[发明专利]一种表面微透镜阵列结构调控的闪烁体器件及其制备

说明书

本发明涉及一种表面微透镜阵列结构调控的闪烁体器件及其制备，该闪烁体器件包括闪烁体，以及布置在闪烁体出光面的微透镜阵列，所述微透镜阵列由多个内部空心、外部为壳层结构的微透镜单元构成。与现有技术相比，本发明的闪烁体器件可以大幅度降低对于闪烁的自吸收，并在光输出方面具有显著的增强比例。

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，涉及一种表面微透镜阵列结构调控的闪烁体器件及其制备。

背景技术

闪烁体吸收高能射线并将其转换成近紫外-可见区的闪烁光，通过随后对其闪烁光的探测实现对高能射线的探测。闪烁探测器在高能物理实验、核物理实验、核医学成像、暗物质探测、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。闪烁体是探测系统的核心材料，其光输出的效率决定了探测器的灵敏度、信噪比和探测效率。

闪烁体具有较高的折射率(n＝1.5-2.2)，全内反射导致大量光子被限制在闪烁体内部无法出射。即使小于全反射角可以出射的光，也具有朗伯型的空间分布，无特定取向，接收效率很低。这限制了探测器的各项性能。

中国专利CN105204191A公开了一种基于导模共振的方向性调控方法。虽然该方法可以调控闪烁光的方向性，但是导模共振原理只适用于厚度为几百纳米的发光层，这样的厚度对于很多高能粒子的探测时阻止能力不够，探测效率低下。中国专利CN104280761A公开的一种采用光子晶体表面结构的方案实现光输出效率的提高，但其发射方向性没有显著变化。为了实现块体闪烁体的发光方向性的控制，必须采用新的结构设计方法。

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表面微透镜阵列结构调控的闪烁体器件及其制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提出了一种表面微透镜阵列结构调控的闪烁体器件，包括闪烁体，以及布置在闪烁体出光面的微透镜阵列，所述微透镜阵列由多个内部空心、外部为壳层结构的微透镜单元构成。通过采用内部空心的壳体结构的微透镜单元，相比于实心结构而言，可以降低微透镜单元本身对闪烁光的吸收，提高输出效率。

进一步的，微透镜阵列中的微透镜单元呈六角周期排列结构布置。六角周期排列具有高的对称性，对于发光方向性的调控及后续探测器对发光的接收具有益处，此外，后续的制备方法自然形成六角周期排列结构。

进一步的，所述微透镜单元呈半球状或近似半球状，其外径为4-10μm(外径偏差在0.2μm内)，此处的直径尺寸的下限必须远大于闪烁体的发射波长(350-600纳米)，远大于发射波长，主要是为了避免光的衍射效应，当尺寸接近发射波长时，会产生显著的衍射效应，衍射效应是波长的强烈依赖，导致不同波长处产生不同的增强(甚至减弱)比例，或者说引起发射波长的光谱畸变，不利于探测器响应的校准。当其直径为发射波长的大约10倍及以上时，这种衍射效应就变得可以忽略。尺寸上限必须容易组装成周期阵列，因此不宜过大。

进一步的，所述的微透镜单元的壳层结构的折射率为1.4-2.0，空心部分的折射率为1。壳层折射率考虑了常用材料的折射率范围，兼顾调控效果。

进一步的，所述的微透镜单元的壳层结构的厚度为0.5-2μm。可以对发光方向性进行适当调控，厚度下限考虑了样品的牢固度，厚度上限为了保持微透镜的空心部分尺寸。

进一步的，所述的微透镜单元的壳层结构的材料为透明氧化物，其优选为SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、Ga₂O₃、MgO或ZnO中的一种。