一种内置型光子晶体闪烁体的制作方法

本发明属于核辐射测量领域，尤其是涉及一种内置型光子晶体闪烁体。

背景技术

闪烁探测系统在核医学成像、高能物理实验、天文物理和宇宙射线探测等领域具有重要的应用，是探测高能射线和粒子的重要方法。核心功能材料是闪烁体，闪烁体的作用是吸收核辐射的能量并将其转换成可见光或近紫外光。闪烁体的性能强烈影响探测系统的探测能力。塑料闪烁体在测量中子和带电粒子方面具有重要应用。然而在实际有一种闪烁体具有较高的折射率，全内反射角导致大量闪烁光子的内陷无法出射，因此虽然很多闪烁体具有高的内量子效率，但由于提取效率低到了外量子效率低下，影响了系统性能的提升。采用光子晶体与闪烁光的耦合实现闪烁体光提取效率的提高是一种重要的解决方案。

中国专利cn104280761a公开了一种表面具有光子晶体结构的闪烁体，该闪烁体可以实现光输出效率的提高。中国专利cn105425266a公开了一种采用压印的方法制备表面具有光子晶体结构闪烁体的方法。然而表面制备光子晶体结构的闪烁体虽然可以提高光输出效率，但也存在三个弊病。其一：表面光子晶体结构有一部分未能与闪烁体接触，导致光子晶体结构单元的衍射效率降低。其二：表面光子晶体结构在使用时存在被破坏的风险，尤其是当闪烁体需要采用光学硅油等材料与光电倍增管耦合时，这样的风险会明显增加。其三：当硅油渗透进入光子晶体结构时，会产生对其光学性质的影响，最终影响整个闪烁体光输出的幅度和光输出的稳定性。

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光输出效率的内置型光子晶体闪烁体。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种内置型光子晶体闪烁体，由闪烁体及镶嵌在所述闪烁体内部的光子晶体层构成，镶嵌在闪烁体内部的光子晶体一方面可以增强衍射效率，实现光提取的最大化。内部光子晶体可以避免和探测器或耦合硅油的直接接触，保证了光子晶体的可靠和整个闪烁体的发光的稳定性。

优选地，光子晶体层位于闪烁体内部的中间位置，位置上下幅度≤闪烁体厚度×10％，光子晶体层位于闪烁体的中部，闪烁光将会在闪烁体内部进行多次反射，多次经过光子晶体层，这样的对称布局有利于光传输的均匀性。

优选地，光子晶体层为具有单层六角密堆积结构，折射率为2.5的二氧化钛微球组成，选取二氧化钛(折射率为2.5)的依据是需要保证尽可能大的折射率衬度，当光子晶体镶嵌在闪烁体内部时，折射率衬度就是二氧化钛折射率和闪烁体折射率的差，这个差值越大，则衍射效率越高，光提取的效率越好。同时又需要该材料在闪烁发光波长没有显著吸收。二氧化钛微球易于采用自组装方法，廉价地大面积地制备样品，有利于实际应用。

更加优选地，二氧化钛微球的直径为250-500nm，直径的选取范围需要与塑料闪烁体的发光波长匹配，塑料闪烁体的发光范围主要集中于380-550nm范围，为了产生有效的衍射效应，并考虑二氧化钛的折射率，250-500nm范围是合适的选择。

优选地，闪烁体为塑料闪烁体，塑料闪烁体掺杂有第一发光物质及第二发光物质，选择塑料闪烁体是因为塑料闪烁体可以采用聚合方法合成，易于与光子晶体结构结合。塑料闪烁体是一种适合于中子和带电粒子测量的闪烁体。

更加优选地，塑料闪烁体的基质包括聚甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，第一发光物质包括对联三苯或pbd，第二发光物质包括popop或bbo。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)该发明将光子晶体与闪烁体结合起来，可以实现光输出效率提高。

2)该结构性闪烁体的光子晶体牢固，稳定性好。

3)易于廉价大面积制备，满足探测系统实际应用。

附图说明

图1为内置型光子晶体闪烁体结构示意图。

图2为实施例1的光子晶体结构扫描电镜图像。

图3为实施例1光子晶体闪烁体和参考样品的x射线激发光谱。

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

制备的光子晶体塑料闪烁体结构如下：整体厚度为10mm，直径30cm。塑料闪烁体的成分为，基质为聚甲基丙烯酸甲酯，第一发光物质pbd，第二发光物质popop。二氧化钛微球直径300nm。

制备过程如下：

1)下部塑料闪烁体的制备

步骤一：甲基丙烯酸甲酯(mma)去除阻聚剂

购买的mma(液体)中含有阻聚剂(对苯二酚)，需采用碱洗的方法除去阻聚剂，具体过程如下：配制100ml浓度为5％的naoh溶液。在一个300ml的梨形分液漏斗中加入30ml的甲基丙烯酸甲酯(mma)，同时加入20ml配制好的naoh溶液充分震荡。静置一段时间后梨形分液漏斗内的液体会分层，下层为深棕色的洗液(naoh与对苯二酚的反应产物),上层为mma，此时打开漏斗下方的阀门放出下层的液体。上述过程重复5次。之后用20ml去离子水加入到上述naoh溶液洗过的mma中，充分震荡，静置分层，放掉下层的水溶液，同时用ph试纸监测水溶液的ph值，重复该过程5-6次，直至下层的水溶液变成中性。将上述去阻聚剂后的mma液体转移至一个烧杯中，加入一定量的无水硫酸镁干燥剂，密封放置在冰箱的冷藏室中干燥一夜。之后用滤纸过滤干燥好的mma，除去其中的无水硫酸镁，并保存在试剂瓶中放置在冰箱的冷冻室中保存待用。

步骤二：聚合制备塑料闪烁体

取mma、pbd、popop、萘、热引发剂(aibn)的质量分数分别为85.48％、4％、0.02％、10％、0.5％，放入特制的直径为30mm的圆柱状玻璃容器，充分震荡摇匀并超声30分钟，得到均一无色透明的溶液。用针管将氩气通入溶液内部以排除溶液中的氧气，之后在90℃下油浴20分钟左右使mma预聚合。之后用水冲洗瓶子使其冷却至室温并放入60℃的干燥箱中3天左右使塑闪缓慢聚合直至完全变硬。最后敲碎玻璃瓶将制备好的块体塑闪取出，切割成厚度为5mm，直径为30mm的圆柱状塑料闪烁体。

2)自组装光子晶体的制备

制备过程如下：采用质量分数为2.5％的直径为300nm的二氧化钛微球溶液制备自组装周期阵列。上述制备好的塑料闪烁体作为基片，将微球溶液滴到基片表面，采用旋涂的方法制备微球阵列，旋涂速度为3000rpm，时间2分钟。旋涂之后的电镜照片如图2所示，结果表明所制备的微球阵列具有很好的六角密堆积的结构。

3)上部塑料闪烁体的制备

将表面附着了光子晶体结构的塑料闪烁体放入特制的直径为30mm的圆柱状玻璃容器，采用1)的同样方法，在光子晶体上面制备塑料闪烁体。最后经过切割抛光成为厚度为10mm，直径为30mm，中间镶嵌有光子晶体层的闪烁体。

同时制备了用于对比实验的无光子晶体结构的塑料闪烁体。

图3展示了x射线激发下，样品的发光光谱，结果表明在整个发光光谱区间，有光子晶体结构的样品的发光被显著增强。

实施例2

一种内置型光子晶体闪烁体，其结构如图1所示，由闪烁体1及镶嵌在闪烁体1内部的光子晶体层2构成，光子晶体层2位于闪烁体内部的中间位置，位置上下幅度≤闪烁体厚度×10％。本实施例中光子晶体层为具有单层六角密堆积结构直径为250nm的二氧化钛微球组成，闪烁体为塑料闪烁体，基质为聚甲基苯乙烯，另外还掺杂有第一发光物质pbd及第二发光物质popop。

实施例3

一种内置型光子晶体闪烁体，其结构如图1所示，由闪烁体1及镶嵌在闪烁体1内部的光子晶体层2构成，光子晶体层2位于闪烁体内部的中间位置，位置上下幅度≤闪烁体厚度×10％。本实施例中光子晶体层为具有单层六角密堆积结构直径为500nm的二氧化钛微球组成，闪烁体为塑料闪烁体，基质为聚甲基丙烯酸甲酯，另外还掺杂有第一发光物质对联三苯及第二发光物质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。