在石榴石陶瓷中生成光学界面的方法技术

本文中公开了方法，其包括在模具中布置具有用于制造闪烁体材料的组合物的粉末和压缩所述粉末以形成闪烁体材料；其中所述闪烁体材料的出射表面具有包含多个凸起的纹理，所述凸起降低出射表面处的全内反射并与没有所述凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。

Method for generating optical interface in garnet ceramic

This paper discloses the method, including the layout in the mold has a composition for manufacturing a scintillator material powder and compressing the powder to form a scintillator material; wherein the scintillator material comprises a plurality of exit surface with convex texture, the projections to reduce the total internal reflection at the surface and shoot with the raised surface did not increase compared to the amount of photons leaving out the exit surface is greater than or equal to the amount of 5%.

【技术实现步骤摘要】
在石榴石陶瓷中生成光学界面的方法背景本公开涉及制造石榴石界面的方法和含有由其获得的石榴石的制品。当闪烁体（scintillator）材料耦合至电子光传感器，如光电倍增管（PMT）、光电二极管、硅光电倍增器等时，获得闪烁检测器（scintillationdetector）或闪烁计数器（scintillationcounter）。光电倍增管吸收闪烁体材料发射的光并通过光电效应将其转化成电子电流。这些电子（有时称作光电子）的随后倍增产生电脉冲，其随后可被分析并产生关于最初冲击闪烁体材料的粒子的有意义的信息。闪烁体是在被电离辐射激发时产生光的材料。发光材料在被入射粒子冲击时吸收其能量并闪烁（即以光形式再发射吸收的能量）。闪烁体材料的一个有用的特征是在闪烁过程中产生的光量，其可作为通过吸收致电离粒子的1MeV能量产生的闪烁光子数测量。仅少部分的在闪烁事件中产生的闪烁光子到达检测器。相当大量的闪烁光子通过吸收损失或通过在检测器模块的光学界面（opticalinterface）处的损失而损失。改进光收集效率的方式之一是通过改进晶体均匀性来改进闪烁体材料的光学透明度。这可能导致该材料的降低的闪烁光子吸收和光子转移性质。另一方法是改变光子离开闪烁体材料表面所处的角出射（exit）分布（出射角分布）。在计时应用中，希望使闪烁体材料出射表面（exitsurface）处发生的反射数最小化并由此降低光子到达光传感器的时间的分散。这可通过由形成轮廓分明（well-defined）的凹槽的微结构来修饰闪烁体材料的出射表面而实现。通过使用这些凹槽，可以扩大在闪烁体出射处传播的入射光子的接受角（acceptanceangles）的范围。图1描绘在闪烁体的出射表面上布置凹槽以减少由于全内反射而从界面反射回的光子数的一种方式。图1显示布置在原硅酸镥闪烁体(LSO)晶体102的出射表面上的胶块106。在闪烁体材料102的出射表面上还布置棱锥体的阵列104形式的微纹理（即凹槽）。棱锥体的存在降低如果闪烁体材料102的出射表面平坦将发生的全内反射的量。可以使用分别如图2(A)和图2(B)中所示的具有和不具有棱锥体104的闪烁体102的射线跟踪模拟证实由闪烁体材料的出射表面上的棱锥体的存在造成的效应。图2(A)将闪烁体102描绘为具有平坦的出射表面。由于该平坦的出射表面，以大于或等于临界角的角度撞击在该表面上的一些光子在界面处完全反射回闪烁体材料102中。图2(B)描绘用棱锥体104纹理化的（textured）闪烁体材料102表面。棱锥体104允许更高百分比的光子（其具有受闪烁体102和任何周围光学元件的形状影响的入射角分布）穿过界面，这是因为它们以小于临界角的角度入射在该界面上。可以使用各种方法制造闪烁体材料的纹理化的出射表面，例如机械抛光、激光切割、化学蚀刻或甚至粘合具有与闪烁体的折光指数密切匹配的折光指数的附加结构。由于用于高能量应用的大多数闪烁体材料与用作光学耦合剂的大多数光学粘合剂相比具有相对高的折光指数的事实，后一方法特别困难。在这种情况下，在光学界面处发生光反射损失，在此损失相当大量的闪烁光子。此外，通过如机械抛光、激光切割或化学蚀刻的方法在闪烁体材料的表面上生成这样的结构产生另一问题。在闪烁体材料表面的制造过程中生成的高应力造成晶体表面的裂化或龟裂。因此希望开发制备具有纹理化表面（其可用于保存入射光子）并且不随时间劣化的闪烁体材料的方法。概述本文中公开了方法，其包括在模具中布置具有用于制造闪烁体材料的组合物的粉末和压缩所述粉末以形成闪烁体材料；其中所述闪烁体材料的出射表面具有包含多个凸起的纹理，所述凸起降低出射表面处的全内反射并与没有凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。本文中公开了方法，其包括通过增材制造（additivemanufacturing）在闪烁体材料的出射表面上布置几何体（geometricalobject）；其中所述增材制造包括添加闪烁体材料的连续层以形成所述几何体；且其中所述几何体降低出射表面处的全内反射并与没有所述几何体的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。本文中公开了包含通过包括以下步骤的方法制造的具有纹理化出射表面的闪烁体材料的制品：在模具中布置具有用于制造闪烁体材料的组合物的粉末；和压缩所述粉末以形成闪烁体材料；其中所述闪烁体材料的出射表面具有包含多个凸起的纹理，所述凸起降低出射表面处的全内反射并与没有所述凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。附图简述图1描绘在闪烁体的出射表面上布置凹槽以减少由于全内反射而从界面反射回的光子数的一种方式；图2(A)描绘具有平坦出射表面的闪烁体和光子由于全内反射而反射回闪烁体材料中；图2(B)描绘具有由于降低的全内反射而允许更大的光子提取效率的纹理化表面的闪烁体材料；图3(A)显示布置在闪烁体材料的出射表面上的多个棱锥体；图3(B)显示布置在闪烁体材料的出射表面上的多个椭圆体；图3(C)显示布置在闪烁体材料的出射表面上的多个半球体；图3(D)显示布置在闪烁体材料的出射表面上的多个截棱锥（truncatedpyramid）；图4(A)显示在几何体是棱锥体时如何测量角度α；图4(B)显示在几何体是椭圆体105时如何测量角度α；图5显示一个实施方案，其中该纹理化包括在闪烁体材料的出射表面上布置多个棱锥体；图6是显示当宽度从100至500微米变化时增益光产额（lightyield）提高多至27%的曲线图；图7显示其中纹理包含多个截棱锥的表面；和图8是显示来自图7的纹理的表面的光产额的曲线图。详述本文中公开了用于制造具有纹理化出射表面的闪烁体材料的方法。在允许在制造过程期间的晶界生长的方法中制造具有纹理化出射表面的闪烁体材料。更具体地，对用于制造所需闪烁体材料的具有指定化学计量下的配方的粉末施以在同时退火情况下的压缩以促进该方法过程中的晶界生长。制造过程中的晶界生长降低造成及晶体表面的裂化或龟裂的应力。该闪烁体材料可以是单晶、多晶或包含其组合。它们可以由陶瓷制造但不限于此。在一个实施方案中，所述方法包括在具有被设计成在闪烁体材料上产生所需纹理化表面的内表面的模具中压缩粉末（其具有所需的化学计量）。在一个实施方案中，该模具具有纹理与晶体的出射表面上需要的纹理相反的内表面。当在模具中对该粉末施以压缩时，所需纹理被转移到晶体表面上。该方法包括压制具有闪烁体组合物的粉末以制造具有纹理化出射表面的闪烁体材料。该纹理化出射表面包含多个向外或向内的凸起（下文的“几何体”），其降低出射表面处的全内反射并与没有向外凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。晶界生长过程仅由晶界的局部曲率驱动。晶界表面积的总量的降低对应于系统使该系统的总自由能最小化的趋势。可以通过在粉末在模具中的压缩过程中在粉末体积中施加弹性力或应变或温度梯度来引发晶界生长以降低自由表面能的过程。晶界生长速率与晶界处的自由能总量（有时也被称作晶界能）成比例。在一个实施方案中，该方法可应用于在不施加压力的情况下烧结的陶瓷材料，常被称作无压烧结法。压缩步骤因此可以是任选的。所述方法包括将具有所需化学计量的粉末布置在模具中并在有效促进晶界生长的温度下压缩该本文档来自技高网...

【技术保护点】
方法，其包括：在模具中布置具有用于制造闪烁体材料的组合物的粉末；和压缩所述粉末以形成闪烁体材料；其中所述闪烁体材料的出射表面具有包含多个凸起的纹理，所述凸起降低出射表面处的全内反射并与没有所述凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。

【技术特征摘要】
2015.11.25 US 14/9521751.方法，其包括：在模具中布置具有用于制造闪烁体材料的组合物的粉末；和压缩所述粉末以形成闪烁体材料；其中所述闪烁体材料的出射表面具有包含多个凸起的纹理，所述凸起降低出射表面处的全内反射并与没有所述凸起的表面相比增加离开出射表面的光子量大于或等于5%的量。2.权利要求1的方法，其中所述闪烁体材料具有式(1)的组合物，M1aM2bM3cM4dO12(1)其中O代表氧，M1、M2、M3和M4代表彼此不同的第一、第二、第三和第四金属，a+b+c+d的总和为大约8，其中“a”具有大约2至大约3.5的值，“b”具有0至大约5的值，“c”具有0至大约5的值，“d”具有0至大约1的值，其中“b”和“c”、“b”和“d”或“c”和“d”不能两者同时都等于0，M1是稀土元素，包括但不限于钆、钇、镥、钪或其组合，M2是铝或硼，M3是镓，且M4是共掺质并包括铊、铜、银、铅、铋、铟、锡、锑、钽、钨、锶、钡、硼、镁、钙、铈、钇、钪、镧、镥、镨、铽、镱、钐、铕、钬、镝、铒、铥或钕中之一。3.权利要求2的方法，其中对于M1，一部分钆可被钇、镥、镧、铽、镨、钕、铈、钐、铕、镝、钬、铒、镱中的一种或多种或其组合替代。4.权利要求2的方法，其中M1是钆且M2是铝。5.权利要求2的方法，其中“a”具有大约2.4至大约3.2的值，“b”具有大约2至大约3的值，“c”具有大约1至大约4的值，且“d”具有大约0.001至大约0.5的值。6.权利要求1的方法，其中所述凸起包括向外凸起、向内凸起或其组合。7.权利要求1的方法，其中所述凸起包括具有以30至60度的角度倾斜于出射表面的侧面的几何体。8.权利要求1的方法，其中所述几何体具有至少一个50至700纳米大小的尺寸。9.权利要求1的方法，其中所述几何体是棱锥体、锥形体、半球体、椭圆体、截棱锥、富勒烯、截头锥形体、截头半球体、截头椭圆体、截头球体、截头富勒烯或其组合。10.权利要求1的方法，其中几何体之间的周期性...

【专利技术属性】
技术研发人员：MS安德烈科，PC科亨，H黑德勒，RA明策尔，MJ施曼德，C塔尔哈默，
申请(专利权)人：美国西门子医疗解决公司，
类型：发明
国别省市：美国,US