)晶体阵列像素横截面为1.0×1.0mm2具有24×23个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸为30.4×31.9mm2，CsI(Tl)晶体阵列条之间填充的光反射材料厚度为0.1mm；图6中，CsI(Tl)晶体阵列像素条横截面为2.0×2.0mm2具有22×22个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸49.9×51.2mm2，晶体像素条之间填充的光反射材料厚度为0.3mm。
图2(a)中2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列是由数字化切割机切割而成，灌胶完成后晶体阵列的外观尺寸为30.4×31.9mm2，通过光学显微镜测量其缝隙间距为0.1mm。
图5(a)是由22Na放射源辐照在像素条横截面为2.0×2.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列的X方向上每个像素条产生的高斯峰与一维散光辐射场图谱中的高斯峰相对应，然而有时会由于边缘效应导致无法测量到边缘像素条的高斯峰，进而导致高斯峰的丢失，通常加工晶体阵列时需考虑其加工尺寸与多阳极位置灵敏光电倍增管的灵敏区域相匹配。
图5(b)是由22Na放射源辐照在像素条横截面为2.0×2.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列的X-Y两个方向每个像素条同时产生的高斯峰与二维散光辐射场图谱中的高斯峰相对应，该图谱测量结果由于统计性较高其位置分辨也得到较大的改善。
图2(b)中1.0×1.0mm2CsI(Tl)晶体阵列图；是由数字化切割机切割而成，灌胶完成后晶体阵列的外观尺寸为49.9×51.2mm2，通过光学显微镜测量其缝隙间距为0.3mm。
图3(a)由22Na放射源辐照在像素条横截面为1.0×1.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列的X方向上每个像素条产生的高斯峰与一维散光辐射场图谱中的高斯峰相对应，然而有时会由于边缘效应导致无法测量到边缘像素条的高斯峰，进而导致高斯峰的丢失，通常加工晶体阵列时需考虑其加工尺寸与多阳极位置灵敏光电倍增管的灵敏区域相匹配。
图3(b)由22Na放射源辐照在像素条横截面为1.0×1.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列的Y方向上每个像素条产生的高斯峰与一维散光辐射场图谱中的高斯峰相对应，然而有时会由于边缘效应导致无法测量到边缘像素条的高斯峰，进而导致高斯峰的丢失，通常加工晶体阵列时需考虑其加工尺寸与多阳极位置灵敏光电倍增管的灵敏区域相匹配。
图4是由22Na放射源辐照在像素条横截面为1.0×1.0mm2的CsI(Tl)晶体阵列的X-Y两个方向每个像素条同时产生的高斯峰与二维散光辐射场图谱中的高斯峰相对应，该图谱测量结果由于像素条尺寸较小及统计性较低而导致位置分辨稍差。
对粒子位置信息读出多采用电荷分除法，CsI(Tl)晶体阵列探头采用日本Hamamatsu公司生产的具有体积小、性价比高等优点的多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C，但是多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C阳极信号路数较多，因此我们设计了DPC桥式电路把64路阳极信号简化成为4路信号输出，从而获得γ入射的位置信息，这样就很大程度上减少了电子学和数据采集系统的总通道数，降低了搭建成本。
CsI(Tl)晶体阵列与多阳极位置灵敏光电倍增管H8500C之间并采用光学硅脂进行耦合，以提高闪烁光分配的均匀性，且每个CsI(Tl)晶体阵列探头均采用避光处理，后续电子学经过成形放大、甄别进入IQSP518系统测试平台分别对CsI(Tl)阵列像素数为24×23和22×22的两块CsI(Tl)晶体阵列进行符合测试，并给出了像素横截面为1.0×1.0mm2和2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列一维谱，二维散点图及位置分辨率。
以上三个步骤中，光反射材料的硬度、颜色、光反射效果与TiO2粉末和光学环氧树脂胶的混合比例，其中光学环氧树脂301两种成份配比在3.3∶1～5.5∶1之间；TiO2粉末量为环氧树脂量的8％-13％有极为密切的依赖关系。
步骤1中的为去除TiO2粉末和光学环氧树脂胶的混合物中的气泡，使用的真空系统，真空度约为0.1Pa。
如图1所示，图中1为玻璃观察窗，2为真空室，3为CsI(Tl)晶体阵列，4为支架，5为真空计，6为微调阀，7为挡板阀，8为真空泵，真空系统由真空泵、玻璃观察窗、真空室、真空计、微调阀、挡板阀及支架组成，支架放置于真空室内，在真空室与真空泵之间加装一个微调阀以便控制抽气速率大小，挡板阀安装于真空室的出口端，真空泵安装于挡板阀一侧的出口端，真空室另一侧连接真空计。
真空系统主要由真空泵、玻璃观察窗、真空室、真空计、微调阀、挡板阀及支架组成，其连接关系为首先把已完成灌胶步骤的CsI(Tl)阵列放置在真空室的支架上，然后把玻璃观察窗紧贴在真空室上方，关闭挡板阀，打开真空泵后在缓慢调节挡板阀至适中以控制抽气速率，由观察窗中观察从CsI(Tl)晶体阵列里冒出的气泡密集程度通过调节微调阀以控制抽气速率大小，直至真空室的气压值维持在0.1Pa，并连续保持4小时左右，关真空泵打开微调阀待真空室内气压降至一个大气压时，取出CsI(Tl)晶体阵列置于避光平整处待胶自然晾干即可。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，其特征在于，包括CsI(Tl)晶体阵列，多阳极位置灵敏光电倍增管，DCP桥电路设计的四路读出电路板，CsI(Tl)晶体阵列与多阳极位置灵敏光电倍增管之间采用光学硅脂进行耦合，并设计DPC桥式电路把多阳极位置灵敏光电倍增管输出的64路阳极信号简化成为4路信号输出，从而获得γ入射的位置信息，得到位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列探头；
每个位置灵敏的CsI(Tl)晶体阵列探头均采用避光处理，信号经电子学经过成形放大、甄别进入系统测试平台分别对CsI(Tl)晶体阵列像素数为24×23和22×22的两块CsI(Tl)晶体阵列进行符合测试，输出像素横截面为1.0×1.0mm2和2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列一维图谱，二维散点图及位置分辨率；
其中CsI(Tl)晶体阵列的加工方法为：
步骤1.使用高精密切割机对大尺寸的块状晶体材料进行划片处理，划出平行度优于±0.1mm的CsI(Tl)晶体阵列；
步骤2.使用TiO2粉末和光学环氧树脂，作为光反射材料对步骤1中CsI(Tl)晶体阵列像素之间空隙进行填充；
步骤3.对步骤2中填充好的光反射材料的CsI(Tl)晶体阵列整体进行打磨抛光处理，以消除切割机在晶体加工时留下的刀痕，直至表面光洁度达到
Figure FDA0002514140540000011
步骤4.最后制得的横截面为1.0×1.0mm2CsI(Tl)晶体阵列像素条，具有24×23个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸为30.4×31.9mm2，CsI(Tl)晶体阵列条之间填充的光反射材料厚度为0.1mm；
横截面为2.0×2.0mm2CsI(Tl)晶体阵列像素条，具有22×22个像素，封装好的阵列整体横截面尺寸49.9×51.2mm2，晶体像素条之间填充的光反射材料厚度为0.3mm。
2.根据权利要求1所述的一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，其特征在于，步骤2中，光学环氧树脂301由两种成份混合而成，混合比例为3.3∶1～5.5∶1(体积比)；TiO2粉末量为环氧树脂量的8％-13％。
3.根据权利要求1所述的一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，其特征在于，步骤2中，为去除TiO2粉末和光学环氧树脂胶的混合物中的气泡，在0.1Pa真空系统中，排出光反射层中的气泡，形成光反射材料。
4.根据权利要求3所述的一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，其特征在于，真空系统由真空泵、玻璃观察窗、真空室、真空计、微调阀、挡板阀及支架组成，支架放置于真空室内，在真空室与真空泵之间加装一个微调阀以便控制抽气速率大小，挡板阀安装于真空室的出口端，真空泵安装于挡板阀一侧的出口端，真空室另一侧连接真空计。
5.根据权利要求4所述的一种位置灵敏的晶体阵列探头制作工艺，其特征在于，利用真空系统排出气泡的方法为：首先把已完成灌胶步骤的CsI(Tl)晶体阵列放置在真空室的支架上，玻璃观察窗紧贴在真空室上方，关闭挡板阀，打开真空泵后在缓慢调节挡板阀至适中以控制抽气速率，由玻璃观察窗中观察从CsI(Tl)晶体阵列里冒出的气泡密集程度，通过调节微调阀以控制抽气速率大小，直至真空室的气压值维持在0.1Pa，并连续保持4小时左右，关真空泵打开微调阀待真空室内气压降至一个大气压时，取出CsI(Tl)晶体阵列置于避光平整处待胶自然晾干即可。
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CN117388906A (zh) * 2023-10-12 2024-01-12 北京富通康影科技有限公司 基于弹针阵列的高像素密度辐射探测器晶体检测装置及平台

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