[發(fā)明專利]一種復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)閃爍體

有效

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• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106842384B
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉波;程傳偉;顧牡;陳鴻;張娟楠
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G02B1/118
• 分類號: G02B1/118;G02B1/00
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發(fā)明涉及一種復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)閃爍體，包括閃爍體基底、布置在閃爍體基底上的減反射層、布置在減反射層上的光子晶體層，減反射層由具有梯度折射率的錐形體或錐臺體呈周期陣列或無序陣列構(gòu)成，光子晶體層為內(nèi)部形成周期性空氣孔洞的高折射率材料層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用特定的減反層和光子晶體層相互結(jié)合，將菲涅爾反射和全內(nèi)反射通盤考慮加以克服，最大限度提高光輸出的效率，所采用技術(shù)方案易于低成本制備大面積樣品，有利于實(shí)際應(yīng)用和推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于核輻射探測領(lǐng)域，尤其是涉及一種復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)閃爍體。

背景技術(shù)

核輻射探測在高能物理實(shí)驗(yàn)、核物理實(shí)驗(yàn)、核醫(yī)學(xué)成像、宇宙線探測、同步輻射應(yīng)用、武器研究、反恐安檢、核應(yīng)急處置等方面具有重要作用，其中包含了諸多涉及國家安全和大科學(xué)裝置的重大需求。核輻射探測包括對各種帶電粒子(如電子、質(zhì)子、α粒子、裂變碎片)、中性粒子(如中子)和高能光子(如X射線和γ射線)進(jìn)行時間分辨、能量分辨、空間分辨和粒子甄別測量。在眾多的核輻射探測裝置中閃爍探測器由于具有效率高、靈敏體積大等優(yōu)點(diǎn)成為使用最廣泛的探測方法之一。

閃爍探測器的基本原理是由核輻射與閃爍體相互作用，閃爍體吸收了輻射粒子的能量后產(chǎn)生可見光-近紫外光發(fā)射(稱作閃爍發(fā)光)，閃爍發(fā)光被光電倍增管等光電器件收集并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子學(xué)系統(tǒng)記錄，便可實(shí)現(xiàn)對輻射的探測。閃爍發(fā)光過程包括輻射粒子能量轉(zhuǎn)換、次級電子激發(fā)、電子熱化、發(fā)光中心激發(fā)和光發(fā)射，整個閃爍過程包含了輻射粒子的信息，因此對閃爍光的反演即可實(shí)現(xiàn)對輻射的認(rèn)知。

實(shí)際應(yīng)用中，閃爍體的光輸出直接決定的探測器的效率，光輸出由閃爍體的本征光產(chǎn)額和光提取效率共同決定，目前使用的大部分商用閃爍體的本征光產(chǎn)額都經(jīng)過晶體生長技術(shù)的充分優(yōu)化接近理想值。但由于大部分閃爍體的折射率較大(通常介于1.8到2.2之間)，閃爍光在出射面形成的內(nèi)全反射角較小，導(dǎo)致大部分閃爍光被限制在閃爍體內(nèi)部無法出射，除了內(nèi)全反射外，在閃爍晶體的界面還存在菲涅爾反射，同樣會由于反射的作用限制閃爍光的輸出，因此雖然很多閃爍體保持了高的內(nèi)量子效率，但由于內(nèi)全反射和菲涅爾反射的共同作用，大量閃爍光子無法進(jìn)入探測系統(tǒng)成為有效的閃爍光，因此如何提取這部分被限制在閃爍體內(nèi)部的光顯得十分重要。

申請?zhí)枮?01410496266X的中國專利公開了采用光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閃爍體光輸出效率的提高，該發(fā)明中采用光子晶體結(jié)構(gòu)，通過降低內(nèi)全反射的方法實(shí)現(xiàn)了光輸出的提高，但對于菲涅爾反射卻沒有作用，效率提高有限。論文(Enhanced light extraction ofBi3Ge4O12scintillator by graded-refractiveindexantireflection coatingsFeiTong,Bo Liu,Hong Chen,Zhichao Zhu,and Mu Gu，Appl.Phys.Lett.103,071907(2013))中展示了如何利用梯度折射率構(gòu)成的多層膜實(shí)現(xiàn)菲涅爾反射的消除，但該結(jié)構(gòu)對內(nèi)全反射不起任何作用，效率提高有限，同時論文中采用的溶膠-凝膠法制備的梯度折射率多層膜其折射率大小較難控制，多層膜之間的互溶也會限制該方法的應(yīng)用。目前缺乏一種可以同時降低菲涅爾反射和內(nèi)全反射的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)閃爍體光輸出的大幅提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種同時解決菲涅爾反射和全內(nèi)反射導(dǎo)致的閃爍光子被陷效應(yīng)，提高閃爍體的光輸出的復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)閃爍體。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)閃爍體，包括閃爍體基底、布置在閃爍體基底上的減反射層、布置在減反射層上的光子晶體層，

所述的減反射層由具有梯度折射率的錐形體或錐臺體呈周期陣列或無序陣列構(gòu)成，所述的光子晶體層為內(nèi)部形成周期性空氣孔洞的高折射率材料層。

所述的錐形體的底邊長度介于λ/30和λ/10之間，底角介于20-60度之間，各錐形體之間的平均間隙小于λ/30，其中λ為閃爍發(fā)光的中心波長。