专利名称：一种增强x线防护的光子晶体防护玻璃的制作方法
技术领域：
本发明涉及一维光子晶体技术领域，具体涉及一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃及其制作方法。
背景技术：
在X线医学影像、X线放射治疗领域经常会用到透明防护视窗，国内外玻璃工作者、从事防护的人员极力寻求密度大的材料作为X线防护材料，在玻璃成分中弓I入铅、钡、铋等重金属元素，重金属玻璃已被广泛应用到防辐射领域。曹志峰在《X射线防护玻璃的结构效应》中指出，随铅含量增加，密度增加，重金属玻璃防X线辐射能力的提高受到玻璃结构效应的限制。
发明内容本发明为解决上述技术问题，提供一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃，调整参数使X线波长在设计的复合一维光子晶体的禁带范围内，大大提高了重金属X线防护玻璃的防辐射能力。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃，由重金属X线防护玻璃层和光子晶体层组成，光子晶体层由14层Ge介质层和14层BaF2介质层相互交替叠加构成
(Oe BaF2)JGs J 型复合结构，其中 m=6，n=8, (Ge BaF2) m 表示 m 层 Ge 和 m 层 BaF2
交替叠加构成的复合介质层，其中Ge介质层的厚度为248. 45nm, BaF2介质层的厚度为741. 38nm，该复合介质层设置在光子晶体层的内侧，并与重金属X线防护玻璃层连接；(GeBaF2) ^表示η层Ge和η层BaF2交替叠加构成的复合介质层，其中Ge介质层的厚度为388. 16nm, BaF2介质层的厚度为1068. 48nm,该复合介质层设置在光子晶体层的外侧。本发明的有益效果是I、该复合光子晶体结构对X线波长范围内最高反射率达到100%，平均反射率95%以上，大大降低了对重金属X线防护玻璃防辐射能力的要求。2、在对X线吸收系数很低的低成本重金属X线防护玻璃上镀光子晶体膜便可以达到完全吸收X线的防护效果，降低重金属X线防护玻璃要求。
图I为本发明的结构示意图；图2为本发明的一维光子晶体周期结构；图3为本发明的复合光子晶体X线反射率随波长的变化曲线；图中1、重金属X线防护玻璃层，2、光子晶体层。具体实施方法如图所示，一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃，由重金属X线防护玻璃层I和光子晶体层2组成，光子晶体层2由14层Ge介质层和14层BaF2介质层相互父替置加
构成fGi型复合结构，其中m=6, n=8, (Ge BaF2) m表示m层Ge和m层
BaF2交替叠加构成的复合介质层,其中Ge介质层的厚度为248. 45nm,BaF2介质层的厚度为741. 38nm，该复合介质层设置在光子晶体层2的内侧，并与重金属X线防护玻璃层I连接；(Ge BaF2)n表示η层Ge和η层BaF2交替叠加构成的复合介质层,其中Ge介质层的厚度为388. 16nm, BaF2介质层的厚度为1068. 48nm,该复合介质层设置在光子晶体层2的外侧。一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃的制作方法，步骤一、取一个f36mm的平板形重金属X线防护玻璃，作为基板，将基板双面抛光，立边抛光，四边有工艺倒角，备用；步骤二、将加工好的基板表面进行清洁化处理，采用酸性清洗液和去离子水分别清洗基板，然后将基板置于热板上烘干，温度为65°，时间10分钟；步骤三、将基板放入真空镀膜机，在其一个表面上进行介质材料锗的镀膜，镀膜厚 度为248. 45nm，镀膜后干燥冷却30分钟，然后在基板镀有锗镀膜层的表面进行介质材料氟化钡的镀膜，镀膜厚度为741. 38nm，镀膜后干燥冷却30分钟；步骤四、按照步骤三的方法交替进行锗和氟化钡镀膜，直至镀好m层锗镀膜层和m层氟化钡镀膜层，其中m=6，在基板上形成结构为(Ge BaF2) m的光子晶体复合镀膜层；步骤五、将步骤四镀有(Ge BaF2) m光子晶体复合镀膜层的基板表面上继续进行介质材料锗的镀膜，厚度为388. 16nm，镀膜后干燥冷却30分钟；然后在新镀好的锗镀膜层上再进行介质材料氟化钡的镀膜，镀膜厚度为1068. 48nm，镀膜后干燥冷却30分钟；步骤六、按照重复步骤五的方法交替进行锗和氟化钡镀膜，包括步骤五所镀的锗和氟化钡镀膜层，共分别进行η次锗和氟化钡的镀膜，η=8，镀膜完成后干燥冷却30分钟，即
制成表面设有fGi M丄((k IiP2:型光子晶体结构的光子晶体防护玻璃。所述的fGlBaP2)JGe光子晶体中的 * 号表示(Ge BaF2) m 和(Ge BaF2)n的结构不同、厚度不同。采用DM-450型真空镀膜机，钟罩尺寸Φ 450 mmX540 mm，极限真空^ 6. 5X10-4 Pa,抽气时间真空度达到I. 3X 10-3 Pa时，t彡50 min ;在重金属X线防护玻璃表层镀一维光子晶体的复合结构膜，可以由现代真空离子镀法、真空磁控溅射法、真空蒸发法、化学气相沉淀法、溶胶一凝胶法以及热压技术在重金属X线防护玻璃表层镀膜实现。为实现X线波段的光子晶体高反膜，在选择光子晶体介质材料时，考虑常用镀膜材料的折射率、损耗正切角及透明区间来进行材料选择，选定锗(( )和氟化钡两种种材料作为膜层介质材料，保证光子晶体重镀膜后不影响金属X线防护玻璃的可见光通透性。波长范围跨度很大，在理论计算时必须考虑波长变化对折射率的影响，两种介质材料的折射率随波长变化率分别为锗材料折射率随波长的变化率为<jdi = -0,00230/λ'1-( 的折射率随波长变化的函数关系如式(I)4 = Q + 1012Qj'2 1 " C"j)⑴[0028]其中C1 = 9.18156, =鎌88叫=0.44戰C4 = 0.21307,Q = 3870, I。氟化钡材料折射率随波长的变化率为:4}/ = -0,00910,爾I，折射率随波长变
化的函数关系如公式(2)。^ ~ I+·C1J /)+Cj/I3 / (/I* - O+Q.l* /(I* - Q2)⑵其中C1 = 0J43356, C2 = 0.057789, Q = 0.506762, C4 = 010%i, C5 = 18261;Q = 4638R .^光在光子晶体内的传播可以用麦克斯韦(Maxwell)方程来描述，由Maxwell方程具有波动形式的解推导得到光子晶体中磁场的本征方程(3):
I—W2 —·[0033]V X _ V X H(7)= -T Hf 7)(3)
Φ)Ct由于涉及介质折射率随波长变化的情况，采用传输矩阵法来进行光子晶体中光传输特性研究。将上述材料的折射率随波长变化函数关系代入传输矩阵法，用Matlab编程计算便可以得到一维光子晶体禁带结构。为了实现X线波段的光子晶体高反膜，结构上选择一种复合光子晶体结构。结构为(Ge BaP2JJG^ Itf2I,经过大量数值仿真，确定尤部分对光子晶体各层镀膜的厚度为( 介质层248· 45歷，^aF2介质层741.38應。(Ge BaF11部分对光子晶体各层镀膜的厚度为( 介质层388. 16nm,及介质层1068. 48nm。在膜系材料和膜厚确定之后，周期数m和η的取值是保证高反射率的关键。周期数大反射率高，但是膜层数太多工艺上较为复杂，加工时间长，且容易脱模，所以在满足使用条件的情况下，尽量减少镀膜周期数。在固定光子晶体各层镀膜的厚度下，通过仿真确定最佳的复合光子晶体结构周期数m=6，n=8。仿真得到该结构复合光子晶体的反射率随波长的变化曲线如附图2所示，该复合光子晶体结构对X线波长范围内最高反射率达到100%，平均反射率95%以上。
权利要求1.一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃，其特征在于由重金属X线防护玻璃层(I)和光子晶体层(2)组成,光子晶体层(2)由14层Ge介质层和14层BaF2介质层相互交替叠加构成(Ge BaF2)m (Ge BaF2)n型复合结构,其中m=6,n=8, (Ge BaF2) m表示m层Ge和m层BaF2交替叠加构成的复合介质层,其中Ge介质层的厚度为248. 45nm, BaF2介质层的厚度为741. 38nm,该复合介质层设置在光子晶体层(2)的内侧，并与重金属X线防护玻璃层(I)连接；(Ge BaF2)n表示η层Ge和η层BaF2交替叠加构成的复合介质层,其中Ge介质层的厚度为388. 16nm, BaF2介质层的厚度为1068. 48nm，该复合介质层设置在光子晶体层(2)的外侧。
专利摘要一种增强X线防护的光子晶体防护玻璃，由重金属X线防护玻璃层和光子晶体层组成，光子晶体层由14层Ge介质层和14层BaF2介质层相互交替叠加构成(GeBaF2)m(GeBaF2)n型复合结构，其中m=6，n=8，(GeBaF2)m表示m层Ge和m层BaF2交替叠加构成的复合介质层，调整参数使X线波长在设计的复合一维光子晶体的禁带范围内，大大提高了重金属X线防护玻璃的防辐射能力。
文档编号C03C17/36GK202736509SQ201220228549
公开日2013年2月13日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者李萍, 雷万军, 胡志刚, 乔晓岚, 宋霄薇, 李光大, 赵鹏, 杨超 申请人:河南科技大学