CN118064841A - 一种低余晖x射线闪烁体膜的制备及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低余晖X射线闪烁体膜的制备及应用,其包括以下步骤,制备闪烁体原料:按摩尔质量比100:0.1:(0.1‑10)取CsI、TlI和CuI,添加球磨助剂和稳定剂,进行球磨制备CsI:Tl:Cu闪烁体;将CsI:Tl:Cu闪烁体除杂干燥后进行蒸镀;闪烁体蒸镀:以CsI:Tl:Cu闪烁体为蒸发源,采用单源蒸镀即可获得均匀的闪烁体膜层。本发明对原料进行球磨处理生成稳定高纯度的化合物,减小蒸镀过程成膜的不均匀性,并采用亚铜离子掺杂可以大幅降低现有商用的CsI:Tl闪烁体余晖。

Description

一种低余晖X射线闪烁体膜的制备及应用
技术领域
本发明涉及成像材料制备技术领域,具体涉及一种低余晖X射线闪烁体膜的制备及应用。
背景技术
闪烁体材料主要是铊掺杂碘化铯(CsI: Tl)材料,虽然辐照光子产额较高,但是仍有相当多的缺点:1.材料本身含有剧毒铊元素;2.对于辐射响应速度慢、余辉时间长,时间、空间分辨率低;3.材料具有潮解特性,封装和保存要求高。
新型的类钙钛矿金属卤化物微纳米晶材料是近年来学术界积极研究的发光材料,具有发光效率高、光色纯、发光波长可调等诸多优点,同样在X射线探测器领域暂无成熟的大面积薄膜制备方案。
金属卤化物薄膜制备工艺主要有以下两种:干法和湿法。干法主要使用真空蒸镀设备,在高真空环境下,通过蒸发源加热,使金属卤化物层需要的有机、无机材料升华沉积在基片表面,形成薄膜。由于真空腔体里的环境一致,沉积薄膜的均匀度以及各批次之间的一致性相对容易控制。
目前性能比较优异金属卤化物微纳米晶材料大多需要掺杂金属离子,成分较复杂,因此需采用多源蒸镀,仍存在成分分布不均匀,导致发光效率低等问题。在湿法蒸镀上是将金属卤化物层所需的有机、无机材料配制成前驱体溶液,通过旋涂、刮刀涂布、狭缝涂布、超声喷涂等技术成膜、结晶。溶液法操作简单、成膜速度快,但存在大量有机污染物,需要对有机溶剂进行回收和环保处理,增加了后端辅助设备投资。而成膜和结晶的物理和化学一致性好坏决定了膜层效能,尤其涂布厚膜的工艺控制过程相当复杂,要进一步研究预结晶和结晶的过程。虽然变成晶体的过程不难,但在大尺寸和高厚度上实现物理变化诱导的成核/结晶高度化学一致性非常困难。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种低余晖X射线闪烁体膜的制备及应用。
为实现上述目的,本发明提供一种低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其包括以下步骤,
制备闪烁体原料:按摩尔质量比100:0.1:(0.1-10)称取CsI、TlI和CuI,添加球磨助剂和稳定剂,进行球磨制备CsI: Tl: Cu闪烁体;将CsI: Tl: Cu闪烁体除杂干燥后进行蒸镀;闪烁体蒸镀:以CsI: Tl: Cu闪烁体为蒸发源,采用单源蒸镀获得闪烁体膜层即可。
优选的,所述球磨助剂包括水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、乙二醇甲醚、γ-丁内酯、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正己烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲酸甲酯、丙酮、甲苯、巯基乙醇、巯基乙酸甲酯、乙腈、甘油中的一种或几种。
优选的,所述稳定剂包括乙酸、次磷酸、甲酸、草酸、柠檬酸中的一种或几种。
优选的,CsI、TlI和CuI的摩尔质量比为100:0.1:(0.1-5)。
优选的,球磨时,转速为100-600r/min,球磨循环次数为10-1000次。
优选的,所述除杂,其为采用去离子水、碱性清洗液、酸性清洗液、醇、酯、酮类有机溶剂中的一种或几种混合清洗,清洗时可辅以紫外清洗、超声清洗、等离子体清洗方法中的一种或几种。
优选的,所述基板包括玻璃、陶瓷、硅晶圆片、金属片、PET、PI、PC、PMMA、PDMS、铝膜、硅膜中的一种或几种,还包括已经集成完毕的TFT、CMOS读出电路中的一种或几种。
优选的,上述低余晖X射线闪烁体膜的制备方法还包括蒸镀后进行闪烁体膜层封装。
优选的,所述封装用的材料选自水氧阻隔膜、PET、PI、PC、PMMA、PDMS、光固化胶、热固化胶、派瑞林、铝膜、玻璃、陶瓷、金属片中的一种或几种。
本发明还提供上述方法制备的低余晖X射线闪烁体膜的应用,其为用于高速率动态成像领域。
本发明的有益效果如下:
本发明对原料进行球磨处理生成稳定高纯度的化合物,减小蒸镀过程成膜的不均匀性,采用亚铜离子掺杂可以大幅降低余晖,余晖相对商用的CsI:Tl降低了一半时间,从而减少成像图像中的残影。
附图说明
图1 为实施例1中球磨制备的CsI:Tl: Cu闪烁体粉末,其中(a)为研磨后粉末在日光灯下图片,(b)为CsI: Tl和CsI: Tl: Cu闪烁体粉末在X射线下拍摄的发光图;
图2 为亚铜离子浓度对球磨后CsI: Tl: Cu闪烁体的X射线发光强度的影响;
图3 为实施例1中蒸镀的CsI: Tl: Cu闪烁体膜在X射线下拍摄的线对卡分辨率;
图4 为实施例1中蒸镀的CsI: Tl: Cu闪烁体膜在X射线下拍摄计算器的成像图,其中(a)为计算器在日光灯下图片,(b)为计算器的X射线成像图片内部电路结构图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本申请作进一步说明。
实施例1
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:5的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0.9523g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和乙酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例2
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:0的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和乙酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例3
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:1的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0.1905g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和乙酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例4
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:10的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和1.9045g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和乙酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例5
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:5的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0.9523g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例6
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:5的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0.9523g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和次磷酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
实施例7
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按摩尔质量比100:0.1:5的比例分别称量25.981g CsI、0.0331g TlI和0.9523g CuI原料装入100 mL球磨罐中,再加入正丁醇助剂40mL和甲酸稳定剂500μL淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速600r/min循环300次,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为450℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度为300 μm;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
表1 各实施例制备工艺
实施例1中球磨制备的CsI:Tl: Cu闪烁体粉末如图1所示,日光灯下表现为白色,结合实施例2在X射线下拍摄发现,未掺杂Cu+时表现为黄光,掺杂Cu+后出现蓝绿光,说明引入的Cu+有效的掺杂到CsI: Tl中。实验中我们详细验证了不同的Cu+浓度对发光强度的影响,结果表明随着亚铜离子浓度逐渐增大,X射线发光强度逐渐降低,主要是由于引入的亚铜离子会与碘化铯反应生成铜基配合物,逐渐表现为短波方向的竞争发光引起发光强度降低,从图2中也可以看出,亚铜离子掺杂越多生成的铜基配合物相对增多,发光强度逐渐下降,在5%-10%之间下降的趋势不太大。将蒸镀后的CsI: Tl: Cu闪烁体膜层与商用薄膜晶体管(TFT,125 μm pixel size)读出电路结合后,在X射线下成像的线对卡分辨率如图3,表现出4.0 LP/mm的极限分辨率,同时从图4中观察到计算器的X射线成像图片内部电路结构细节清晰,进一步表明了优异的成像分辨率。
表2 各实施例中蒸镀的闪烁体膜与商用薄膜晶体管(TFT,125 μm pixel size)读出电路结合后测试的发光强度和余晖
从表2中测试结果看出,对比实施例1到实施例4,未掺杂Cu+时,CsI: Tl的余晖较长为1%,当掺杂1%的 Cu+后,余晖降低了一倍,降余晖效果显著,原因在于Cu+掺杂诱导材料中的自陷激子的辐射复合速率得到明显提升。随着亚铜离子浓度进一步增大,发光强度降低是由于生成的铜配合物发光抑制了CsI: Tl的本征发光。从实施例5中发现,在球磨过程中未添加稳定剂时,发光性能下降较多,而其他实施例中均加入了抗氧化性的弱酸,发光强度均相对较高,证明在引入此类型弱酸后可以有效的抑制材料在球磨过程中被氧化的问题。从实施例6和实施例7中可以看出加入次磷酸和甲酸的结果与乙酸相近,进一步证明了本发明中加入的此类稳定剂有较好的抗氧化能力,从而提升发光性能的功效。
本发明的步骤如下:
(1)闪烁体原料准备:准备好干净的氧化锆陶瓷球磨罐,装入球磨珠,按一定的摩尔质量比分别称量好CsI、TlI和CuI原料装入球磨罐中,再加入球磨助剂和稳定剂淹没过材料表面,盖上密封圈和盖子;
(2)球磨制备:设置好球磨转速和循环次数,开始球磨生成CsI: Tl: Cu闪烁体;
(3)球磨后处理:将球磨完的反应物经正丁醇清洗、离心去除上清液,重复三遍后,放入干燥箱抽真空干燥后研磨成粉末待蒸镀使用;
(4)蒸镀准备:采用清洗液对准备蒸镀的16cm*13cm的玻璃基板表面进行超声清洗20min,随后用去离子冲洗干燥后安装于蒸发源上方,然后将CsI: Tl: Cu闪烁体粉末原料放入特制坩埚中,并安装于蒸镀炉中指定的蒸发源位置;
(5)闪烁体蒸镀:对蒸镀炉腔体抽真空到5×10-4Pa以上,设置温度为500℃,蒸镀过程中保持基板的自转和公转,以实现蒸镀膜层的均匀性,蒸镀完成降温至室温后取下测试闪烁体膜厚度;
(6)闪烁体封装:将市售的标准反射铝膜贴合在闪烁体膜表面,完成封装。
本发明对原料进行球磨处理生成稳定高纯度的化合物,减小蒸镀过程成膜的不均匀性,并采用亚铜离子掺杂可以大幅降低余晖,余晖相对商用的CsI:Tl降低了一半时间,减少成像图像中留下残影。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
制备闪烁体原料:按摩尔质量比100:0.1:(0.1-10)称取CsI、TlI和CuI,添加球磨助剂和稳定剂,进行球磨制备CsI: Tl: Cu闪烁体;
将CsI: Tl: Cu闪烁体除杂干燥后进行蒸镀;
闪烁体蒸镀:以CsI: Tl: Cu闪烁体为蒸发源,在基板表面蒸镀获得闪烁体膜层即可。
2.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述球磨助剂包括水、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、乙二醇甲醚、γ-丁内酯、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正己烷、乙酸乙酯、乙酸甲酯、甲酸甲酯、丙酮、甲苯、巯基乙醇、巯基乙酸甲酯、乙腈、甘油中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述稳定剂包括乙酸、次磷酸、甲酸、草酸、柠檬酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述CsI、TlI和CuI的摩尔质量比为100:0.1:(0.1-5)。
5.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述球磨,其转速为100-600r/min,球磨循环次数为10-1000次。
6.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述除杂,其为采用去离子水、碱性清洗液、酸性清洗液、醇、酯、酮类有机溶剂中的一种或几种混合清洗,清洗时可辅以紫外清洗、超声清洗、等离子体清洗方法中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述基板包括玻璃、陶瓷、硅晶圆片、金属片、PET、PI、PC、PMMA、PDMS、铝膜、硅膜中的一种或几种,还包括已经集成完毕的TFT、CMOS读出电路中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:还包括蒸镀后进行闪烁体膜层封装。
9.根据权利要求8所述的低余晖X射线闪烁体膜的制备方法,其特征在于:所述封装用的材料选自水氧阻隔膜、PET、PI、PC、PMMA、PDMS、光固化胶、热固化胶、派瑞林、铝膜、玻璃、陶瓷、金属片中的一种或几种。
10.权利要求1-9任一项所述的方法制备的低余晖X射线闪烁体膜的应用,其特征在于:用于高速率动态成像领域。
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