一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置的制作方法

本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置。

背景技术

闪烁探测器在高能物理实验、核物理实验、核医学成像等领域具有重要用途。闪烁体的光输出制约着探测系统性能的提升。为了提高闪烁体的光输出，光子晶体被用于光提取，中国专利cn104280761a公开了一种通过光子晶体与闪烁体内部发光的耦合，部分打破内全反射的限制，实现最大限度的光输出提高的方法。

通常光子晶体布置在闪烁体的出光面，出光面即与光电探测器(如光电倍增管、光电二极管、ccd器件)接触的面。为了尽可能多的收集闪烁光子，其它几个面通常包覆有反射层，这样光子只能在出光面出射，发射到其它面的闪烁光子经过若干次的反射最终也会通过出光面出射。然而这样的布局存在两个显著的问题。由于光子在闪烁内的多次反射，将产生光子的时间弥散，时间弥散指的是一簇光子在出射时由于所走过的有效光程的不同导致的时间差异。闪烁光子的时间弥散特征将导致探测系统的时间分辨率下降，在基于符合时间测量为基础的tof-pet系统中具有显著的危害。另一个问题是闪烁光子在其它几个面的多次反射导致的有效光程延长会引起额外的自吸收，从而导致闪烁光子的损失，降低探测系统的统计学性能。因此获得闪烁光子更快地出射成为提高基于光子晶体闪烁体探测系统进一步提高系统时间分辨率和探测效率的重要要求。

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基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置，包括：

闪烁体，

设置在闪烁体出光面的光子晶体，

与光子晶体耦合的探测器，

与探测器匹配连接的电子系统。

所述闪烁体设有数个出光面，其余面为非出光面。

作为优选的实施方式，出光面设有两个，位于闪烁体对应两侧的端面，采用相对应的两个面作为出光面效果更好，也具有更好的布局特性。

所述非出光面为抛光的平面或曲面结构，或者采用反射层包覆，通过布置反射层，以提高收集效率，也可以不布置反射层而保持抛光特性，虽然降低了光子的收集效率，但可以最大限度的降低时间弥散特性。可以根据实际应用加以权衡。

所述闪烁体的形状为圆柱体、立方体或长方体，采用两端耦合的方式，可以尽可能快地收集经过光子晶体耦合出的闪烁光子，降低光子的时间弥散提高时间分辨率并提高效率。

所述闪烁体可以采用常用的闪烁体，例如可以包括lyso:ce、lso:ce、nai:tl、csi:tl、csi:na、pbwo4、baf2、cef3、yag:ce、bgo、塑料闪烁体、玻璃闪烁体。

所述光子晶体参数需要满足光提取条件，另外设置在两个出光面上的光子晶体的参数可以相同，也可以不同，形成六角周期结构或者正方结构。构成光子晶体的单元是透明介质材料形成的微球、柱状体、锥状体、圆台体，或是其反式结构(即平板透明介质层中的空气微球、柱状体、锥状体、圆台体)。周期范围(0.6-1.5)λ，λ是闪烁体发光光谱的中心波长。透明介质材料的折射率范围1.4-2.5。某个特定的光子晶体的结构参数选取需要通过事先的模拟获得，必须体现出光提取效果。

所述探测器为光电探测器，例如可以选自光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管或ccd探测器中的一种。

所述电子系统采用的是与上述探测器相匹配的电子学系统，采用上述结构的探测器，采用上述结构为探测器单元的探测器阵列，主要应用领域：伽马射线能谱仪，核医学成像系统ct、pet或spect，基于飞行时间原理的具有符合时间分辨的探测系统。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明可以降低闪烁光出射的时间弥散特性，提高时间分辨率，如果只有一面的光子晶体，则有些光子需要通过其它几个面的反射才能够有效收集光子，这将增加有效光程，需要更多时间才能够达到出射面，从宏观统计上看，整体光子将在较长的时间范围内先后出射，导致了时间弥散。而采用两面光子晶体结构则可以使得光子更易出射，降低平均反射次数和相应光程，减小时间弥散。

2、对于有自吸收的闪烁体，可以提取出更多的闪烁光子，并提高探测效率，自吸收的程度受到有效光程的影响，有效光程越长则自吸收约严重，双面光子晶体结构可以减少内部反射次数和光程，从而降低自吸收，从而提高探测效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例1的表面具有光子晶体的闪烁体与参考样品的透射率随角度变化的数值模拟；

图3为实施例1中x射线激发下的发光强度比较；

图4为实施例1的时间分辨率测量结果。

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。

一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置，其结构如图1所示，包括闪烁体1，设置在闪烁体1出光面的光子晶体21以及光子晶体22，与上述光子晶体相耦合的探测器31和探测器32，以及与上述探测器相匹配连接的电子系统4。

其中，闪烁体1的形状为圆柱体、立方体或长方体，闪烁体1设有数个出光面，其余面为非出光面。作为优选的实施方式，如图1所示，出光面设有两个，位于闪烁体对应两侧的端面，采用相对应的两个面作为出光面效果更好，也具有更好的布局特性。采用两端耦合的方式，可以尽可能快地收集经过光子晶体耦合出的闪烁光子，降低光子的时间弥散提高时间分辨率并提高效率。除了上述两个出光面外，其余面为非出光面。非出光面为抛光的平面或曲面结构，或者采用反射层包覆，通过布置反射层，以提高收集效率，也可以不布置反射层而保持抛光特性，虽然降低了光子的收集效率，但可以最大限度的降低时间弥散特性。可以根据实际应用加以权衡。闪烁体可以采用常用的闪烁体，例如可以包括lyso:ce、lso:ce、nai:tl、csi:tl、csi:na、pbwo4、baf2、cef3、yag:ce、bgo、塑料闪烁体、玻璃闪烁体。

光子晶体参数需要满足光提取条件，另外设置在两个出光面上的光子晶体21和光子晶体22的参数可以相同，也可以不同，光子晶体21和光子晶体22可以形成六角周期结构或者正方结构。构成光子晶体的单元是透明介质材料形成的微球、柱状体、锥状体、圆台体，或是其反式结构(即平板透明介质层中的空气微球、柱状体、锥状体、圆台体)。周期范围(0.6-1.5)λ，λ是闪烁体发光光谱的中心波长。透明介质材料的折射率范围1.4-2.5。某个特定的光子晶体的结构参数选取需要通过事先的模拟获得，必须体现出光提取效果。

使用的探测器31和探测器32为光电探测器，例如可以选自光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管或ccd探测器中的一种。电子系统4采用的是与上述探测器相匹配的电子学系统，采用上述结构的探测器，采用上述结构为探测器单元的探测器阵列，主要应用领域：伽马射线能谱仪，核医学成像系统ct、pet或spect，基于飞行时间原理的具有符合时间分辨的探测系统。

以下是更加具体的实施方式。

实施例1：

该实施例中采用的晶体为lyso闪烁体，闪烁体为圆柱体，直径50mm，长度50mm。晶体两端的光子晶体由具有柱状固化光刻胶构成，结构参数为周期600nm，高度300nm，柱子直径300nm。图2显示的是内部发光后，从界面出射的透射率随角度依赖的数值模拟。结果表明当闪烁体表面具有光子晶体时，大于全反射角的光可以出射，该结构具有显著的光提取效果。采用压印技术在闪烁体两端制备上述光子晶体结构。将具有光子晶体的闪烁体与两个光电倍增管(型号etl9813qb)耦合。图3是x射线激发下发光强度与单面闪烁体与单个光电倍增管耦合的结果。该结果表面双面光子晶体与两个光电倍增耦合的效果非常显著，增强达到了2.5倍。

实施例2：

该实施例演示采用时间符合测量技术获得的时间分辨率的提高。采用的晶体为lyso：ce闪烁体，闪烁体是相同的两块，闪烁体为圆柱体，直径50mm，长度50mm。晶体两端的光子晶体由具有柱状固化光刻胶构成，结构参数为周期600nm，高度300nm，柱子直径300nm。采用压印技术在闪烁体两端制备上述光子晶体结构。将具有光子晶体的闪烁体分别与两个光电倍增管(型号etl9813qb)耦合。

时间符合测量采用的放射源是60co，其自发辐射产生两个伽马光子，能量分别为1.173mev和1.332mev。光电倍增管偏压-1800v。光电倍增管输出被tektronixtds7404型示波器采集，其带宽4ghz，计数率10gs/s。只有两个小于10ns的波前同时出现才被记录。信号被电脑gpib界面采集。图4是时间分辨率测量的结果，时间分辨率可达400ps。通常采用单面光子晶体和单个光电倍增管单元的探测系统，时间分辨率为500ps。因此时间分辨率能量增强了20％。

实施例3：

一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置，包括：

闪烁体，设置在闪烁体出光面的光子晶体，与光子晶体耦合的探测器，以及与探测器匹配连接的电子系统。采用的闪烁体为无机闪烁体yag:ce，形状为立方体，闪烁体设有数个出光面，其余面为非出光面，非出光面为抛光的平面结构。光子晶体参数需要满足光提取条件，另外设置在各出光面上的光子晶体的参数相同，均形成六角周期结构，构成光子晶体的单元是透明介质材料形成的微球，周期范围(0.6-1.5)λ，λ是闪烁体发光光谱的中心波长。透明介质材料的折射率范围1.4-2.5。某个特定的光子晶体的结构参数选取需要通过事先的模拟获得，必须体现出光提取效果。探测器为光电探测器，本实施例中采用的是光电二极管，电子系统采用的是与上述探测器相匹配的电子学系统，采用上述结构的探测器，采用上述结构为探测器单元的探测器阵列，可以在伽马射线能谱仪，核医学成像系统ct、pet或spect，基于飞行时间原理的具有符合时间分辨的探测系统等领域中使用。

实施例4：

一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置，包括：

闪烁体，设置在闪烁体出光面的光子晶体，与光子晶体耦合的探测器，以及与探测器匹配连接的电子系统。采用的闪烁体为塑料闪烁体，形状为长方体，闪烁体设有数个出光面，其余面为非出光面，非出光面采用反射层包覆。光子晶体参数需要满足光提取条件，另外设置在各出光面上的光子晶体的参数不同，分别形成六角周期结构、正方结构等，构成光子晶体的单元是透明介质材料形成的圆台体，周期范围(0.6-1.5)λ，λ是闪烁体发光光谱的中心波长。透明介质材料的折射率范围1.4-2.5。某个特定的光子晶体的结构参数选取需要通过事先的模拟获得，必须体现出光提取效果。探测器为光电探测器，本实施例中采用的是ccd探测器，电子系统采用的是与上述探测器相匹配的电子学系统，采用上述结构的探测器，采用上述结构为探测器单元的探测器阵列，可以在伽马射线能谱仪，核医学成像系统ct、pet或spect，基于飞行时间原理的具有符合时间分辨的探测系统等领域中使用。

实施例5：

一种基于光子晶体闪烁体的核辐射探测装置，包括：

闪烁体，设置在闪烁体出光面的光子晶体，与光子晶体耦合的探测器，以及与探测器匹配连接的电子系统。采用的闪烁体为塑料闪烁体，形状为圆柱体，闪烁体设有两个出光面，位于两侧的端面，其余面为非出光面，为抛光的曲面结构。光子晶体参数需要满足光提取条件，另外设置在各出光面上的光子晶体的参数不同，分别形成六角周期结构、正方结构等，构成光子晶体的单元是透明介质材料的反式结构，即平板透明介质层中的柱状体，周期范围(0.6-1.5)λ，λ是闪烁体发光光谱的中心波长。透明介质材料的折射率范围1.4-2.5。某个特定的光子晶体的结构参数选取需要通过事先的模拟获得，必须体现出光提取效果。探测器为光电探测器，本实施例中采用的是光电倍增管，电子系统采用的是与上述探测器相匹配的电子学系统，采用上述结构的探测器，采用上述结构为探测器单元的探测器阵列，可以在伽马射线能谱仪，核医学成像系统ct、pet或spect，基于飞行时间原理的具有符合时间分辨的探测系统等领域中使用。

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。