[发明专利]闪烁体的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面处理方法，特别是涉及一种闪烁体的表面处理方法。

背景技术

在辐射探测领域，闪烁体是指与射线或粒子等辐射作用后能够产生荧光的物质。通俗的讲，闪烁体功能就是将辐射沉积在其中的能量转换为荧光光子释放出来。闪烁探测器一般由闪烁体和光电探测器构成，其中闪烁体使得辐射沉积的能量转换为荧光光子，光电探测器探测闪烁体荧光并转化为电信号输出，从而实现对辐射的探测。从光电探测器输出的电信号中可以获得辐射场粒子的种类、时间、能量、位置、动量等信息。因此，闪烁探测器广泛应用于地面核辐射探测、空间辐射测量和粒子物理实验等领域。

闪烁探测器对许多参数的测量精度、探测效率与探测器的时间分辨性能密切相关。如飞行时间-正电子发射断层成像(TOF-PET)装置通过测量正电子湮灭产生伽马光子对的到达时刻的时间差确定湮灭发生位置。TOF-PET探测器时间分辨越高，其确定符合事件时间窗宽度越小，随机事件的偶然符合概率越低，确定湮灭发生位置的精度和信噪比也就越高。在中子飞行时间方法(nTOF)中，通过测量中子飞过一段特定距离的时间确定中子能量。中子能量分辨与探测时间分辨的均方根正相关，探测器时间分辨越好则测量结果的中子能量分辨越高。又如，短寿命放射性核素研究中，探测器的时间响应越快、时间分辨越高就越有利于观察研究短寿命核素的衰变现象和物理机理。

闪烁探测器的定时性能主要取决于闪烁体荧光作用下，单位时间内在光电探测器光阴级上生成光电子的数量。经过理论推导和实验验证，数值上闪烁体的时间分辨Δt的平方正比于闪烁体衰减时间τ，反比于光电探测器探测的光电子数N_pe，即Δt数值越小，闪烁探测器的时间分辨能力越高。因此，降低闪烁体衰减时间，提高光电探测器测量到的光电子数量能够提高闪烁探测器的时间分辨能力。

通常地，闪烁体衰减时间主要由激发态的退激过程决定，而光电探测器探测的光电子数则主要由闪烁体的发光产额和光电倍增管的光谱响应决定。对于实际的光电探测器这些还受到光子全反射和晶体光子出射角度分布的影响。一方面，闪烁体的折射系数通常都大于1。在闪烁体和光电探测器相连界面上，只有入射角小于界面全反射角的荧光才能顺利进入光电探测器被探测到，入射角大于全反射角的荧光在界面上被反射回来在晶体内传输和多次反射。这些多次反射作用结果是：(1)荧光光子在闪烁体中需要传输更远的光程，这增加了光电探测器测量到荧光光子的时间弥散；(2)更多的光子与闪烁体作用而被闪烁体自身吸收，降低了光电探测器测量到的光电子数量。另一方面，辐射沉积能量激发出的闪烁体荧光从能量沉积点向4π空间均匀发射的，闪烁体发光时是一个体光源。闪烁体与光电探测器相连界面上，出射光的在-90°～90°范围内都有分布。大角度出射的荧光到达光电探测器光阴级的时间弥散更大，被探测到的概率更低。

光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制类似，光子晶体能够用来调制具有相应波长的光子。如果在闪烁体表面制作一层特殊的光子晶体结构，通过光子晶体的调制使得闪烁荧光更快更集中地出射出来，则可以提高闪烁体时间分辨能力。文献1“一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体”(中国专利，申请号201410496266.X)中，公开了一种形成与闪烁体表面的聚苯微球阵列光子晶体结构，结果表明该结构提高了闪烁体的光提取效率，证实了光子晶体对闪烁荧光的调制作用。

文献2“P.Lecoq,E.Auffray A.Knapitsch.How photonic crystals can improve the timing resoultion of scintillators.IEEE Transcations on Nuclear Science.2013；60(3),1653～1657”中，公开了一种采用传统的电子束刻蚀的技术在闪烁体表面制作光子晶体的方法。该方法制作的光子晶体结构提高了闪烁体时间分辨能力。然而采用传统电子束刻蚀方法成本很高，且只能用于小面积闪烁体(1～2mm²的大小)的处理，这限制了该方法的实际应用。