[发明专利]一种利用周期金属结构调控的闪烁体

说明书

本发明涉及一种利用周期金属结构调控的闪烁体，包括基底层，布置在基底层上的金属周期阵列结构，布置在金属周期阵列结构上的塑料闪烁体，基底层的上表面还镀设有透明介质层，所述的金属周期阵列结构布置在透明介质层的上表面。与现有技术相比，本发明通过在硅基底上增加透明介质层的方法避免了金属周期阵列与硅基底直接接触时导致的过大折射率差，从而有效地避免了过大的衍射损失，最大限度的保持了有效方向性调控时的高的发光效率。

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，尤其是涉及一种利用周期金属结构调控的闪烁体。

背景技术

闪烁探测系统在核医学成像、高能物理实验、核物理实验、核武器探测、反恐安检等领域具有重要用途。闪烁体吸收核辐射粒子的能量并将其转换成可见光或近紫外光，后者被光电探测器(光电倍增管、光二极管、CCD器件等)接收从而实现对核辐射的探测。闪烁体的发光特性决定了闪烁探测器的能力和应用范围，是探测系统中的核心器件。然而平面闪烁体发光没有特定取向，属于满足余弦函数的朗伯发射体，为了避免辐射直接进入光电探测器，闪烁体需要离开探测器一段距离布置于某个特定方向，无法采用常规接触式的耦合方式，导致只有一定立体角内的光可以进入探测器，而大部分光子则被浪费了，降低了光子的利用效率，因此调控闪烁体发光的方向性非常必要。

金属颗粒可以产生局域表面等离激元，当把金属可以按照周期结构布置以后，局域表面等离激元所形成的模式就可能与周期结构形成的晶格共振模式相互耦合，产生被衍射的表面等离激元模式，该种模式也称之为表面晶格共振模式。由于局域表面等离激元具有局域的特征，因此该模式产生的一个必须条件是，晶格共振必须沿着周期阵列的表面传播，即瑞利反常。这样晶格共振才可能与局域表面等离激元在空间上满足耦合条件。该现象的物理本质可以参考文献(S.R.K.Rodriguez等人,Physical Review X，1,021019,2011)。

该表面晶格共振最大的优势是保留了表面等离激元模式的特征，又通过晶格衍射在空间上拓展了其原来的局域特征，这为我们利用该原理调控闪烁体发光提供了可能性。

公布号为CN 105891870 A的专利申请(利用表面等离激元调控的方向性发射闪烁体)公开了一种利用该表面晶格共振产生的发光方向性调控。申请中所述结构包括了基底层、基底层上面布置的金属周期阵列结构和布置在金属周期阵列结构上的塑料闪烁体。其中基底层采用的是硅片或石英玻璃，无论是硅片或石英玻璃，在调控发光方向性上都具有效果，但是采用硅片作为基底，材料的发光效率明显下降。

经过物理分析，我们发现，这是由于金属阵列层处于各向异性折射率的环境中导致的，硅片在塑料闪烁体主发射波长处(380-450nm)的折射率为6.5-4.6，远远大于塑料闪烁体在该波段的折射率(约1.50)。由于如此大的折射率差，导致晶格共振中的衍射效率明显下降，因此该结构的整体发光效率较低。

然而在重离子探测场合(例如探测阿法粒子、Ar离子等)，即使是高纯的石英基底也会产生足够的干扰发光，影响实验测量。这是因为在固体材料中重离子的穿透距离约为10-50微米，在该距离上将沉积大量的粒子能量，属于高能量密度激发，即使是高纯氧化物材料，也会由于其内部具有微量的缺陷而产生发光，这将导致基底的发光与闪烁体的发光混合，影响实验测量的准确性。(高纯SiO₂在重离子激发下的发光可参考文献：中国科学院近代物理研究所和兰州重离子研究装置年报(英文版),宋银等《重离子辐照引起的SiO₂的发光特性研究(英文)》p100，2011)。因此实践中，对于重离子的探测，需要避免透明基底材料。硅片由于在可见区不透明，因此不会产生上述干扰发光，成为重离子探测中闪烁体基底的必要选择。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术中硅片基底上表面晶格共振调控方向性发射时效率低下的问题缺陷而提供一种利用周期金属结构调控的闪烁体。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：