一种用于闪烁探测的导模共振移波器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核辐射探测领域，具体涉及一种闪烁探测系统的导模共振移波器件。
【背景技术】
[0002] 闪烁探测是核辐射探测器中应用范围最广的一种探测方式。闪烁体的发光波长决 定了对探测和荧光传输系统的光谱响应要求。现有一些闪烁体，如Ar、He、Kr、Xe等惰性气 体，在福射激发下其闪烁发光峰值波长主要位于真空紫外波段（105nm到190nm)。由于真空 紫外波段的荧光给探测器提出了特殊的要求，现有的多数光电器件如光电倍增管和半导体 光子器件对真空紫外波段的荧光都不响应。总之，真空紫外波段荧光测量是一件困难的事 情。
[0003] 中国专利CN1318537C公开了一种稀土掺杂钽酸盐透明发光薄膜及其制备方法， 透明薄膜的化学表达式为仏111：!1? ：!)了&04，其中，00〈1，1^ = 6(1、1^，1? = ￡11、113;制备过程中 采用溶胶-凝胶方法，得到发光薄膜，在紫外光或X射线照射下，薄膜发出可见光，实现了移 波，但采用的是平面结构的发光薄膜，没有涉及也无法实现对发光的方向性的调控，而且发 光中心为Eu离子或Tb离子时，发光衰减时间约1毫秒。"AnovelM'-typeLuTa04:Ln3+(Ln =Eu,Tb)transparentscintillatorfilms"，XiaolinLiu,ShiweiChen,MuGu,Mengqiu ffu,ZhicheQiu,BoLiu,ChenNiandShimingHuang,OPTICALMATERIALSEXPRESS Vol. 4,No. 1，p. 172-178,中也公开了Eu3+发光的衰减时间为1. 078毫秒，Tb3+发光的衰减时 间为1. 096毫秒，由此可见，上述系统的时间分辨能力低。
【发明内容】
[0004] 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既具有高的转 换效率和时间分辨能力，又具有高度的光发射方向调控能力，能够提高对紫外等闪烁荧光 的探测效率的具有导模共振结构的移波器件。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种用于闪烁探测的导模共振移波器件，包括基底层和基底层上面布置的发光薄 膜层，还包括布置在发光薄膜层上面的光子晶体层，所述的光子晶体层由排列呈周期阵列 的介质柱构成，介质柱垂直布置于发光薄膜层上表面，介质柱的材料对发光薄膜层发射的 光透明；
[0007] 所述的介质柱排列呈三角构型的周期阵列，该周期阵列的周期的取值范围为 350-430nm，所述的介质柱的直径为周期阵列的周期的0. 45~0. 55倍，介质柱的高度为发 光薄膜层主发光峰对应的真空中的中心波长的0. 4~0. 6倍，依据是波长一半或稍多一些， 这个范围耦合效率就足够了，再高的话没有必要同时增加制备难度。
[0008] 优选地，所述的介质柱的直径为三角构型的周期阵列的周期的0. 5倍，介质柱的 高度为210~250nm。
[0009] 所述的介质柱的材料包括SiN、GaN、Ti02、ZnO、Ta205或A1203。
[0010] 所述的发光薄膜层的折射率大于基底层的折射率。
[0011] 所述的发光薄膜层的厚度介5
之间；其中，A为发光 薄膜层的主发光峰对应的真空中的中心波长，ni为发光薄膜层的折射率，n2为基底层的折 射率。
[0012]所述的发光薄膜层为（Lua9Ceai)2Si05，主发光峰对应的真空中的中心波长为 420nm〇
[0013] 所述的基底层为对真空紫外光透明的材料，包括石英玻璃、LiF晶体、CaF2晶体、 MgF2晶体或BaF晶体。
[0014] 本发明首次采用导模共振移波器件实现移波材料的发光方向调控，并且提高了 系统的时间分辨能力。当发光薄膜层吸收真空紫外光后发射出可见光，选择发光薄膜层 需要高的转换效率，同时具有快的发光衰减，以利于时间分辨的提高，Ce3+离子的发光峰 位于420nm，衰减时间约40ns，远远小于1毫秒，衰减时间短，有利于提高系统的时间分 辨能力，硅酸镥其带隙宽度为6. 8eV，对真空紫外光的吸收强烈，物理化学性质稳定，具有 良好的抗辐照性能，掺杂Ce3+离子的工艺条件成熟，因此（Lua9Ceai)2Si05是个合适的选 择。发光薄膜层的折射率必须大于基底层的折射率，以便在发光层中可以形成导波模式， (Lu^Cea.LSiOs;的折射率为1. 82,大于所述基底层石英玻璃（n= 1. 46)、LiF晶体（n= 1. 38)、0&匕晶体（n= 1. 43)、1^2晶体（n= 1. 38)和8&?2晶体（n= 1. 48)的折射率；发光 薄膜层厚度的选择依据是保证其为单模发光模式，只有当发光薄膜层为单模发光模式时， 才能够利用光子晶体调控使得其发光主要集中在一个方向上，满足单模发射的临界厚度是
，此时发光薄膜层中只有一种TE模式可以存在，当厚度大于此值时将产生多模发 射不利于方向性的调控，为了同时兼顾发光效率，其厚度选择为临界厚度的〇. 9到0. 99倍； 发光薄膜层易于采用旋涂溶胶-凝胶方法制备成膜。覆盖在发光薄膜层上的光子晶体层可 以使单模导波模式的光引导出来，这个过程称之为导模共振，从而实现远场发射，满足关系 _ _C| < + ?其中k//是导波模式的传播波失，G= 2 /a是倒格矢，a是晶格常数，即周期 阵列介质柱的周期，为最近邻的两个介质柱之间的距离。介质柱高度选择的依据是导波模 式形成的衰逝场位于其表面上方大约半个真空中波长的范围，光子晶体布置在这个区域才 可以获得足够的相互作用，但也没有必要过高，过高导致制备上的困难加大，导波模式的光 原先是被束缚在发光层内部，无法出射，当其上布置有光子晶体则会产生导模共振效应，产 生出射，同时出射方向满足特定关系，即〃 这个公式，从因而实现对方向性 的控制。介质柱的直径的选择通常是需要考虑衍射效率，一般情况下柱子的直径是周期阵 列的周期的一半即可，显著的过大或过小都会影响出射效率。三角构型的对称性更高，在方 位角上有更多的光可以满足衍射方程，效率会得到提高，本专利采用三角构型的的光子晶 体周期阵列，具有更好的调控效率。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0016] (1)导模共振结构移波器件可以实现真空紫外闪烁体发光的有效移波，移波后的 发射位于可见区，与光电探测器的响应匹配良好，具有单模模式的发光在光子晶体的作用 下实现导模共振，产生方向性的发射，有利于聚焦，因此提高了收集效率，最终实现探测效 率的提升。
[0017] (2)所选发光薄膜层材料是具有快衰减特性的Ce3+掺杂材料，最大衬度实现了时 间分辨能力的提升。
[0018] (3)该结构物理化学性质稳定，抗辐照性能优良，易于制备，有利于实际应用。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的侧视结构示意图；
[0020] 图2为本发明中光子晶体层的示意图；
[0021] 图3为实施例1中样品的电镜照片；
[0022] 图4为实施例1中样品在远紫外光激发下发光光谱的角度依赖；
[0023]图5为实施例2中样品在远紫外光激发下发光光谱的角度依赖；
[0024] 图中，1为基底层，2为发光薄膜层，3为光子晶体层。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026] 实施例1
[0027]本发明的结构示意图如图1所示，包括基底层1，发光薄膜层2,光子晶体层3,发光 薄膜层2布置在基底层1上面，光子晶体层3布置在发光薄膜层上面，图2为本发明中光子 晶体的结构示意图，其中a为光子晶体层中的三角构型的周期阵列的周期，d为介质柱的直 径。
[0028] 该实施例选取的材料和结构参数如下：选择CaF2晶体为基底层，发光薄膜层是 (Lua9Ceai)2Si05的厚度选择〗
电子晶体周期为430nm，介质柱的直径为 215nm，高度为210nm，介质材料选取SiN〇
[0029] 制备过程如下：⑴选取厚度为2mm，直径为3cm的平整石英基片为基底层，利用超 声清洗获得干净的基片，待镀膜使用。（2)将化学配比剂量的硝酸镥、硝酸亚铈溶解于二甲 基乙醇中，室温超声、搅拌至其完全溶解，呈透明状，再依次加入一定摩尔比例的正硅酸四 乙酯、去离子水、PEG400,每进行下一步时确保溶液完全稳定透明。将混合溶液在室温下搅 拌30分钟至一个小时，搅拌完成后110-150°C油浴两至三个小时，室温下静置3天即可得 到稳定的溶胶。陈化三天后，将溶胶用滴管平铺于擦洗干净的石英基片上，先后用10-30秒 钟800rpm和30-60秒钟1800rpm旋转基片，使溶胶在基片上形成湿膜，最后热处理五到十 分钟左右后放入马弗炉进行空气气氛下的