CsI:TI闪烁薄膜的工艺制备和光学特性的研究

摘要

X射线探测器在安全检察、医学成像、空间探测等众多领域都有广泛应用。作为探测器最重要部分的转换屏，其材料的光转换效率对整个系统起着决定性的作用。在本文中，我们提出了一种新的集成化 X射线探测器。我们选用 CsI:Tl作为荧光转换屏材料，PIN或者CCD作X射线探测系统中的荧光接收器件，采用真空热蒸发法将 CsI:Tl晶体制备成呈晶柱状结构的薄膜并直接集成在 CCD或者PIN上。为了抑制荧光扩散和晶柱间发生串扰，我们在CsI:Tl闪烁晶体膜表面镀一层Al膜来对晶柱状的薄膜进行包裹和隔离，从而起到保护作用。
　　本文的主要内容如下：
　　按照从简单到复杂的顺序分别建立了三种理论模型：理想连续层模型、理想晶体单元模型和具有理想晶柱结构的薄膜模型。针对CsI:Tl闪烁晶体薄膜的荧光转换因子与薄膜各结构参数的关系我们用 MATLAB软件进行了仿真计算。仿真结果表明：CsI:Tl闪烁晶体薄膜厚度在400μm处时荧光转换因子最大；具有晶柱结构的薄膜的荧光转换因子明显高于无晶柱结构的薄膜的荧光转换因子；入射 X光子能量越低，CsI:Tl晶体的最佳厚度越薄，反则反之。
　　通过理论计算，我们在实际中采用了真空热蒸发法分别在Si和玻璃基片上沉积并生长CsI:Tl薄膜，并对CsI:Tl薄膜的表面微结构和光学特性进行了测试和分析。结果表面：采用真空热蒸发法制备的CsI:Tl薄膜沿（200）晶面择优生长，其晶体结构择优取向生长与厚度关系密切，厚度相对较小时存在明显择优取向生长，随着膜厚增加晶体生长择优取向现象明显减弱；蒸发速率越大，CsI:Tl薄膜的相对光输出强度越小；对于不同退火处理的薄膜样品，当在250℃退火时，缺陷得到改善，薄膜样品的结晶质量达到较好的程度，相对光输出也增加；通过改变镀膜的工艺方法，有效的改善薄膜的结晶质量。
　　通过搭建样品的成像测试平台，测试了样品的光转换率、定性地测试了样品的空间分辨率。通过选择合适的沉积速率、通过合适的退火温度退火、调节薄膜厚度和薄膜微结构、利用预沉积手段来获得光转换效率高、空间分辨率高的闪烁屏，以提高闪烁成像探测器的成像质量。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 CsI:Tl闪烁晶体

1.3 CsI:Tl闪烁晶体转换屏的研究进展

1.4 X射线探测器

1.5 课题研究的内容

第二章 CsI:Tl闪烁晶体薄膜光转换结构模型

2.1 理想无晶柱的CsI:Tl晶体的光转换研究

2.2 具有理想晶柱结构的薄膜模型

2.3 计算结果与分析

2.4 CsI:Tl闪烁薄膜运用于X-ray探测的可行性

第三章 CsI:Tl闪烁晶体薄膜制备实验

3.1 CsI:Tl闪烁晶体薄膜制备方法

3.2 镀膜设备和实验材料

3.3 CsI:TI闪烁晶体薄膜的制备工艺

3.4 薄膜分析测试手段和设备

第四章 CsI:Tl闪烁晶体薄膜制备的工艺研究

4.1 薄膜样品制备

4.2 测试结果及讨论

4.3 小结

第五章 CsI:Tl闪烁晶体薄膜的成像研究

5.1 X射线成像探测器

5.2 CsI:Tl闪烁晶体薄膜的成像研究

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果