一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构及其设计和制作方法

摘要

本发明属于闪烁体辐射探测器，具体的涉及一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构，其构成物质为折射率>1.8且透明的材料，其特征在于，所述微纳米光子结构为二元结构，即结构由凸起和非凸起两种区域组成；其中，凸起的高度d由闪烁体的发光波长λ和膜层构成物质的折射率n决定，其决定式为λ/2=nd。可以提供更丰富的空间频率，实现光场的精确控制，进而提升闪烁体的光输出效率。

说明书

技术领域

本发明属于闪烁体辐射探测器，具体的涉及一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构及其设计和制作方法。

背景技术

闪烁体是一种能吸收高能粒子或射线，并能发射出可见或者近紫外光的一种材料，其可以是无机晶体也可以是有机物或是液体。闪烁体探测器一般有闪烁晶体，光输出模块和光电倍增管组成。闪烁体在收到激发后发出的光在输出晶体后会被光输出模块收集并传输到光电倍增管中，从而转换成电信号以便读出。

当高能射线进入闪烁体中时，晶体受到激发从而向各个方向辐射出可见光。一般而言闪烁体晶体其折射率在1.8到2.2之间，根据折射定律，在晶体表面界面上只有角度小于全反射角的才能从表面输出，并被光电倍增管所探测，而角度大于全反射角的光波将被反射回晶体内部，或从其他表面输出（难以被倍增管探测），或是被晶体其他表面所镀的反射层多次反射，在损失大量能量（对一般金属反射介质而言每次反射约有10%左右的能量被吸收）后再从输出端界面输出。这样就大大降低了到达光电倍增管的光强度，导致探测器的整体灵敏度被大大降低。因此消除全反射效应的影响对于提高闪烁体探测器的灵敏度有着重要的意义。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构及其设计和制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构，其构成物质为折射率>1.8且透明的材料，其特征在于，所述微纳米光子结构为二元结构，即结构由凸起和非凸起两种区域组成；其中，凸起的高度d由闪烁体的发光波长λ和膜层构成物质的折射率n决定，其决定式为λ/2=nd。

进一步的，作为优选技术方案，所述材料为氮化硅或二氧化钛。

进一步的，作为优选技术方案，其衍射特性具有以下特征：低阶的衍射级强度较小；高阶的衍射级强度较大。

进一步的，本发明还提供一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构的设计方法，其特征在于，采用自适应设计方法，具体包括以下步骤：

A.将微纳米光子结构单元划分成N*N个子单元，并在初始状态下让非凸起区域和凸起区域结构在这2N*2N个子单元中成随机排布；

B按照“低阶的衍射级强度较小、高阶的衍射级强度较大”的特征设定目标函数；

C对所述微纳米光子结构做傅里叶变换；

D将傅里叶变换结果与目标函数进行比较，如果比较结果表明目前的排布的傅里叶变换结果与目标函数一致，则次结果作为最终结果输出；

E若比较结果不一致，则通过前述的自适应优化搜寻适合排布，直到获得一致的比较结果，并输出最终结果。

进一步的，作为优选技术方案，比较方法为作差法或计算自相关度。

进一步的，作为优选技术方案，所述自适应设计方法为二元搜索法、模拟退火法或遗传基因算法。

进一步的，本发明还提供一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使用磁控溅射法在晶体光输出端表面生长折射率>1.8并且透明的材料；

2）在折射率>1.8并且透明的材料的外表面再次旋涂上一层光刻胶，使用光刻法将微纳米光子结构制备于光刻胶上；

3）使用干法刻蚀将已成型于光刻胶上的微纳米光子结构转移至折射率>1.8并且透明的材料上。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构及其设计和制作方法可以提供更丰富的空间频率，实现光场的精确控制，进而提升闪烁体的光输出效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的扫描电镜图。

图2为单个像素的结构设计图。

图3为傅里叶变换的结果，可见1—4阶衍射被压制，5-7阶衍射被增强。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构，其构成物质为氮化硅或者二氧化钛等折射率>1.8且透明的材料，所述微纳米光子结构为二元结构，即结构由凸起（此处记作“1”）和非凸起（此处记作“0”）两种区域组成；其中，凸起的高度d由闪烁体的发光波长λ和膜层构成物质的折射率n决定，其决定式为λ/2=nd。

由于所述的微结构的目的是将入射角大于全反射角的光从闪烁晶体中耦合输出，因此其在衍射特性（傅里叶变换特性）中应该具有这样的特征，即：低阶的衍射级（傅里叶分量）强度较小；高阶的衍射级强度较大。

实施例2

一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构的设计方法，采用自适应设计方法（包括但不限于二元搜索法、模拟退火法，遗传基因算法），具体包括以下步骤：

A将微纳米光子结构单元划分成16*16个子单元，并在初始状态下让非凸起区域和凸起区域结构在这32*32个子单元中成随机排布；

B按照“低阶的衍射级强度较小、高阶的衍射级强度较大”的特征设定目标函数；

C对所述微纳米光子结构（在数学表述上可看做由数字0和1组成的矩阵，以下简称简称0-1排布）做傅里叶变换；

D将傅里叶变换结果与目标函数进行比较（比较方法包括但不限于作差法和计算自相关度等），如果比较结果表明目前的排布的傅里叶变换结果与目标函数一致，则次结果作为最终结果输出；

E若比较结果不一致，则通过前述的自适应优化搜寻适合排布，直到获得一致的比较结果，并输出最终结果。

实施例3

一种用于提高闪烁体探测器灵敏度的准无序微纳米光子结构的制作方法，包括以下步骤：

1）使用磁控溅射法在晶体光输出端表面生长折射率>1.8并且透明的材料；

2）在折射率>1.8并且透明的材料（如一层氮化硅或者二氧化钛）的外表面再次旋涂上一层光刻胶，使用光刻法将微纳米光子结构制备于光刻胶上；

3）使用干法刻蚀（包括但不限于反应等离子体刻蚀（RIE）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP））将已成型于光刻胶上的微纳米光子结构转移至折射率>1.8并且透明的材料上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。