[发明专利]一种具有嵌套式微球阵列光子结构表面的闪烁体器件

说明书

本发明涉及一种具有嵌套式微球阵列光子结构表面的闪烁体器件，包括闪烁体，布置在闪烁体上表面的大尺寸微球阵列，沉积在大尺寸微球阵列上表面的共形层，布置在透明材料上的小尺寸微球阵列。与现有技术相比，本发明的光子结构可以大幅度提高闪烁体的出光效率，并且可以实现批量生产。

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种具有嵌套式微球阵列光子结构表面的闪烁体器件，该结构性的闪烁体在辐射探测器中将显著提高闪烁体的光输出，进而提升探测系统的灵敏度和信噪比。

背景技术

闪烁体是一种吸收高能粒子或高能射线并使其转换成可见光的功能材料，闪烁体发射出的可见光，也叫闪烁光，被后续光电探测装置如光电倍增管、光电二极管和CCD器件接收，从而实现高能粒子或高能射线的探测，闪烁体是闪烁探测系统中的核心部件，闪烁体的发光特性直接决定了探测系统的性能。闪烁探测系统在高能物理实验、核物理实验、核武器实验诊断、核医学成像、宇宙射线探测和安检中扮演着越来越重要的角色，担负着不可替代的功能。

然而大部分闪烁体的折射率介于1.5-2.5之间，高折射率导致闪烁体内部的发光被全内反射，光输出的效率被大大限制。因此降低了探测系统的灵敏度和信噪比。采用光子人工微结构的方法可以获得闪烁体光输出效率一定程度的提高，在辐射探测领域具有重要应用。例如中国专利CN104280761A公开了一种利用微球自组装的方法制备光子晶体结构，用于实现闪烁光输出效率的提高。但是这种单一结构尺寸的微球阵列对闪烁体的调控效果有限，为了更进一步提高光输出的效率必须改进光子结构。

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提高光输出效率的具有嵌套式微球阵列光子结构表面的闪烁体器件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有嵌套式微球阵列光子结构表面的闪烁体器件，包括

闪烁体，

布置在闪烁体上表面的大尺寸微球阵列，

沉积在大尺寸微球阵列上表面的共形层，

布置在透明材料上的小尺寸微球阵列。

所述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。

所述大尺寸微球阵列为尺寸介于2-10微米之间的聚苯乙烯微球构成的阵列，聚苯乙烯微球经自组装制备获得单层六角密堆积结构的阵列。聚苯乙烯微球的尺寸首先必须远大于闪烁体发光波长，选取2微米时(差不多是发光波长的4倍)，该尺寸可以通过几何光学的方法先将部分光引入该大尺寸微球，为后续小尺寸微球的提取打下基础。10微米作为上限是因为这种聚苯乙烯微球自组装方法制备的限制，更大尺寸的球很难自组装出周期阵列结构。

所述共形层为不潮解且在闪烁体发光范围内透明的材料层，共形层的材料包括TiO₂、ZnO、Al₂O₃或SiO₂，厚度为10-50纳米，采用原子层沉积方法制备，沉积在大尺寸微球阵列的上表面，该层的作用是实现其下面的大尺寸微球阵列的良好固定，太薄了起不到固定的效果，太厚了破坏表面的形貌，逐渐变成一个平面结构，从而影响大微球和小微球之间的耦合，因此经过大量试验确定10-50纳米是个合适的尺度。