一种智能固定的光子晶体制备方法与辐射成像系统与流程

本发明涉及电子信息领域，特别是涉及一种智能固定的光子晶体制备方法与辐射成像系统。

背景技术：

辐射成像探测器应用原理就是对核辐射在气体、液体乃至固体中引发的电离效应、发光现象或是化学反应等多种变化进行探测成像。至今为止，世界上应用核辐射探测器种类较多，其工作原理也有着一定的差异性。现如今的核辐射探测器在医学方面的发展进程与核探测技术的发展水平是趋于一致的，都经历了探测、计数以及成像的发展历程，如pet。

光子晶体是上述辐射成像探测器不可或缺的一部分。目前，钙钛矿材料由于其许多优异的属性，例如可调的直接带隙、高光学吸收系数、高的载流子迁移率和寿命，使其成为一种新型的辐射成像晶体材料。但现有技术中采用提拉法对其进行制备，操作复杂，成本较高。现有技术中，利用光子晶体制备晶体模块时需要用到光学胶水，会导致缝隙宽度大，输出效率低，图像重建质量低等缺点，还会增加以光子晶体构成的辐射成像系统的成本。

因此，针对以上提到的光子晶体制备方法和辐射成像系统中存在的问题有必要对现有光子晶体制备方法和辐射成像系统予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种智能固定的光子晶体的制备方法。

本发明的第二目的是提供一种智能固定的光子晶体辐射成像系统。

为了实现上述的第一目的，本发明提供的一种光子晶体的制备方法，具体步骤包括：

s1:用油浴加热法生长出大尺寸光子晶体粗料；

s2:通过切割、研磨、抛光得到厚度范围为10mm-20mm，长度和宽度范围皆为1mm-6mm的固体晶体条；

s3:使用步骤s2得到的固体晶体条通过切割不同的槽口得到a晶体和b晶体；

s4:对步骤s3得到的a晶体和b晶体进行研磨和抛光；

s5:将步骤s4制备的1个a晶体和步骤s2制备2个b晶体按照不同槽口的对应拼装成一个光子晶体。

所述步骤s1中晶体为mnx3钙钛矿纳米材料，其中，m是一价阳离子，包括但不限于cs⁺、ma⁺、fa⁺，n是二价阳离子，包括但不限于pb²⁺、sn²⁺、ge²⁺,x是卤素离子,具体为cl^-、br^-、i^-。

优选地，晶体为cspbx3全无机卤素钙钛矿型晶体；

更为优选地，晶体为cspbbr3。

a晶体和b晶体所用材料为mnx3钙钛矿纳米材料(x＝cl,br,i)，之所以采用该晶体作为光子晶体的材料，是因为其拥有杰出的光电性质和接近无机闪烁晶体能量分辨率的极限值等优异的闪烁性能。

所述步骤s1中油浴加热法的具体步骤包括：

a.取溶剂置于聚四氟乙烯烧杯中，加入摩尔比为1:1的mx和nx2，搅拌均匀；

b.将聚四氟乙烯烧杯放入加热至溶剂挥发温度的油浴锅中；

c.待烧杯内溶剂挥发后，得到晶体粗料。

所述溶剂为二甲基亚砜(dmso)、n-甲基吡咯烷酮中的任一一种。

所述步骤s3中a晶体具体为：晶体上设有两个槽口2101和2102，所述两个槽口对长度中心对称，所述2101槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述2102槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。

所述步骤s3中b晶体具体为：晶体上设有有两个槽口2201和(2202)，所述两个槽口对长度中心对称，所述2201槽口长度为1个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，所述2202槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。

所述步骤s5中光子晶体由a、b晶体通过榫卯结构拼接制得。

榫卯结构，起源于古代中国建筑，是中国古代民族传统的土木建筑固定结合方式，这种结构可节省钉子和绳子，同时也无需胶水和各种粘合剂，只通过将形状和内部构造成特定结构就能让各种建筑材料紧密的联系在一起。在制造闪烁晶体中引入榫卯结构，将闪烁晶体制成形状各不相同的特定形状，然后通过一定的拼装顺序将各个闪烁晶体固定起来形成闪烁晶体模块，这样可降低闪烁晶体模块成本和系统复杂性。

为了实现上述的第二目的，本发明提供的一种智能固定的光子晶体辐射成像系统，由动床模块100、光子晶体模块200、光电转换模块300、信号获取模块400和数据成像模块500连接构成；

所述动床模块包括电机控制模块110、直流电机模块120、固定床模块130；所述动床模块130，由直流电机模块，电机控制模块和固定床模块组成，其中电机控制模块通过电路控制直流电机模块，直流电机模块为固定床模块提供动力，固定床模块将被测物体固体；

所述光子晶体模块由上文中制备的光子晶体构成；

所述信号获取模块包括adc模块410、tdc模块420；

所述数据成像模块包括udp信息解析模块510、信息预处理模块520、重建模块530。

所述固定床模块130由承载架和约束带组成，所述承载架由酚醛树脂板制成，长度范围为10-50cm，宽度为5-10cm，高度为5-10cm，所述约束带宽度范围为2-5cm。

所述adc模块410包括adc时钟信号模块411、时间采样模块412和电压阈值模块413。

adc时钟信号模块为时间采样模块提供时钟信号，时间采样模块控制电压阈值模块的采样间隔，电压阈值模块将模拟信号进行电压阈值实现能量拟合。

所述tdc模块420包括tdc时钟信号模块421、计时模块422和时间计算模块423。

tdc时钟信号模块为计时模块提供时钟信号，计时模块负责将电信号的上升沿时间进行计时，时间计算模块负责将计时模块中的延时时间计算出来以减少时间误差。

相比现有技术，本发明的有益效果在于:

本发明通过油浴加热法制备的光子晶体具有高的光电响应率、检测率和外量子效率，同时与需要众多昂贵器材，操作复杂的提拉法相比，油浴加热法工艺简单，成本低，只需普通加热台和硅油，易于大批量成长。

本发明中光子晶体模块中的晶体进行组合时不需要光学胶水等粘合剂，因为晶体形状不是方形晶体条，而是制成榫卯结构，这样制成的光子晶体模块不仅节省了光学胶水等粘合剂的使用，节约了系统制作成本，而且减小了晶体条与晶体条之间的缝隙宽度，相对的增大了吸收光子的面积，从而增加了光子吸收的个数，提高了闪烁体光输出效率，提高了图像重建的质量。

本发明制备的辐射成像系统中运用到的动床模块在以往的固定床模块的基础上增加了电机和控制器，使得辐射成像系统能够更为灵活的控制被测物体进行各个角度的检测。同时，能够更好的固定小动物位置，在对有危险的小动物进行检测时也更为安全。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种智能固定的光子晶体辐射成像系统结构示意图

图2是本发明实施例提供的一种智能固定的光子晶体辐射成像系统的信息传递示意图，其中c、d为操纵杆

图3是本发明实施例中制备的光子晶体中a晶体的结构示意图

图4是本发明实施例中制备的光子晶体中b晶体的结构示意图

图5是本发明实施例中制备的光子晶体的结构示意图

图6是本发明实施例1制备的cspbbr3xrd图谱

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，一种智能固定的光子晶体辐射成像系统由五部分构成，其中，

第一部分为动床模块100，所述动床模块100作用是有效的，人为的在辐射成像系统的感兴趣区域(fov)内移动被测物体身体，并能有效的使被测物体固定不逃出，其包括电机控制模块110、直流电机模块120和固定床模块130，如图2所示，电机控制模块110位于辐射成像机器的外壁，上有控制电机的电源的开关键，实验人员通过开关键控制直流电机模块120的启动和停止；直流电机模块120和固定床模块130位于辐射成像机器的内部中心位置，其中直流电机模块120负责将电压为220v的电能转化为机械能，为固定床模块130提供动力，直流电机模块120上有操纵杆c和d，如图2，操纵杆c和d具有伸缩和前后左右移动的功能，材质为酚醛树脂，长度皆为5～10cm，通过分别控制操纵杆c和d的上下左右前后的移动，从而使连接在操纵杆c和d上的固定床模块130也实现上下左右前后的移动。所述固定床模块130包括承载架和约束带两部分，其中承载架由酚醛树脂板制成，长度范围为5-15cm，宽度为5-10cm,高度为5-10cm，用于放置被测物体，约束带宽度范围为2-5cm，长度为10-30cm，用于将被测物体固定，防止被测物体在辐射成像过程中从承载架上掉下来。

第二部分为光子晶体模块200，所述光子晶体模块200作用是吸收被测物体体内发射出的高能光子，如图5所示，其包括a晶体210和b晶体220，具体来说一个光子晶体模块需要1个a晶体和2个b晶体构成。其中a晶体如图3所示，厚度范围为10mm-20mm,其长度和宽度范围皆为1mm-6mm的固体晶体条上有两个槽口2101和2102，所述两个槽口对长度中心对称，所述2101槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述2102槽口在旋转90度的面上，所述2102槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度，a晶体和b晶体所用材料为cspbx3(x＝cl,br,i)，之所以采用cspbx3全无机卤素钙钛矿型晶体作为光子晶体的材料，是因为该晶体拥有杰出的光电性质和接近无机闪烁晶体能量分辨率的极限值等优异的闪烁性能。所述b晶体如图4所示，厚度范围为10mm-20mm,其长度和宽度范围皆为1mm-6mm的固体晶体条上有两个槽口2201和2202，所述两个槽口对长度中心对称，所述2201槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为1个横断面长度，槽深为1个横断面长度，所述2202槽口在旋转90度的面上，所述2202槽口长度为0.5个横断面长度，槽口宽度为0.5个横断面长度，槽深为0.5个横断面长度。

第三部分为光电转换模块300，该模块的作用是将光子晶体200发射出的可见光子吸收进行光电转换，转换成光电子，为后续的模电转换和图像重建做准备，因为我们图像重建要的信号是电信号，我们不能直接从光信号中得到我们所要的信息。进行光电转换的装置在本发明中用的是位置灵敏光电倍增管ps-pmt，由位置灵敏光电倍增管ps-pmt构成的探测器不但有很高的空间分辨率(1.2mm)，而且有非常好的时间分辨率(小于1ns)。位置灵敏光电倍增管ps-pmt的工作原理是如图2所示，通过光电阴极，多个倍增极和光电阳极实现，每个倍增极上的电压是依次递增的。在本实施例中，当可见光照射到光电阴极时，会产生一次电子发射，这些发射的光电子在真空管中被电场加速而到达第一个倍增极上时，每个光子将引起4～5个二次电子的发射，又被加速到下一个倍增极，在该极又引起更多的电子发射，如此继续下去。大部分光电倍增管都有9个倍增极，当这一过程被重复9次后，最初的每个电子将产生106～107个电子。最后，这些电子全被光电阳极收集，产生光电流达到检测光信号的目的。通过光电倍增管的作用，使检测到的微弱光照度转变成一定强度的电流信号。

第四部分为信息获取模块400，该模块的作用是将光电转换模块300转换出的模拟电流信号进行模数转换和时钟控制，得到电信号中的时间信号和能量信号。其包括adc模块410和tdc模块420，而adc模块410又包括adc时钟信号模块411，时间采样模块412和电压阈值模块413，其中adc时钟信号模块411为时间采样模块412提供时钟信号，时间采样模块412控制电压阈值模块413的采样间隔，电压阈值模块413将模拟信号进行电压阈值实现能量拟合得到能量信息；tdc模块420包括tdc时钟信号模块421，计时模块422和时间计算模块423，其中tdc时钟信号模块421为计时模块422提供时钟信号，计时模块422负责将电信号的上升沿时间进行计时，时间计算模块423负责将计时模块422中的延时时间计算出来以减少时间误差并得到时间信息和udp包。

第五部分为数据成像模块500，其作用为利用信息获取模块400传出的时间和能量信号进行图像重建。其包括udp信息解析模块510，信息预处理模块520和重建模块530。所述udp信息解析模块510是将上述信息获取模块400输出的udp包中的时间，能量和位置信息进行提取，提取出的三种信息经过信息预处理模块520，该模块将提取的信息进行滤波放大，这样三种信息才能进入重建模块530进行图像重建。

实施例1

一种智能固定的光子晶体的制备方法，具体步骤包括：

s1:用油浴加热法生长出大尺寸光子晶体粗料；

s2:通过切割、研磨、抛光得到厚度范围为10mm-20mm，长度和宽度范围皆为1mm-6mm的固体晶体条；

s3:使用步骤s2得到的固体晶体条通过切割不同的槽口得到a晶体和b晶体；

s4:对步骤s3得到的a晶体和b晶体进行研磨和抛光；

s5:将步骤s4制备的1个a晶体和步骤s2制备2个b晶体按照不同槽口的对应拼装成一个光子晶体。

其中，油浴加热法的具体步骤为：

a.用油浴锅盛4/5锅的二甲基硅油放加热台上加热到190℃；

b.拿清洗过的量筒量取二甲基亚砜(dmso)倒入到聚四氟乙烯烧杯(作为溶剂；

c.用电子秤分别秤溴化铯(csbr)和溴化铅(pbbr2)(倒入上述聚四氟乙烯烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀；

d.将上述配置好的溶液烧杯固定在铁架台上，然后让聚四氟乙烯烧杯的尽可能的放入加热硅油中，要求聚四氟乙烯烧杯中的溶液最上面低于油浴锅中的硅油最上面；

e.待烧杯中的溶剂挥发后，得晶体。

其中，步骤s5中a晶体如图3所示，b晶体如图4所示，a晶体和b晶体通过榫卯结构拼接成如图5所示的光子晶体。

一种智能固定的光子晶体辐射成像系统，其中光子晶体模块由上述制备的多个光子晶体构成，如图2所示，由36个光子晶体组成的6×6光子晶体阵列中有一个6×6的网格，该网格由5×5的石英玻璃条组成，所述石英玻璃条的长和宽的范围为6×36mm，厚度范围为0.5×1mm，在封装所述6×6光子晶体阵列时，阵列的五面用铝箔包好，第六面则用石英玻璃封装好并与光电转换模块连接。其中，处理数据的参数为：

模块100中采用的直流电机电压为220v，操纵杆c和d长度为5cm，固定床尺寸为10cm×5cm×5cm；

模块200中采用的光子晶体中的a晶体和b晶体的长度和宽度都为1mm，厚度为10mm；

模块300中采用的光电倍增管为位置灵敏光电倍增管ps-pmt；

模块500中采用的重建算法为滤波反投影(fbp)算法；

实施例2

其中，处理数据的参数：

模块100中采用的直流电机电压为220v，操纵杆c和d长度为7cm，固定床尺寸为12cm×7cm×7cm；

模块200中采用的光子晶体中的a晶体和b晶体的长度和宽度都为3mm，厚度为15mm；

模块300中采用的光电倍增管为位置灵敏光电倍增管ps-pmt；

模块500中采用的重建算法为滤波反投影(fbp)算法。

其余同实施例1。

实施例3

其中，处理数据的参数为：

模块100中采用的直流电机电压为220v，操纵杆c和d长度为10cm，固定床尺寸为15cm×10cm×10cm；

模块200中采用的光子晶体中的a晶体和b晶体的长度和宽度都为6mm，厚度为20mm；

模块300中采用的光电倍增管为位置灵敏光电倍增管ps-pmt；

模块500中采用的重建算法为滤波反投影(fbp)算法。

其余同实施例1。

实施例1制备的cspbbr3晶体与cspbbr3标准pdf卡片(00-054-0752)进行对比，发现通过油浴加热法所得的cspbbr3晶体具有与标准卡片相似的峰形，由此可知用油浴加热法制备的光子晶体具有高的光电响应率、检测率和外量子效率，同时与需要众多昂贵器材，操作复杂的提拉法相比，油浴加热法工艺简单，成本低，只需普通加热台和硅油，易于大批量成长。

最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。