[发明专利]一种提高无机闪烁晶体光输出的方法

说明书

技术领域

本发明涉及闪烁晶体技术领域，具体涉及一种提高无机闪烁晶体光输出的方法。

背景技术

闪烁体是测量核辐射的最古老的粒子探测器之一。作为闪烁体探测器的核心，闪烁体光输出影响着探测器的能量分辨率、时间分辨率和探测效率。闪烁光在闪烁体内以4π立体角发射，若闪烁体的折射率为n₁，闪烁体周围的介质折射率为n₂，则其界面闪烁光全反射的临界角为：闪烁光在界面传播的方式将由入射角θ而定，若θ大于θ_c，将发生全内反射；若θ小于θ_c，将发生部分内反射和部分折射。内反射闪烁光无法出射到闪烁体外部，造成闪烁体光输出损失。由于无机闪烁晶体与空气折射率相差较大，在出射界面处闪烁光因发生全内反射，因此无法出射到闪烁体外部。

传统克服光子在闪烁体光输出面反射的方法主要是改变闪烁体粗糙度，或在闪烁体和光探测器之间添加折射率匹配的光学耦合剂(如光学透明硅脂)。改变闪烁体粗糙度，这一加工工艺不可控，结果存在随机性；光学耦合剂主要用于匹配闪烁体与光探测器件入射窗口的折射率，提升光输出的效果十分有限。

可见，传统方法提升无机闪烁体光输出的效果十分有限，不能完全克服无机闪烁体因高折射率带来的光提取效率低下的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种提高无机闪烁晶体光输出的方法，使无机闪烁晶体的光输出增加，发光衰减时间减小，从而提高无机闪烁体探测器的时间分辨与能量分辨，提高无机闪烁体探测器的探测效率。

为了解决上述技术问题，本发明在闪烁晶体光输出面，制备周期性排列的微结构光子晶体，光子晶体微结构尺度符合闪烁晶体发光波长。该方案运用光子晶体对闪烁体表面进行修饰，利用光子晶体的微纳周期结构对闪烁晶体发光的电磁调制作用，提高无机闪烁晶体光提取效率，使得闪烁晶体的光输出增加，发光衰减时间减小，从而提高闪烁体探测器的时间分辨与能量分辨，提高闪烁体探测器的探测效率。

本发明的技术解决方案之一为：制备均匀混合的小球溶液，所述小球的直径符合闪烁晶体发光波长；将小球溶液滴在硅片表面，形成薄膜；将薄膜放入去离子水中，小球在水面上自发形成有序排列；用提拉法将有序阵列的小球转移到闪烁晶体表面，从而在闪烁晶体表面形成有序排列的聚苯乙烯小球周期结构，形成光子晶体结构。

其中，所述制备均匀混合的小球溶液为：采用聚苯乙烯小球与无水乙醇(化学纯)混合，将混合溶液进行超声分散，形成所述均匀混合的小球溶液。或者，采用小球溶液与无水乙醇(化学纯)溶液1：1混合，将混合溶液进行超声分散，获得混合均匀的小球溶液。

优选地，预先对待制备光子晶体的闪烁晶体表面进行改善表面亲水性的预处理：用氧等离子体轰击待制备光子晶体结构的闪烁晶体表面。

优选地，预先对硅片进行增加表面活性的预处理：十二烷基硫酸钠与去离子水混合配制成质量分数为20％的溶液，硅片浸没于溶液中，浸泡12小时后取出，清洗并烘干表面。

本发明的技术解决方案之二为：利用光刻技术在闪烁晶体光输出面形成周期性排列的光子晶体结构。

优选地，预先对待制备光子晶体的闪烁晶体表面进行改善表面亲水性的预处理：用氧等离子体轰击待制备光子晶体结构的闪烁晶体表面。

上述方案的原理是：闪烁晶体表面的微结构光子晶体，结构尺度为闪烁晶体发光波长量级，光子晶体周期性结构的倒格矢可以与闪烁晶体内的波矢耦合，使得原本闪烁晶体内激发的光子，传输到闪烁晶体光出射面时，入射角大于全反射临界角的部分光子进入出射光锥，使从闪烁晶体光输出面出射的光子数增加。

有益效果：

本发明采用在晶体表面制备光子晶体的方法提高闪烁晶体光输出，与传统提高闪烁晶体光输出的方法相比，主要有三点优势，首先是能够在不改变闪烁体构型的情况下，真正突破全内反射的限制，实现宽带光提取；其次是能够调控出射光的方向，使可见光沿特定的方向出射；最后是具有较高的实用性，能够针对不同闪烁体，制备最优结构的光子晶体。

附图说明

图1为本发明在闪烁晶体光输出面制备微结构光子晶体的示意图；

图2为图1的侧视图；

图3(a)为闪烁晶体发射的闪烁光在两种不同介质之间的传播时的示意图；

图3(b)为本发明使得原本入射角大于临界角的部分光子从光输出面出射的示意图；

其中，1-闪烁晶体，2-光子晶体。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。