复合晶体的包覆方法及复合晶体探测器技术

本申请公开了一种复合晶体的包覆方法及复合晶体探测器，包覆方法包括：对NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体的表面进行打磨、抛光，确保NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体洁净透亮；将NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃自上至下位置对准、依次叠放，并通过透明的有机硅凝胶胶粘连接为一体；待胶固化后，在CsI(Na)晶体的侧面和底面通过透明的有机硅凝胶胶粘第一反射膜；对NaI(Tl)晶体顶面的边缘进行打磨处理，形成环形漫反射区域；在NaI(Tl)晶体的顶面覆盖第二反射膜，在第二反射膜的表面覆盖第三反射膜，将第三反射膜沿NaI(Tl)晶体顶面的边沿弯折至NaI(Tl)晶体的侧面并包覆连接CsI(Na)晶体侧面的第一反射膜。本发明专利技术提供的包覆方法工艺简单，无需倒角处理，避免了晶体破裂的风险；形成的复合晶体探测器具备良好的能量分辨率。

Coating method of composite crystal and composite crystal detector

The application discloses a composite crystal coating method and a composite crystal detector. The coating method includes: grinding and polishing the surface of NaI (Tl) crystal and CSI (Na) crystal to ensure that NaI (Tl) crystal and CSI (Na) crystal are clean and transparent; aligning NaI (Tl) crystal, CsI (Na) crystal and quartz glass from top to bottom and stacking them in turn. The first reflective film is bonded on the side and bottom of CsI (Na) crystal by transparent silicone gel. The edge of NaI (Tl) crystal is grinded to form a circular diffuse reflection region; the top surface of NaI (Tl) crystal covers second reflective films. A third reflective film is covered on the surface of the second reflective film. The third reflective film is bent along the edge of the top surface of the NaI (Tl) crystal to the side of the NaI (Tl) crystal and coated with the first reflective film connecting the side of the CsI (Na) crystal. The coating method provided by the invention has the advantages of simple process, no chamfering treatment, avoiding the risk of crystal rupture, and the composite crystal detector has good energy resolution.

【技术实现步骤摘要】
复合晶体的包覆方法及复合晶体探测器
本公开涉及高能X/γ射线探测领域，尤其涉及复合晶体及用于其的包覆方法、复合晶体探测器。
技术介绍
在辐射探测领域，碘化钠(铊激活)单晶体(即NaI(Tl)晶体)和碘化铯(铊激活)单晶体(即CsI(Na)晶体)是最具广泛运用的两种无机闪烁晶体。如表1所示，它们具有很高的荧光输出能力；最大发射波长与(当前最佳量子转换效率的双碱性光阴极材料的)光电倍增管(PMT)响应峰值波长(约400nm)相近，两者能够实现良好匹配，实现最高的光输出效率，这有助于获得高能量分辨率；能够形成单晶或多晶形式，并制作成多种几何形状，使用方便；具有较高的物质密度，对X/γ射线探测效率高。基于以上优点，它们在天文观测、医疗成像、海关安检等方面获得广泛运用。表1常用无机闪烁晶体性能由于NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体最大发射波长相近，两者常通过光学耦合成复合晶体，并采用同一个PMT读出，构成复合晶体探测器。NaI(Tl)晶体作为主晶体，用于探测X/γ射线，获取能量、流强等信息；CsI(Na)晶体作为副晶体，探测更高能的穿透NaI(Tl)晶体的正面入射的X/γ射线、来自NaI(Tl)晶体的康普顿散射以及来自NaI(Tl)晶体背面的X/γ射线，同时还起到光导作用。利用NaI(Tl)晶体与CsI(Na)晶体发光衰减时间上的差异(室温下前者约为250ns，后者约为630ns)，通过脉冲波形甄别器，可以对两种晶体输出信号进行甄别，从而实现NaI(Tl)有效信号的提取和CsI(Na)本底信号的屏蔽。因此，NaI(Tl)/CsI(Na)复合晶体探测器是一种结构简单却拥有被动屏蔽和前向(2π立体角)准直功能的高性能X/γ射线探测器。这种优点使得它在天文观测中得到了广泛使用，如已经发射上天的BeppoSAX/PDS(意大利、1996-2002)、HEXTE(美国、1996-2012)、以及将于2017发射的HXMT/HED等。NaI(Tl)/CsI(Na)复合晶体是探测器最核心部件，它负责将X/γ射线转换成荧光，因此复合晶体荧光输出最大化以及主晶体各区域响应一致性是保证探测器具有最佳性能的关键点，这正是复合晶体包覆所要实现的目标。对于直径小于5英寸的常用的圆柱体形状复合晶体，市场上现有的PMT(如日本Hamamatsu的5英寸平板端面的PMTR877等)能够做到全覆盖，此类晶体通常采用表面抛光结合反射膜的包覆方法。对于5英寸以上的大面积复合晶体，因平面端窗型PMT尺寸限制，不能完全覆盖晶体输出端面，(若按照常规方法包覆)晶体内产生的荧光在输出端面的非PMT对应区域存在反射吸收情况，导致PMT读出的荧光强度低于原初产生的荧光强度，再加上边缘效应，使得复合晶体整体性能显著下降。此类晶体通常需要做特殊处理，如HEXTE卫星上硬X射线探测器内的NaI(Tl)/CsI(Na)复合晶体采用输出端面倒角配合晶体表面抛光及包覆反射膜的方法；BeppoSAX卫星上PDS探测器也采用了类似方法。这种方法需要通过机械加工方法对作为光导的CsI(Na)晶体做倒角处理，加工过程存在晶体破裂的风险；另外因反射膜与晶体之间仅存在松散的附着关系，且反射膜本身不能做胶粘等处理，致使晶体侧面与密封盒(用于安置复合晶体并防止晶体潮解的金属外壳)之间无连接关系，不利于减震设计。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本专利技术。第一方面，本专利技术提供了一种复合晶体的包覆方法，包括以下步骤：S101：对NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体的表面进行打磨、抛光处理，确保所述NaI(Tl)晶体和所述CsI(Na)晶体洁净透亮；S102：将所述NaI(Tl)晶体、所述CsI(Na)晶体和石英玻璃自上至下位置对准、依次叠放，并通过透明的有机硅凝胶胶粘连接为一体；S103：待胶固化后，在所述CsI(Na)晶体的侧面和底面通过透明的有机硅凝胶胶粘第一反射膜；S104：对所述NaI(Tl)晶体顶面的边缘进行打磨处理，形成环形漫反射区域；S105：在所述NaI(Tl)晶体的顶面覆盖第二反射膜，在所述第二反射膜的表面覆盖第三反射膜，将所述第三反射膜沿所述NaI(Tl)晶体顶面的边沿弯折至所述NaI(Tl)晶体的侧面并包覆连接所述CsI(Na)晶体侧面的第一反射膜。第二方面，本专利技术提供了一种复合晶体探测器，包括由上述包覆方法制备形成的复合晶体，所述复合晶体包括自上至下依次叠放的NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃，所述NaI(Tl)/CsI(Na)复合晶体的石英玻璃通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起；其中所述NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃均为圆柱形结构，所述NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃位置对准并通过透明的有机硅凝胶胶粘连接，所述NaI(Tl)晶体顶面的边缘处设有环形漫反射区域；所述CsI(Na)晶体的侧面和底面上设有第一反射膜，所述第一反射膜包覆所述CsI(Na)晶体的侧面和底面，并仅露出所述石英玻璃的侧面和底面；所述NaI(Tl)晶体的顶面覆盖有第二反射膜，所述第二反射膜的表面设有第三反射膜，所述第三反射膜自所述NaI(Tl)晶体的顶面边沿弯折包覆所述NaI(Tl)晶体的侧面。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本申请提供的复合晶体的包覆方法具备一定的通用性，更适用于大面积晶体(直径大于5英寸的晶体，例如本申请中NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体的直径均大于5英寸的情况)，通过在NaI(Tl)晶体顶面的边缘处设置环形漫反射区域，实现对NaI(Tl)晶体中心区域产生的荧光光路的调整，使得大面积晶体各区域对入射光子的响应具有良好的一致性，从而使得大面积晶体具有良好的能量分辨率；操作简单、易于实现，无需对CsI(Na)晶体做倒角处理，避免了晶体破裂的风险，本申请提供的复合晶体性能优越，同时提高复合晶体探测器的性能。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术提供的复合晶体的包覆方法的流程框图；图2为本专利技术提供的复合晶体的结构示意图；图3为图2中I部的局部放大图；图4为本专利技术提供的复合晶体中NaI(Tl)晶体的顶面示意图；图5为本专利技术提供的复合晶体中荧光输出路径示意图；图6为本专利技术提供的复合晶体探测器的结构示意图；图7为本专利技术提供的复合晶体性能测试系统框图；图8为对复合晶体表面抽样测试区域分布图；图9为NaI(Tl)晶体局部位置输出的Am-241能谱图；图10为局部区域的59.5keVγ射线能谱峰位的示意图；图11为局部区域的59.5keVγ射线能谱分辨率的示意图；图12为图8中27个区域叠加后的Am-241总能谱及拟合结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。图1为本专利技术提供的复合晶体的包覆方法。图2为本专利技术提供的复合晶体的结构示意图。如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合晶体的包覆方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：对NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体的表面进行打磨、抛光处理，确保所述NaI(Tl)晶体和所述CsI(Na)晶体洁净透亮；S102：将所述NaI(Tl)晶体、所述CsI(Na)晶体和石英玻璃自上至下位置对准、依次叠放，并通过透明的有机硅凝胶胶粘连接为一体；S103：待胶固化后，在所述CsI(Na)晶体的侧面和底面通过透明的有机硅凝胶胶粘第一反射膜；S104：对所述NaI(Tl)晶体顶面的边缘进行打磨处理，形成环形漫反射区域；S105：在所述NaI(Tl)晶体的顶面覆盖第二反射膜，在所述第二反射膜的表面覆盖第三反射膜，将所述第三反射膜沿所述NaI(Tl)晶体顶面的边沿弯折至所述NaI(Tl)晶体的侧面并包覆连接所述CsI(Na)晶体侧面的第一反射膜。

【技术特征摘要】
1.一种复合晶体的包覆方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：对NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体的表面进行打磨、抛光处理，确保所述NaI(Tl)晶体和所述CsI(Na)晶体洁净透亮；S102：将所述NaI(Tl)晶体、所述CsI(Na)晶体和石英玻璃自上至下位置对准、依次叠放，并通过透明的有机硅凝胶胶粘连接为一体；S103：待胶固化后，在所述CsI(Na)晶体的侧面和底面通过透明的有机硅凝胶胶粘第一反射膜；S104：对所述NaI(Tl)晶体顶面的边缘进行打磨处理，形成环形漫反射区域；S105：在所述NaI(Tl)晶体的顶面覆盖第二反射膜，在所述第二反射膜的表面覆盖第三反射膜，将所述第三反射膜沿所述NaI(Tl)晶体顶面的边沿弯折至所述NaI(Tl)晶体的侧面并包覆连接所述CsI(Na)晶体侧面的第一反射膜。2.根据权利要求1所述的复合晶体的包覆方法，其特征在于，所述第三反射膜贴于所述第二反射膜的表面并将所述第二反射膜压覆于所述NaI(Tl)晶体的顶面。3.根据权利要求2所述的复合晶体的包覆方法，其特征在于，所述第一反射膜和所述第二反射膜为ESR反射膜；所述第三反射膜为Teflon反射膜。4.根据权利要求1所述的复合晶体的包覆方法，其特征在于，所述位置对准包括：所述NaI(Tl)晶体、所述CsI(Na)晶体和所述石英玻璃的中轴线重合。5.根据权利要求4所述的复合晶体的包覆方法，其特征在于，在所述复合晶体的中轴线的方向上，所述NaI(Tl)晶体的顶面包括正对所述石英玻璃的第一部分以及所述第一部分之外的第二部分，所述环形漫反射区域的宽度不超过所述第二部分的宽度。6.根据权利要求1所述的复合晶体的包覆方法，其特征在于，所述NaI(Tl)晶体和CsI(Na)晶体直径相同，且均为140～220mm。7.一种复合晶体探测器，其特征在于，包括由权利要求1-6任一项所述的包覆方法制备形成的复合晶体，所述复合晶体包括自上至下依次叠放的NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃，所述NaI(Tl)/CsI(Na)复合晶体的石英玻璃通过光耦合剂与光电倍增管耦合在一起；其中所述NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃均为圆柱形结构，所述NaI(Tl)晶体、CsI(Na)晶体和石英玻璃位置对准并通过透明的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼飞，刘聪展，路雪峰，李旭芳，李正伟，张硕，常治，高鹤，高冠华，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11