一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法，通過(guò)提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出，從而提高無(wú)機(jī)閃爍晶體探測(cè)器能量分辨、時(shí)間分辨、探測(cè)效率。該方法在無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出面，制備周期性排列的微結(jié)構(gòu)光子晶體，光子晶體微結(jié)構(gòu)尺度符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。閃爍晶體表面光子晶體的電磁耦合效應(yīng)，使從晶體出射光的折射角大于全反射的臨界角時(shí)，仍然有一部分光子從閃爍晶體界面出射。本發(fā)明專利技術(shù)有效地提高了無(wú)機(jī)閃爍晶體的光輸出，使輻射探測(cè)器的能量分辨率、時(shí)間分辨率、探測(cè)效率，都有了較大提高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法
本專利技術(shù)涉及閃爍晶體
，具體涉及一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法。
技術(shù)介紹
閃爍體是測(cè)量核輻射的最古老的粒子探測(cè)器之一。作為閃爍體探測(cè)器的核心，閃爍體光輸出影響著探測(cè)器的能量分辨率、時(shí)間分辨率和探測(cè)效率。閃爍光在閃爍體內(nèi)以4π立體角發(fā)射，若閃爍體的折射率為n1，閃爍體周圍的介質(zhì)折射率為n2，則其界面閃爍光全反射的臨界角為：閃爍光在界面?zhèn)鞑サ姆绞綄⒂扇肷浣铅榷?，若θ大于θc，將發(fā)生全內(nèi)反射；若θ小于θc，將發(fā)生部分內(nèi)反射和部分折射。內(nèi)反射閃爍光無(wú)法出射到閃爍體外部，造成閃爍體光輸出損失。由于無(wú)機(jī)閃爍晶體與空氣折射率相差較大，在出射界面處閃爍光因發(fā)生全內(nèi)反射，因此無(wú)法出射到閃爍體外部。傳統(tǒng)克服光子在閃爍體光輸出面反射的方法主要是改變閃爍體粗糙度，或在閃爍體和光探測(cè)器之間添加折射率匹配的光學(xué)耦合劑(如光學(xué)透明硅脂)。改變閃爍體粗糙度，這一加工工藝不可控，結(jié)果存在隨機(jī)性；光學(xué)耦合劑主要用于匹配閃爍體與光探測(cè)器件入射窗口的折射率，提升光輸出的效果十分有限?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)方法提升無(wú)機(jī)閃爍體光輸出的效果十分有限，不能完全克服無(wú)機(jī)閃爍體因高折射率帶來(lái)的光提取效率低下的問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法，使無(wú)機(jī)閃爍晶體的光輸出增加，發(fā)光衰減時(shí)間減小，從而提高無(wú)機(jī)閃爍體探測(cè)器的時(shí)間分辨與能量分辨，提高無(wú)機(jī)閃爍體探測(cè)器的探測(cè)效率。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)在閃爍晶體光輸出面，制備周期性排列的微結(jié)構(gòu)光子晶體，光子晶體微結(jié)構(gòu)尺度符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。該方案運(yùn)用光子晶體對(duì)閃爍體表面進(jìn)行修飾，利用光子晶體的微納周期結(jié)構(gòu)對(duì)閃爍晶體發(fā)光的電磁調(diào)制作用，提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光提取效率，使得閃爍晶體的光輸出增加，發(fā)光衰減時(shí)間減小，從而提高閃爍體探測(cè)器的時(shí)間分辨與能量分辨，提高閃爍體探測(cè)器的探測(cè)效率。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案之一為：制備均勻混合的小球溶液，所述小球的直徑符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)；將小球溶液滴在硅片表面，形成薄膜；將薄膜放入去離子水中，小球在水面上自發(fā)形成有序排列；用提拉法將有序陣列的小球轉(zhuǎn)移到閃爍晶體表面，從而在閃爍晶體表面形成有序排列的聚苯乙烯小球周期結(jié)構(gòu)，形成光子晶體結(jié)構(gòu)。其中，所述制備均勻混合的小球溶液為：采用聚苯乙烯小球與無(wú)水乙醇(化學(xué)純)混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散，形成所述均勻混合的小球溶液?；蛘?，采用小球溶液與無(wú)水乙醇(化學(xué)純)溶液1：1混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散，獲得混合均勻的小球溶液。優(yōu)選地，預(yù)先對(duì)待制備光子晶體的閃爍晶體表面進(jìn)行改善表面親水性的預(yù)處理：用氧等離子體轟擊待制備光子晶體結(jié)構(gòu)的閃爍晶體表面。優(yōu)選地，預(yù)先對(duì)硅片進(jìn)行增加表面活性的預(yù)處理：十二烷基硫酸鈉與去離子水混合配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的溶液，硅片浸沒(méi)于溶液中，浸泡12小時(shí)后取出，清洗并烘干表面。本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案之二為：利用光刻技術(shù)在閃爍晶體光輸出面形成周期性排列的光子晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，預(yù)先對(duì)待制備光子晶體的閃爍晶體表面進(jìn)行改善表面親水性的預(yù)處理：用氧等離子體轟擊待制備光子晶體結(jié)構(gòu)的閃爍晶體表面。上述方案的原理是：閃爍晶體表面的微結(jié)構(gòu)光子晶體，結(jié)構(gòu)尺度為閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)量級(jí)，光子晶體周期性結(jié)構(gòu)的倒格矢可以與閃爍晶體內(nèi)的波矢耦合，使得原本閃爍晶體內(nèi)激發(fā)的光子，傳輸?shù)介W爍晶體光出射面時(shí)，入射角大于全反射臨界角的部分光子進(jìn)入出射光錐，使從閃爍晶體光輸出面出射的光子數(shù)增加。有益效果：本專利技術(shù)采用在晶體表面制備光子晶體的方法提高閃爍晶體光輸出，與傳統(tǒng)提高閃爍晶體光輸出的方法相比，主要有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，首先是能夠在不改變閃爍體構(gòu)型的情況下，真正突破全內(nèi)反射的限制，實(shí)現(xiàn)寬帶光提??；其次是能夠調(diào)控出射光的方向，使可見(jiàn)光沿特定的方向出射；最后是具有較高的實(shí)用性，能夠針對(duì)不同閃爍體，制備最優(yōu)結(jié)構(gòu)的光子晶體。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)在閃爍晶體光輸出面制備微結(jié)構(gòu)光子晶體的示意圖；圖2為圖1的側(cè)視圖；圖3(a)為閃爍晶體發(fā)射的閃爍光在兩種不同介質(zhì)之間的傳播時(shí)的示意圖；圖3(b)為本專利技術(shù)使得原本入射角大于臨界角的部分光子從光輸出面出射的示意圖；其中，1-閃爍晶體，2-光子晶體。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本實(shí)施例以CsI閃爍晶體為例，通過(guò)在CsI閃爍晶體光輸出面制備周期性排列的微結(jié)構(gòu)光子晶體的方法，提高CsI閃爍晶體光輸出。其中，光子晶體微結(jié)構(gòu)尺度符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。閃爍晶體發(fā)射的閃爍光在兩種不同介質(zhì)之間的傳播時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)晶體內(nèi)波矢入射角小于臨界角θc時(shí)，閃爍體發(fā)出的光才能出射到空氣中，如圖3(a)。添加光子晶體后，周期性的微結(jié)構(gòu)在一定條件下可以與晶體內(nèi)的波矢耦合，使得原本入射角大于臨界角的部分光子從光輸出面出射，如圖3(b)，使得閃爍晶體光輸出得到進(jìn)一步的提高。實(shí)施例1本實(shí)施例采用小球溶液實(shí)現(xiàn)光子晶體的制備。具體制備方法為：制備均勻混合的小球溶液，該小球溶液中的小球直徑符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)波長(zhǎng)可以采用百納米尺度介質(zhì)材料，如直徑為幾百納米的聚苯乙烯小球。將小球溶液滴在硅片表面，形成薄膜，將薄膜放入去離子水中，小球在水面上自發(fā)形成有序排列；用提拉法將有序陣列的小球轉(zhuǎn)移到閃爍晶體表面，形成光子晶體結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，包括如下步驟：(1)改善CsI閃爍晶體表面親水性。用氧等離子體轟擊閃爍體表面2分鐘，使表面具有親水性，確保水面上的小球陣列能完整地轉(zhuǎn)移到閃爍體表面。(2)增加硅片表面活性。十二烷基硫酸鈉與去離子水混合配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的溶液，硅片浸沒(méi)于溶液中，浸泡12小時(shí)后取出，清洗并烘干表面。(3)小球溶液配制。采用直徑與閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)盡量相等的聚苯乙烯小球，與無(wú)水乙醇(化學(xué)純)混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散，形成小球溶液?；蛘?，分別取小球溶液與無(wú)水乙醇(化學(xué)純)溶液1：1混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散，使小球混合均勻。(4)形成薄膜。將硅片置于平整的桌面，連續(xù)滴幾滴配制好的小球溶液在硅片表面，小球自由鋪展開(kāi)來(lái)，溶劑揮發(fā)后，形成薄膜。(5)轉(zhuǎn)移薄膜。將覆蓋有薄膜的硅片傾斜放入去離子水中，小球在水面上自發(fā)形成有序排列，之后用提拉法將有序排列的小球轉(zhuǎn)移到閃爍體表面，形成光子晶體。實(shí)施例2本實(shí)施例采用光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子晶體的制備。具體制備方法為：采用激光光刻和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕的方法，利用激光刻畫所需要的圖形于光刻膠上，然后通過(guò)等離子體刻蝕將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到CsI閃爍晶體表面，在CsI晶體表面形成光子晶體。具體來(lái)說(shuō)，包括如下步驟：(1)表面處理。用氧等離子體轟擊CsI晶體表面2分鐘(min)，表面特性從疏水變?yōu)橛H水，增加光刻膠與CsI晶體的粘附程度。(2)甩膠。在CsI晶體表面甩PMMAA4(950k,MicroChem)光刻膠。甩膠轉(zhuǎn)速4000r/min，甩膠時(shí)長(zhǎng)1min。(3)曝光。圖形周期300nm，直徑為168nm。(4)顯影。常溫下，用MIBK:IPA(1:3)顯影45s，無(wú)水乙醇清洗30s，氮?dú)鈽尨蹈杀砻?。后烘溫?00℃，時(shí)長(zhǎng)90s，固化PMMA，增加其抗刻蝕能力。(5)刻蝕。采用CHF3+O2的工藝氣體體系。RF功率200W，電壓607V，刻蝕氣體CHF3，流量45sccm，O2流量5sccm，刻蝕時(shí)間90s。之后用氧等離子體去除殘余的光本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法，其特征在于，在閃爍晶體(1)的光輸出面，制備周期性排列的微結(jié)構(gòu)光子晶體(2)，光子晶體微結(jié)構(gòu)尺度符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種提高無(wú)機(jī)閃爍晶體光輸出的方法，其特征在于，在閃爍晶體(1)的光輸出面，制備周期性排列的微結(jié)構(gòu)光子晶體(2)，光子晶體微結(jié)構(gòu)尺度符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備光子晶體的過(guò)程為：制備均勻混合的小球溶液；其中，小球直徑符合閃爍晶體發(fā)光波長(zhǎng)；將小球溶液滴在硅片表面，形成薄膜；將薄膜放入去離子水中，小球在水面上自發(fā)形成有序排列；用提拉法將有序陣列的小球轉(zhuǎn)移到閃爍晶體表面，形成周期性排列的光子晶體。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述制備均勻混合的小球溶液為：采用聚苯乙烯小球與無(wú)水乙醇(化學(xué)純)混合，將混合溶液進(jìn)行超聲分散，形成所述均勻混合的小球溶液。4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述制備均勻混合的小球溶液為：采用小球溶液與無(wú)水乙醇...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王光毅，薛玉雄，楊生勝，安恒，石紅，張劍鋒，郭興，秦曉剛，王俊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘭州空間技術(shù)物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：甘肅,62