一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)及其設(shè)計和制作方法
【專利說明】一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)及其設(shè)計和制作方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于閃爍體輻射探測器，具體的涉及一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)及其設(shè)計和制作方法。
【背景技術(shù)】
[0003]閃爍體是一種能吸收高能粒子或射線，并能發(fā)射出可見或者近紫外光的一種材料，其可以是無機(jī)晶體也可以是有機(jī)物或是液體。閃爍體探測器一般有閃爍晶體，光輸出模塊和光電倍增管組成。閃爍體在收到激發(fā)后發(fā)出的光在輸出晶體后會被光輸出模塊收集并傳輸?shù)焦怆姳对龉苤校瑥亩D(zhuǎn)換成電信號以便讀出。
[0004]當(dāng)高能射線進(jìn)入閃爍體中時，晶體受到激發(fā)從而向各個方向輻射出可見光。一般而言閃爍體晶體其折射率在1.8到2.2之間，根據(jù)折射定律，在晶體表面界面上只有角度小于全反射角的才能從表面輸出，并被光電倍增管所探測，而角度大于全反射角的光波將被反射回晶體內(nèi)部，或從其他表面輸出(難以被倍增管探測)，或是被晶體其他表面所鍍的反射層多次反射，在損失大量能量(對一般金屬反射介質(zhì)而言每次反射約有10%左右的能量被吸收)后再從輸出端界面輸出。這樣就大大降低了到達(dá)光電倍增管的光強(qiáng)度，導(dǎo)致探測器的整體靈敏度被大大降低。因此消除全反射效應(yīng)的影響對于提高閃爍體探測器的靈敏度有著重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)及其設(shè)計和制作方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成物質(zhì)為折射率〉1.8且透明的材料，其特征在于，所述微納米光子結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)由凸起和非凸起兩種區(qū)域組成;其中，凸起的高度d由閃爍體的發(fā)光波長λ和膜層構(gòu)成物質(zhì)的折射率n決定，其決定式為V 2=nd。
[0007]進(jìn)一步的，作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述材料為氮化硅或二氧化鈦。
[0008]進(jìn)一步的，作為優(yōu)選技術(shù)方案，其衍射特性具有以下特征:低階的衍射級強(qiáng)度較小;高階的衍射級強(qiáng)度較大。
[0009]進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，采用自適應(yīng)設(shè)計方法，具體包括以下步驟:
A.將微納米光子結(jié)構(gòu)單元劃分成N*N個子單元，并在初始狀態(tài)下讓非凸起區(qū)域和凸起區(qū)域結(jié)構(gòu)在這2N*2N個子單元中成隨機(jī)排布； B按照“低階的衍射級強(qiáng)度較小、高階的衍射級強(qiáng)度較大”的特征設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；
C對所述微納米光子結(jié)構(gòu)做傅里葉變換；
D將傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果表明目前的排布的傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)一致，則次結(jié)果作為最終結(jié)果輸出；
E若比較結(jié)果不一致，則通過前述的自適應(yīng)優(yōu)化搜尋適合排布，直到獲得一致的比較結(jié)果，并輸出最終結(jié)果。
[0010]進(jìn)一步的，作為優(yōu)選技術(shù)方案，比較方法為作差法或計算自相關(guān)度。
[0011 ]進(jìn)一步的，作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述自適應(yīng)設(shè)計方法為二元搜索法、模擬退火法或遺傳基因算法。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟:
1)使用磁控濺射法在晶體光輸出端表面生長折射率>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層光刻膠，使用光刻法將微納米光子結(jié)構(gòu)制備于光刻膠上；
3)使用干法刻蝕將已成型于光刻膠上的微納米光子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至折射率>1.8并且透明的材料上。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:
本發(fā)明提供的用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)及其設(shè)計和制作方法可以提供更豐富的空間頻率，實現(xiàn)光場的精確控制，進(jìn)而提升閃爍體的光輸出效率。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例1的掃描電鏡圖。
[0015]圖2為單個像素的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。
[0016]圖3為傅里葉變換的結(jié)果，可見I一4階衍射被壓制，5-7階衍射被增強(qiáng)。
[0017]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制;為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸;對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的；相同或相似的標(biāo)號對應(yīng)相同或相似的部件;附圖中描述位置關(guān)系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0019]實施例1
一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成物質(zhì)為氮化硅或者二氧化鈦等折射率>1.8且透明的材料，所述微納米光子結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)由凸起(此處記作“I”)和非凸起(此處記作“O”)兩種區(qū)域組成;其中，凸起的高度d由閃爍體的發(fā)光波長λ和膜層構(gòu)成物質(zhì)的折射率η決定，其決定式為A/2=nd。
[0020]由于所述的微結(jié)構(gòu)的目的是將入射角大于全反射角的光從閃爍晶體中耦合輸出，因此其在衍射特性(傅里葉變換特性)中應(yīng)該具有這樣的特征，即:低階的衍射級(傅里葉分量)強(qiáng)度較小;高階的衍射級強(qiáng)度較大。
[0021]實施例2
一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，采用自適應(yīng)設(shè)計方法(包括但不限于二元搜索法、模擬退火法，遺傳基因算法)，具體包括以下步驟:
A將微納米光子結(jié)構(gòu)單元劃分成16*16個子單元，并在初始狀態(tài)下讓非凸起區(qū)域和凸起區(qū)域結(jié)構(gòu)在這32*32個子單元中成隨機(jī)排布；
B按照“低階的衍射級強(qiáng)度較小、高階的衍射級強(qiáng)度較大”的特征設(shè)定目標(biāo)函數(shù)；
C對所述微納米光子結(jié)構(gòu)(在數(shù)學(xué)表述上可看做由數(shù)字O和I組成的矩陣，以下簡稱簡稱0-1排布)做傅里葉變換；
D將傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較(比較方法包括但不限于作差法和計算自相關(guān)度等)，如果比較結(jié)果表明目前的排布的傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)一致，則次結(jié)果作為最終結(jié)果輸出；
E若比較結(jié)果不一致，則通過前述的自適應(yīng)優(yōu)化搜尋適合排布，直到獲得一致的比較結(jié)果，并輸出最終結(jié)果。
[0022]實施例3
一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
1)使用磁控濺射法在晶體光輸出端表面生長折射率>1.8并且透明的材料；
2)在折射率>1.8并且透明的材料(如一層氮化硅或者二氧化鈦)的外表面再次旋涂上一層光刻膠，使用光刻法將微納米光子結(jié)構(gòu)制備于光刻膠上；
3)使用干法刻蝕(包括但不限于反應(yīng)等離子體刻蝕(RIE)和電感耦合等離子體刻蝕(ICP))將已成型于光刻膠上的微納米光子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至折射率>1.8并且透明的材料上。
[0023]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成物質(zhì)為折射率>1.8且透明的材料，其特征在于，所述微納米光子結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)由凸起和非凸起兩種區(qū)域組成;其中，凸起的高度d由閃爍體的發(fā)光波長λ和膜層構(gòu)成物質(zhì)的折射率n決定，其決定式為V 2=nd。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述材料為氮化硅或二氧化鈦。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其特征在于，其衍射特性具有以下特征:低階的衍射級強(qiáng)度較小;高階的衍射級強(qiáng)度較大。4.一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，采用自適應(yīng)設(shè)計方法，具體包括以下步驟: A.將微納米光子結(jié)構(gòu)單元劃分成N*N個子單元，并在初始狀態(tài)下讓非凸起區(qū)域和凸起區(qū)域結(jié)構(gòu)在這2N*2N個子單元中成隨機(jī)排布； B.按照“低階的衍射級強(qiáng)度較小、高階的衍射級強(qiáng)度較大”的特征設(shè)定目標(biāo)函數(shù)； C.對所述微納米光子結(jié)構(gòu)做傅里葉變換； D.將傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果表明目前的排布的傅里葉變換結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)一致，則次結(jié)果作為最終結(jié)果輸出； E.若比較結(jié)果不一致，則通過前述的自適應(yīng)優(yōu)化搜尋適合排布，直到獲得一致的比較結(jié)果，并輸出最終結(jié)果。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，比較方法為作差法或計算自相關(guān)度。6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，所述自適應(yīng)設(shè)計方法為二元搜索法、模擬退火法或遺傳基因算法。7.—種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)使用磁控濺射法在晶體光輸出端表面生長折射率>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層光刻膠，使用光刻法將微納米光子結(jié)構(gòu)制備于光刻膠上； 3)使用干法刻蝕將已成型于光刻膠上的微納米光子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至折射率>1.8并且透明的材料上。
【專利摘要】本發(fā)明屬于閃爍體輻射探測器，具體的涉及一種用于提高閃爍體探測器靈敏度的準(zhǔn)無序微納米光子結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成物質(zhì)為折射率>1.8且透明的材料，其特征在于，所述微納米光子結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)由凸起和非凸起兩種區(qū)域組成；其中，凸起的高度<i>d</i>由閃爍體的發(fā)光波長<i>λ</i>和膜層構(gòu)成物質(zhì)的折射率<i>n</i>決定，其決定式為<i>λ/2=nd</i><i>。</i>可以提供更豐富的空間頻率，實現(xiàn)光場的精確控制，進(jìn)而提升閃爍體的光輸出效率。
【IPC分類】H01L31/0236, H01L31/09, H01L31/18
【公開號】CN105679854
【申請?zhí)枴緾N201610129492
【發(fā)明人】劉憶琨
【申請人】中山大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月8日