[发明专利]像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用，该α粒子闪烁转换屏包括镀有ZnO种子层薄膜的基片、垂直于基片在ZnO种子层薄膜上生长出的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列和蒸镀于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列上的铝膜，ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的ZnO的晶格中掺杂有氢原子；可应用于高空间和时间分辨率、高信噪比的α粒子探测与成像，尤其是氘氚反应快中子伴随α粒子探测与成像的探测器中。与现有技术相比，本发明的α粒子闪烁转换屏具有发光衰减时间快，空间分辨率高，信噪比高，组份稳定、厚度均匀，附着基底牢固，结构简单、易制备且成本低等优点。

技术领域

本发明属于α粒子探测与成像技术领域，涉及一种ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏，尤其是涉及一种高时间-空间分辨和高信噪比的氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术所需的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法和应用。

背景技术

当今世界反恐形势非常严峻，为有效检测隐藏爆炸物，亟需快速、准确识别爆炸物的检测方法与设备。目前，国内外安检领域所使用的主要手段是射线检测仪，其对密度差异较大且造型具有一定特征的违禁品(如枪支、管制刀具等)具有很好的检测效果。但对于像炸药这种密度与日常用品相近的违禁品，仅靠密度来识别具有很大的局限性。

有鉴于此，中子检测成像技术应运而生，其高灵敏度、高准确度的特点，可确定检测区域的元素含量，被誉为爆炸物检测领域的“指纹”技术。基于氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术是目前最为先进的中子检测成像方法之一，其最大的优势就是抗干扰性强，并可实现三维空间定位检测。快中子伴随α粒子技术通过利用快中子与物质内C、O和N元素的非弹性散射反应产生的特征射线能量和强度的不同来鉴别这些元素的含量，判别包裹中是否存在爆炸物。同时利用α粒子成像技术进行中子产额和方向标记，有效降低检测过程中中子与被检测物品周围环境中产生的强γ干扰信号，提高信噪比，具有较高的空间分辨本领和较强的爆炸物识别能力，在隐藏爆炸物和毒品检测方面具有广泛的应用前景。

基于氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术的原理可以参见图7。在氘氚反应中，产生的伴随α粒子(3.5MeV)与快中子(14.1MeV)在时间上是同时的，在空间上一一对应(飞行方向的夹角通常接近于180°)。采用伴随α粒子快中子飞行时间(TOF)谱技术，即同时测量α粒子和快中子(或者快中子诱发的γ射线)，并确定它们之间的时间关系，可以确定快中子的飞行距离(设为z坐标)。再采用位置灵敏的α粒子探测器，由α粒子的反冲方向确定快中子的飞行方向(设为x、y坐标)。因此，采用具有位置灵敏的伴随α粒子的TOF技术可确定与快中子相互作用的待测元素所在位置坐标x、y、z，进而获得其空间分布图像。

经过多年研究，用于氘氚反应快中子伴随α粒子探测与成像的探测器经历了ZnS:Ag(粉末闪烁转换屏)，ZnO:Ga(粉末闪烁转换屏)，YAP:Ce(YAlO₃:Ce，晶体闪烁转换屏)等发展阶段。近年来，俄罗斯另辟蹊径，发展了高性能硅半导体探测器用于氘氚中子发生器的伴随α粒子探测器。ZnS:Ag粉末状闪烁转换屏是最早用来进行伴随α粒子检测成像的一种闪烁转换屏，其优点是发光效率高，但发光衰减时间太慢(约200ns)，无法满足快速伴随α粒子探测与成像的要求。俄罗斯研制的高性能硅半导体探测器还处于初级阶段，其信号引出线路复杂，后续信号处理过于繁琐。ZnO:Ga粉末闪烁转换屏的晶粒尺寸较大，由于闪烁光散射作用，不利于获得高空间分辨成像；颗粒间也不够致密，对伴随α粒子吸收较弱；此外，在长期辐照、受力、温差作用下，粉末会发生局部不均匀脱落，从而降低成像质量和探测器的使用寿命。而对于YAP:Ce晶体屏，由于晶体加工技术的制约，通常较厚(0.5mm以上)，造成伴随α粒子和背底γ射线的信号较难区分。此外，YAP:Ce材料本身的发光衰减时间也难以满足超快成像(1ns)的要求，且晶体生长难度较高，制备成本高，限制了其应用范围。