[发明专利]高光输出闪烁体表面光子结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种高光输出闪烁体表面光子结构及制备方法。

背景技术

闪烁探测系统在核医学成像、高能物理实验、核物理实验、安检、宇宙射线探测、核爆试验诊断具有重要作用。作为闪烁探测系统中核心功能材料的闪烁体的作用是吸收高能粒子或高能射线并使其转换成可见光，也称为闪烁光，随后利用光电探测装置对闪烁光的探测最终实现对高能粒子或高能射线的探测。因此闪烁体的转换效率对于提高探测效率至关重要。目前大多数常用的闪烁体其内量子效率都很高，但是由于闪烁体的折射率通常较大(折射率n介于1.5～2.5)，当闪烁体内部发光遇到空气(折射率为1)界面时，在界面处会产生全内反射，导致闪烁光被限制在闪烁体内部而无法出射，被限制的光最终被闪烁体自吸收或在闪烁体边缘出射，无法进入探测器，导致了低的光输出效率，最终限制了探测系统探测效率的提升。例如，闪烁体折射率为2.0时，则全内反射角为30度，从单侧闪烁体/空气界面出射的闪烁光只有6.7％。

文献“Zhichao Zhu,Bo Liu,Chuanwei Cheng et al.Improved light extraction of LYSO scintillator by the photonic structure from a layer of anodized aluminum oxide.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 786,2015,1–4”报道了利用在闪烁体表面覆盖一层由多孔阳极氧化铝构成的光子结构，使得部分原本大于全内反射角而被限制的光得以从闪烁体表面出射，获得了25％的闪烁光输出效率增加，该方法基于电化学技术因此可以低成本地制备大面积的光子结构。然而该方法制备的阳极氧化铝的折射率较低，约为1.67，因此所形成的光子结构对于光提取效率的增加有限，同时单纯的多孔阳极氧化铝与闪烁体表面的结合很弱，容易脱落不利于实际应用。

中国专利CN104280761A公开了一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，此结构包含闪烁体层、周期阵列层和覆盖层，其中，覆盖层包覆于周期阵列层外，且覆盖层与周期阵列层直接接触并与其共形，包覆有覆盖层的周期阵列层直接布置于闪烁体层上方，覆盖层采用折射率大于1.6，且在相应闪烁体发射波长范围内透明的介质材料；所述周期阵列层的结构属于单层六角密堆积的结构。此专利实施例中披露了TiO₂覆盖层，TiO₂具有金红石和锐钛矿两种晶体结构，两种结构所对应的密度和折射率差别较大，因此光学性质的不确定性较大，不利于使用，而且覆盖层的厚度较小，这会使得表面结构与闪烁体之间的结合不够牢固。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高光输出闪烁体表面光子结构及制备方法，该方法通过有针对性的结构设计，在闪烁体表面结合多孔阳极氧化铝结构和高折射率共形致密层所形成的光子结构，实现光输出效率的大幅提升，同时由于共形致密层的存在使得整个表面结构与闪烁体表面的结合非常牢固。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高光输出闪烁体表面光子结构，包括闪烁体，布置在闪烁体出光面的多孔阳极氧化铝，所述的多孔阳极氧化铝的外表面覆盖高折射率共形致密层，该高折射率共形致密层的折射率n'大于多孔阳极氧化铝的折射率n。

所述的多孔阳极氧化铝的平均孔间距为0.8λ～1.5λ，平均孔径为孔间距的0.5～0.8，多孔阳极氧化铝的高度h为λ/2n～2λ/n；其中，λ是闪烁体发光的中心波长。

所述的高折射率共形致密层的厚度为0.5λ/n'～λ/n'。

所述的高折射率共形致密层采用的材料为折射率高于多孔阳极氧化铝的透明介质，包括ZrO₂、HfO₂或ZnO。

所述的闪烁体包括塑料闪烁体、玻璃闪烁体、ZnO闪烁体、Lu₂SiO₅:Ce闪烁体、(Lu,Y)₂SiO₅:Ce闪烁体、Bi₄Ge₃O₁₂闪烁体、Y₃Al₅O₁₂:Ce闪烁体、CsI:Tl闪烁体、NaI:Tl闪烁体或PbWO₄闪烁体。

一种高光输出闪烁体表面光子结构的制备方法，包括以下步骤：