一種高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于輻射探測領(lǐng)域，涉及一種高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件。所述器件結(jié)構(gòu)包含：襯底、底部反射鏡、閃爍體層和頂部反射鏡，底部反射鏡和頂部反射鏡平行布置構(gòu)成平面微腔。本發(fā)明利用一對鏡子形成的平面微腔調(diào)控處于鏡子之間的閃爍體層，通過平面微腔的作用，可以使得閃爍體層的發(fā)光在以法線為中心的±10°立體角內(nèi)的強度超過50%，這種高度集中的發(fā)光方向性對于提高探測系統(tǒng)的靈敏度和信噪比具有非常重要的作用。本發(fā)明設(shè)計原理清晰明了，器件制備涉及的工藝成熟，易于工業(yè)化生產(chǎn)和推廣。
【專利說明】一種高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核輻射探測領(lǐng)域，具體涉及一種高度定向發(fā)射的閃爍體器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)在射線探測中將顯著提高探測效率和提高空間分辨率。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線閃爍體探測系統(tǒng)在X射線顯微成像、X射線醫(yī)學(xué)成像、等離子體診斷和天體物理探測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。薄膜閃爍體是探測系統(tǒng)的核心部件，閃爍體的發(fā)光效率和閃爍光的收集效率直接決定了系統(tǒng)的靈敏度及其它相關(guān)性能。
[0003]然而對于平坦閃爍體界面，閃爍光發(fā)射在出射空間的角度依賴滿足具有余弦函數(shù)特征的朗伯型分布，該類型的分布具有大的發(fā)射立體角，實際應(yīng)用中大量的閃爍光子實際上并沒能進入探測器，造成了效率的低下。由兩面平面鏡構(gòu)成的微腔系統(tǒng)可以通過其對光學(xué)模式密度的調(diào)控，改變發(fā)光的強度和發(fā)光的方向性，平面微腔在激光器和共振腔發(fā)光二極管中已經(jīng)有了應(yīng)用，成為了 一種對發(fā)光調(diào)控的重要手段。
[0004]本發(fā)明正是針對傳統(tǒng)閃爍體薄膜發(fā)光方向性差的弊端，提出設(shè)計方案，使閃爍光盡可能沿著垂直閃爍體表面的方向發(fā)射，以便更好地被探測器的光陰極收集，抑制其它方向的發(fā)射，實現(xiàn)閃爍光子的高效利用，最終實現(xiàn)探測系統(tǒng)靈敏度和空間分辨率的大幅度提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)計，改善閃爍體發(fā)光的方向性，更好的滿足閃爍探測的需求的高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件。
[0006]本發(fā)明提出的高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件，所述器件結(jié)構(gòu)包含:襯底、底部反射鏡、閃爍體層和頂部反射鏡，其中:底部反射鏡與襯底直接接觸，布置于其上方，底部反射鏡和頂部反射鏡平行布置構(gòu)成平面微腔，所述閃爍體層位于底部反射鏡和頂部反射鏡之間的平面微腔內(nèi)；所述閃爍體層的厚度為m λ/2n，m是大于或等于I的整數(shù)，λ是閃爍體層發(fā)射光的中心波長，η是閃爍體層的折射率；底部反射鏡的反射率高于頂部反射鏡的反射率。
[0007]本發(fā)明中，所述閃爍體層的材料為Lu2Si05:Ce、Bi3Ge4O12, Y3Al5O12:Ce, Cs1:Tl、Na1: Tl 或 PbWO4 中的一種。
[0008]本發(fā)明中，閃爍體層的制備方法包括脈沖激光沉積、磁控濺射、分子束外延生長、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或溶膠-凝膠法中任一種。
[0009]本發(fā)明中，底部反射鏡為金屬銀反射鏡或介質(zhì)布拉格反射鏡。
[0010]本發(fā)明中，頂部反射鏡為介質(zhì)布拉格反射鏡。
[0011]本發(fā)明中，底部反射鏡和頂部反射鏡的高反射率帶寬覆蓋閃爍體層的發(fā)射帶寬。
[0012]本發(fā)明中，襯底采用單晶硅片、石英玻璃或藍寶石中任一種。
[0013]本發(fā)明中，所述介質(zhì)布拉格反射鏡采用Ta2O5 210和S12 220周期交替布置而成。[0014]本發(fā)明的有益效果為:
具有平面微腔結(jié)構(gòu)的閃爍體，其發(fā)光的方向性被強烈調(diào)控，在垂直于平面方向上的發(fā)射強度與沒有平面微腔結(jié)構(gòu)的閃爍體相比提高至少一個數(shù)量級；具有高度方向性發(fā)射的閃爍體器件將更加高效的利用閃爍光子，大幅提高探測器的靈敏度、信噪比和空間分辨率；在輻射探測、射線成像、核醫(yī)學(xué)和空間探測等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為平面微腔閃爍體器件的截面圖。
[0016]圖2為實施例1中的結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3為實施例1的X射線激發(fā)發(fā)光光譜。其中曲線a為平面微腔閃爍體的發(fā)光光譜，曲線b為強度放大10倍的參考閃爍體的發(fā)光光譜。
[0018]圖4為實施例1的X射線激發(fā)發(fā)光強度的角度分布。其中曲線a為平面微腔閃爍體的發(fā)光強度，曲線b為參考閃爍體的發(fā)光強度。
[0019]圖5為實施例2中的結(jié)構(gòu)。
[0020]圖6為實施例2的X射線激發(fā)發(fā)光光譜。其中曲線a為平面微腔閃爍體的發(fā)光光譜，曲線b為強度放大10倍的參考閃爍體的發(fā)光光譜。
[0021]圖7為實施例2的X射線激發(fā)發(fā)光強度的角度分布。其中曲線a為平面微腔閃爍體的發(fā)光強度，曲線b為參考閃爍體的發(fā)光強度。
[0022]圖中標(biāo)號:1為襯底，2為底部反射鏡，3為閃爍體層，4為頂部反射鏡，210為為Ta2O5, 220 為 S12 220，410 為 Ta2O5,420 為 S120
【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。
[0024]實施例1:
本例采用的平面微腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中襯底I是石英玻璃，底部反射鏡2由Ta2O5210和Si02 2 20周期交替結(jié)構(gòu)構(gòu)成。頂部反射鏡由了&205410和5102420周期交替結(jié)構(gòu)構(gòu)成。閃爍體層3為Lu2Si05:Ce。樣品制備過程如下:選取平整的石英玻璃襯底并進行清洗后，采用電子束蒸發(fā)制備底部反射鏡，反射鏡是由六對Ta2O5和S12交替形成的分布式布拉格反射鏡，其中每層Ta2O5和S12的物理厚度分別為45.60和70.89 nm,對應(yīng)反射中心波長418nm處的1/4波長光學(xué)厚度，真空室的真空度為4X10_3Pa，沉積速率為I nm/s，反射鏡的反射中心波長418nm處的反射率為95.1%。在底部反射鏡上制備閃爍體層，采用脈沖激光沉積方法，真空室的真空度為6X10_3Pa，選取閃爍體晶體Lu2S15:Ce作為靶材，沉積速率為0.5nm/s，閃爍體層的物理厚度為3 λ/2n，即348nm。之后再次采用電子束蒸發(fā)制備頂部反射鏡，頂部反射鏡是由四對Ta2O5和S12交替形成的分布式布拉格反射鏡，其中每層Ta2O5和S12的物理厚度分別為45.60和70.89 nm,對應(yīng)反射中心波長418nm處的1/4波長光學(xué)厚度，真空室的真空度為4X10_3Pa，沉積速率為I nm/s，反射鏡的反射中心波長418nm處的反射率為86.5%。為了展示平面微腔結(jié)構(gòu)對于閃爍體層發(fā)光的調(diào)控效應(yīng)，作為對比，在石英玻璃襯底上直接制備了厚度為348nm的閃爍體層，制備方法同上。X射線從襯底方向激發(fā)，測量法線方向(即垂直樣品表面)的發(fā)射光譜，如圖3所示。與無微腔結(jié)構(gòu)的參考樣品相比，同時由于微腔的效應(yīng)，使得發(fā)射譜變窄，峰值波長處的強度增強了 42.6倍，波長積分的發(fā)光強度增強了 6.0倍。發(fā)光強度的角度依賴如圖4所示，平面微腔結(jié)構(gòu)強烈地改變了發(fā)光的角度分布，以法線為中心的±10°立體角內(nèi)的發(fā)光強度占總發(fā)光強度的48%，大大超過沒有微腔結(jié)構(gòu)時的15%。
[0025]實施例2:
本例采用的平面微腔結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中襯底I是石英玻璃，底部反射鏡2由銀膜構(gòu)成。頂部反射鏡由Ta2O5 410和S12 420周期交替結(jié)構(gòu)構(gòu)成。閃爍體層3為Lu2Si05:Ce。與實施例1不同的是底部反射鏡采用銀，閃爍體層的厚度需要調(diào)整以便共振位置位于發(fā)射譜峰值附近。樣品制備過程如下:底部反射鏡采用電子束蒸發(fā)制備，銀膜厚度為200nm。銀鏡在中心波長處的反射率為96.5%。閃爍體層厚度為0.76Χ(3 λ /2η)，即262 nm,制備方法同實施例1。頂部反射鏡的結(jié)構(gòu)與制備過程同實施例1。X射線從襯底方向激發(fā)，測量法線方向的發(fā)射光譜，如圖6所示。其中參考樣品與實施例1中的一致。與無微腔結(jié)構(gòu)的參考樣品相比，同時由于微腔的效應(yīng)，使得發(fā)射譜變窄，峰值波長處的強度增強了 42.0倍，波長積分的發(fā)光強度增強了 4.6倍。發(fā)光強度的角度依賴如圖7所示，平面微腔結(jié)構(gòu)強烈地改變了發(fā)光的角度分布，以法線為中心的±10°立體角內(nèi)的發(fā)光強度占總發(fā)光強度的55%,大大超過沒有微腔結(jié)構(gòu)時的15%。與實施例1中的結(jié)果相比，由于底部反射鏡的反射率更高，因此微腔的效應(yīng)更加顯著，發(fā)射譜更窄，發(fā)射的方向性更強。
【權(quán)利要求】
1.一種高度定向發(fā)射的平面微腔閃爍體器件，其特征在于所述器件結(jié)構(gòu)包含:襯底、底部反射鏡、閃爍體層和頂部反射鏡，其中:底部反射鏡與襯底直接接觸，布置于其上方，底部反射鏡和頂部反射鏡平行布置構(gòu)成平面微腔，所述閃爍體層位于底部反射鏡和頂部反射鏡之間的平面微腔內(nèi)；所述閃爍體層的厚度為πιλ/2η，m是大于或等于I的整數(shù)，λ是閃爍體層發(fā)射光的中心波長，η是閃爍體層的折射率；底部反射鏡的反射率高于頂部反射鏡的反射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于所述閃爍體層的材料為Lu2S15:Ce、(Lu, Y) 2Si05: Ce、Bi3Ge4O12' Y3Al5O12: Ce、Cs1: Tl、Na1: Tl 或 PbffO4 中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于閃爍體層的制備方法包括脈沖激光沉積、磁控濺射、分子束外延生長、電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或溶膠-凝膠法中任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于底部反射鏡為金屬銀反射鏡或介質(zhì)布拉格反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于頂部反射鏡為介質(zhì)布拉格反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于底部反射鏡和頂部反射鏡的高反射率帶寬覆蓋閃爍體層的發(fā)射帶寬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃爍體器件，其特征在于襯底采用單晶硅片、石英玻璃或藍寶石中任一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的閃爍體器件，其特征在于所述介質(zhì)布拉格反射鏡采用Ta2O5和S12周期交替布置而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的閃爍體器件，其特征在于所述介質(zhì)布拉格反射鏡采用Ta2O5和S12周期交替布置而成。
【文檔編號】G01T1/20GK104035121SQ201410286086
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】劉波, 程鑫彬, 陳鴻, 顧牡, 王占山 申請人:同濟大學(xué)