[发明专利]带有光子晶体层的封装式闪烁体及闪烁探测器

说明书

本发明属于辐射探测技术领域，针对现有技术中在闪烁体表面制作光子晶体结构工序复杂、成本高，且大尺寸闪烁体本体表面难以制造光子晶体结构，以及无法直接在易潮解类闪烁体表面制作光子晶体结构的技术问题，提供带有光子晶体层的封装式闪烁体及闪烁探测器；其中带有光子晶体层的封装式闪烁体包括闪烁体本体，其特殊之处在于：还包括位于闪烁体本体外部的封装外壳，封装外壳上设置有光学窗口；所述光学窗口的内表面通过光学耦合剂紧贴闪烁体本体的出光面，光学窗口的外表面设置有外光子晶体层；外光子晶体层包括光子晶体阵列。

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及带有光子晶体层的封装式闪烁体及闪烁探测器。

背景技术

闪烁探测是核辐射探测领域一种非常重要的探测方法，广泛应用于核医学成像、高能物理与粒子物理实验、特殊核材料检测与安全检查、空间辐射探测、脉冲辐射场诊断等方面。闪烁探测器一般由闪烁体和光电器件两部分组成，核辐射粒子与闪烁体发生相互作用，闪烁体将辐射粒子沉积在其中的能量转化为可见光或近可见光(称作闪烁光)辐射出来，光电探测器探测闪烁光并将其转化为电信号输出，最终实现对核辐射探测。

在闪烁体与光电探测器的相交界面处，荧光从闪烁体中产生到最终被光电器件光阴极收集到需要多次穿过不同介质材料界面。根据Snell定律，入射角大于布儒斯特角的光线在界面处将发生全内反射，被反射的闪烁荧光部分被闪烁体自吸收。折射率越高，布儒斯特角越小。无机闪烁体材料折射率多数在1.6～2.8之间，对于折射率1.8的闪烁体界面处向自由空间辐射荧光一次出射概率只有16.8％。在高折射率闪烁体与光电探测器件耦合条件下，由于界面两侧折射率差异，显著降低了闪烁体荧光的提取效率，最终影响了探测器的能量分辨。另一方面，这种界面处的反射现象增加了闪烁荧光传输光程，增大了光子到达光电器件光阴极的时间弥散，对闪烁探测的定时分辨也是不利的。

公开于2015年1月14日的中国发明专利申请CN104280761A提出了一种利用表面光子结构实现的高光提取效率闪烁体，其技术方案主要是先在闪烁体层的表面附着聚苯乙烯微球阵列，然后再利用三维原子层沉积技术在微球阵列上沉积TiO₂覆盖层，这种表面结构可以在一定程度上降低因闪烁体高折射率导致的光陷效应，提高闪烁体的有效光输出。

公开于2015年11月18日的中国发明专利申请CN105068106A提出了一种闪烁体光子晶体结构及其制作方法，其技术方案主要是采用阳模板制作、阴模板制作、聚合物涂覆及固化、脱模处理等一系列步骤在闪烁体表面制作形成周期排布的光子晶体微结构，从而在光子晶体的调制作用下提高闪烁体光输出效率。

公开于2016年11月9日的中国发明专利申请CN106094003A提出了一种复合结构光子晶体闪烁体，其技术方案主要是先纳米压印技术在单晶闪烁体的表面制备光刻胶结构，然后采用软、硬模板或者电子束刻蚀的方法制备光子晶体结构，最后再在光子晶体结构表面制备具有一定厚度的塑料闪烁体层。该方案通过光子晶体调控两种不同波长的闪烁体发光，两种闪烁体的光沿着不同的方向发射，可以在不同的方向上布置相应的探测器，实现伽马射线和中子的甄别测量。

以上研究表明，通过在闪烁体表面制作光子晶体形成周期性势场，在与闪烁光耦合后可以使光学界面处大角度入射的原本会被全反射的光子顺利出射，从而提高闪烁荧光的光提取效率，降低出射荧光的时间弥散，提高探测器的能量分辨与时间分辨性能。但是，以上光子晶体的制作方法均依赖于十分复杂的制作模板和工序步骤，极大地增加了闪烁体的生产成本，且现有工艺无法实现在大尺寸闪烁体本体表面制造光子晶体结构。另一方面，上述方法制作光子晶体结构过程中，闪烁体材料都需要接触液体溶剂或者暴露在在空气中。对于一些易潮解闪烁材料，无法应用上述的方法直接在其表面制作光子晶体结构。

发明内容

本发明目的是提供带有光子晶体层的封装式闪烁体及闪烁探测器，解决了现有技术中在闪烁体表面制作光子晶体结构工序复杂、成本高，且大尺寸闪烁体本体表面难以制造光子晶体结构，以及无法直接在易潮解类闪烁体表面制作光子晶体结构的技术问题。