基于表面共振腔结构的定向发射闪烁体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种基于表面共振腔结构的定向发射闪烁体器件，具有高度的发射方向性，因此在射线探测中将显著提高探测效率。
【背景技术】
[0002]闪烁体是一种吸收高能粒子或高能射线并使其转换成可见光的功能材料，闪烁体发射出的可见光，也叫作闪烁光，被后续光电探测装置如光电倍增管、光电二极管和CCD器件接收，从而实现高能粒子或高能射线的探测，闪烁体是闪烁探测系统中的核心部件，闪烁体的发光特性直接决定了探测系统的性能。闪烁探测系统在高能物理实验、核物理实验、核武器实验诊断、核医学成像、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。
[0003]从闪烁体表面发射出来的闪烁光在空间属于满足余弦函数关系的朗伯型分布，SP在空间的各个方向均匀发射，没有特定的取向。然而这种空间分布的发射特征不利于探测效率的提高，这是因为在实际的探测系统中光电探测器往往距离闪烁体一定距离，只有一个特定立体角内的闪烁光能够进入探测器，而没有进入探测器中的闪烁光则被浪费，大大限制了探测系统效率的提升。
[0004]中国专利CN104035121A公开了一种高度定向发射的平面微腔闪烁体器件，薄膜闪烁体层介于两个布拉格反射镜之间，该方法可以产生定向发射的效果，然而该结构中的闪烁体层只能是厚度为几百纳米到几微米的薄膜，当厚度继续增加时会导致平面微腔调控效果的失效。在一些闪烁探测系统中，为了实现对高能粒子或高能射线有足够的阻止能力，必须使用厚度为毫米或厘米数量级的闪烁体块体材料，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】
[0005]本发明的目的就是为了解决具有宏观厚度的块体闪烁体发光空间分布缺乏取向性的问题，提供了一种基于表面共振腔结构的定向发射闪烁体器件，实现闪烁光发射空间方向性的提高。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]基于表面共振腔结构的定向发射闪烁体器件，包括
[0008]闪烁体，
[0009]布置在闪烁体出光面的平面共振腔，
[0010]布置在闪烁体其余表面的反射涂层，
[0011]所述的平面共振腔包括自下而上依次设置的底部布拉格反射镜、中间层和顶部布拉格反射镜，平面共振腔的共振透射波长与闪烁体发射波长峰值匹配。
[0012]所述的底部布拉格反射镜和顶部布拉格反射镜均由若干对具有高低折射率的两种透明介质材料交替构成，底部布拉格反射镜的对数大于顶部布拉格反射镜的对数，每层介质材料的厚度为λ/4η，其中λ是闪烁体发光的中心波长，η是对应透明介质材料的折射率，底部布拉格反射镜的反射率高于顶部布拉格反射镜的反射率。
[0013]所述的中间层为布拉格反射镜中的高折射率透明介质材料或低折射率透明介质材料，中间层的厚度为m λ /2n，m为介于I和3之间的整数。
[0014]所述的高折射率透明介质材料选自Ti02、SiN或Ta2O5中的一种，所述的低折射率透明介质材料选自Si02、MgF；^ CaF 2中的一种。
[0015]所述的平面共振腔采用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发技术制备。
[0016]所述的闪烁体为具有毫米或厘米尺寸的块体。
[0017]所述的闪烁体选自塑料闪烁体、玻璃闪烁体、ZnO闪烁体、Lu2S15 = Ce闪烁体、(Lu, Y) 2Si05:Ce 闪烁体、Bi4Ge3OjXI烁体、Y 3Al5012:Ce 闪烁体、Cs1: Tl 闪烁体、Na1: Tl 闪烁体或PbWO4闪烁体中的一种。
[0018]所述的反射涂层为漫反射涂层或镜面反射涂层。
[0019]所述的漫反射涂层采用的材料为MgO、BaSO4S聚四氟乙烯中的一种，采用常规喷涂技术制备。
[0020]所述的镜面反射涂层根据闪烁体发射波长选择银膜、铝膜或金膜，采用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发镀膜技术制备。
[0021]控制发光沿着法线方向附近。原理如下:平面共振腔结构对于其共振波长处的透射具有空间选择性，即沿着其法线方向附近的光可以被透射，而其它方向的光则被共振腔结构反射回闪烁体内部，这样虽然闪烁体中初始发光沿着各个方向，但是只有沿着法线方向的光可以透射。再由于对闪烁体其它5个面制备了反射涂层，那些被共振腔结构反射回闪烁体内部的光则通过反射涂层的一次反射或多次反射，直到其传播方向沿着法线方向附近时，从而透过共振腔结构产生出射，最终的效果是所有闪烁光都沿着法线方向附近出射。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0023]1、该方法中涉及的结构适用于各种尺寸和厚度的闪烁体，对于那些必须采用厚闪烁体的应用场合具有重要的实用价值。
[0024]2、该种发光方向性高度集中的闪烁体器件将大大提高光电探测器的收集效率，从而大幅提升闪烁探测系统的探测效率、灵敏度和信噪比，在辐射探测、射线成像、核医学和空间探测等领域具有非常重要的应用价值。
【附图说明】
[0025]图1为为表面共振腔结构的闪烁体器件的截面示意图。
[0026]图2为实施例1中共振腔的结构示意图。
[0027]图3为实施例1中制备完共振腔结构后的闪烁体器件法线方向的透射谱。
[0028]图4为实施例1中具有光子共振腔结构的闪烁体器件角度依赖的透射谱。
[0029]图5为实施例1的X射线激发下具有共振腔结构的闪烁体与参考样品的发光角分布图。
[0030]图6为实施例2中具有光子共振腔结构的闪烁体器件角度依赖的透射谱。
[0031]图7为实施例2的X射线激发下具有共振腔结构的闪烁体与参考样品的发光角分布图。
[0032]图中，1-闪烁体，2-共振腔，200-中间层，201-顶部布拉格反射镜，202-底部布拉格反射镜，210-Si02、220-Ta205、3-反射涂层。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0034]实施例1:
[0035]本例采用的闪烁体为北京核仪器厂生产的ST401型塑料闪烁体，其闪烁发光的中心波长为410nm，选取的闪烁体尺寸为2x2x2cm3。反射涂层采用聚四氟乙烯。表面共振腔结构如图2所示，选取S12S低折射率材料，选取Ta 205为高折射率材料，其中顶部反射镜201由三对S12 210和Ta2O5 220周期交替结构构成，底部反射镜202由四对S12 210和Ta2O5 220周期交替结构构成，中间层由S12 200构成。制备过程如下:切割并抛光塑料闪烁体成上述尺寸，采用电子束蒸发技术制备共振腔结，所用设备为温州市佳能真空电镀设备科技有限公司生产的型号为JN-GLD-1200的真空镀膜机。实验中获得的S1jP Ta 205的折射率分别为1.46和2.30，因此构成布拉格反射镜所对应的S12 210, Ta2O5 220的物理厚度λ/4η分别为70.21nm和44.56nm，中间层Si02200的物理厚度πιλ/2η为140.42nm(这里m值取I)。真空室的真空度为5\10午&，沉积速率为0.511111/8。在闪烁体表面制备完共振腔结构样品法线方向的透射谱，如图3所示，其透射峰值位于410nm，表明制备的共振腔结