本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件。
背景技术：
塑料薄膜闪烁体在中子测量和x射线测量领域具有重要用途。然而薄膜闪烁体的最大弱点就是其发光效率低下导致的低效率。平面闪烁体的发光没有特定取向，属于满足余弦函数的朗伯发射体，为了避免辐射直接进入光电探测器，闪烁体需要离开探测器一段距离布置于某个特定方向，无法采用常规接触式的耦合方式，导致只有一定立体角内的光可以进入探测器，而大部分光子则被浪费了，降低了光子的利用效率，使得优化的薄膜塑料闪烁体在中子甄别测量中遇到困难。公开号为cn105891870a的专利公开了一种利用周期结构金属阵列产生的表面等离激元获得闪烁体薄膜发光方向性的调控。然而该结构由周期金属整列构成，其表面等离激元模式数量有限，同时由于其金属结构的分离性，所包含的等离激元是局域的特征。因此调控效果较弱，总发射强度有限。
技术实现要素：
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提高表面等离激元与闪烁发光层的耦合效率，提升总发光强度，控制发光方向性的光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件，由衬底、衬底上布置的具有粗糙表面的金属层、金属层上布置的微球阵列层和镶嵌于微球阵列层的闪烁体层构成。
所述具有粗糙表面的金属层为厚度50-80nm的金属银层，表面粗糙度为5-10nm。金属层的结构可以激发出具有传播模式的表面等离激元，该种表面光子结构具有极高的光学模式密度，可以与发光层耦合。物理上，理想平整的金属表面激发出的表面等离激元由于大的光子动量，难以耦合出射，为了增强耦合效率，将金属表面制造出一定粗糙度。塑料闪烁体的发光波长通常位于380-550nm，该波段对应金属银的表面等离激元激发。表面等离激元是一种薄金属-介质界面的元激发，是一种表面模式因此其厚度必须控制在亚波长范围，为了尽可能的降低金属本身对于闪烁发光的自吸收，厚度需要尽可能薄，因此选取50-80nm是合适的。
一定的粗造度是为了提高耦合效率，以便增强出射效率，原理是基于深亚波长尺度的光散射机理。相对于发射波长为400-500nm范围的塑料闪烁体发光，粗糙度选择为发射波长的1/40-1/100较为合适，因此选取5-10nm是合适的粗糙度。
所述衬底为石英玻璃、蓝宝石或单晶硅。
所述微球阵列层为单层六角密堆积构成的二氧化钛微球阵列，二氧化钛微球的折射率为2.5，二氧化钛微球的直径为400-500nm。选取二氧化钛的依据是其具有高的折射率(n＝2.5)，当其与塑料闪烁体(n＝1.59)接触时，具有高的折射率衬度，因此可以提高衍射效率。该层周期结构起到了光子晶体的作用，一方面可以通过与金属层的耦合获得增强的光子态密度模式，另一方面可以通过其光子结构产生发光方向性的调控，获得特定角度远场发射的显著增强。
所述闪烁体层为塑料闪烁体层，高度为3-5μm，该高度即考虑了调控的效果，也考虑了核辐射探测时对厚度的基本要求。
闪烁体层的塑料基质包括聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，还掺杂有发光剂和移波剂。述发光剂包括对联三苯或pbd，所述的移波剂包括popop或bbo。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)可以充分利用表面等离激元和光子晶体的耦合实现光学模式的显著增强，从而获得发光方向性的增强。
(2)本发明涉及的结构材料制备技术成熟，易于制备大面积的样品，可以规模生产，满足核辐射探测的实际需求。
附图说明
图1为光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件的结构示意图；
图2为实施例1中的二氧化钛微球阵列的扫描电镜照片；
图3为实施例1中的样品的反射谱；
图4为在x射线激发下结构性闪烁体在法线方向的发射强度和无结构参考样品的比较。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件，材料参数选取：1mm厚度石英玻璃衬底，金属银厚度50nm，二氧化钛微球直径500nm，塑料闪烁体基质聚苯乙烯，发光剂对联三苯，移波剂popop，发射光谱峰值波长420nm，厚度3μm。制备过程如下：(1)清洗石英玻璃衬底，采用电子束蒸发技术在石英衬底表面制备50nm厚度的银膜。随后将制备好的样品放入惰性气体保护的管式炉中采用200摄氏度的温度退火1小时，获得具有起伏结构的粗糙表面，粗糙度为5nm。(2)将分散于二甲苯溶液中的二氧化钛微球(微球质量占比40％)滴在金属层表面，采用旋涂方法，以600rpm的速度将二氧化钛组装成具有周期结构的微球阵列。如图2所示。(3)将上述成分的塑料闪烁体先溶解在甲苯里(塑料闪烁体的固体含量35％)，在旋涂到微球阵列的表面，旋涂速度1000rpm。获得厚度为3μm。
图3显示的样品的反射谱，在闪烁体发光光谱范围内出现了420、424、436和438nm的反射极小值，这些极小值表明了光子晶体和表面等离激元的耦合模式，正是这样的模式可以用于闪烁体发光的调控。
图4是在x射线激发下结构性闪烁体在法线方向的发射强度和无结构参考样品的比较。结果表明微结构可以显著增强法线方向的发射强度，具有显著方向性调控发射的效果。
实施例2
一种光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件，其结构如图1所示，该闪烁体器件由衬底1、衬底1上布置的具有粗糙表面的金属层2、金属层2上布置的微球阵列层3和镶嵌于微球阵列层3的闪烁体层4构成。
使用的衬底1为蓝宝石，具有粗糙表面的金属层2为厚度50nm的金属银层，表面粗糙度为5nm。微球阵列层3为单层六角密堆积构成的二氧化钛微球阵列，其中的二氧化钛微球的折射率为2.5，直径为400nm。闪烁体层4为塑料闪烁体层，高度为3μm，闪烁体层的塑料基质为聚甲基丙烯酸甲酯，并且还掺杂有发光剂对联三苯和移波剂popop。
实施例3
一种光子晶体和表面等离激元调控的闪烁体器件，其结构如图1所示，该闪烁体器件由衬底1、衬底1上布置的具有粗糙表面的金属层2、金属层2上布置的微球阵列层3和镶嵌于微球阵列层3的闪烁体层4构成。
使用的衬底1为蓝宝石，具有粗糙表面的金属层2为厚度80nm的金属银层，表面粗糙度为10nm。微球阵列层3为单层六角密堆积构成的二氧化钛微球阵列，其中的二氧化钛微球的折射率为2.5，直径为500nm。闪烁体层4为塑料闪烁体层，高度为5μm，闪烁体层的塑料基质为聚苯乙烯，并且还掺杂有发光剂pbd和移波剂bbo。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。