像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用，该α粒子闪烁转换屏包括镀有ZnO种子层薄膜的基片、垂直于基片在ZnO种子层薄膜上生长出的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列和蒸镀于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列上的铝膜，ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的ZnO的晶格中掺杂有氢原子；可应用于高空间和时间分辨率、高信噪比的α粒子探测与成像，尤其是氘氚反应快中子伴随α粒子探测与成像的探测器中。与现有技术相比，本发明专利技术的α粒子闪烁转换屏具有发光衰减时间快，空间分辨率高，信噪比高，组份稳定、厚度均匀，附着基底牢固，结构简单、易制备且成本低等优点。

A-particle scintillation conversion screen with pixel structure ZnO: GA single crystal nanorod array and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用
本专利技术属于α粒子探测与成像
，涉及一种ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏，尤其是涉及一种高时间-空间分辨和高信噪比的氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术所需的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法和应用。
技术介绍
当今世界反恐形势非常严峻，为有效检测隐藏爆炸物，亟需快速、准确识别爆炸物的检测方法与设备。目前，国内外安检领域所使用的主要手段是射线检测仪，其对密度差异较大且造型具有一定特征的违禁品(如枪支、管制刀具等)具有很好的检测效果。但对于像炸药这种密度与日常用品相近的违禁品，仅靠密度来识别具有很大的局限性。有鉴于此，中子检测成像技术应运而生，其高灵敏度、高准确度的特点，可确定检测区域的元素含量，被誉为爆炸物检测领域的“指纹”技术。基于氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术是目前最为先进的中子检测成像方法之一，其最大的优势就是抗干扰性强，并可实现三维空间定位检测。快中子伴随α粒子技术通过利用快中子与物质内C、O和N元素的非弹性散射反应产生的特征射线能量和强度的不同来鉴别这些元素的含量，判别包裹中是否存在爆炸物。同时利用α粒子成像技术进行中子产额和方向标记，有效降低检测过程中中子与被检测物品周围环境中产生的强γ干扰信号，提高信噪比，具有较高的空间分辨本领和较强的爆炸物识别能力，在隐藏爆炸物和毒品检测方面具有广泛的应用前景。基于氘氚反应快中子伴随α粒子成像技术的原理可以参见图7。在氘氚反应中，产生的伴随α粒子(3.5MeV)与快中子(14.1MeV)在时间上是同时的，在空间上一一对应(飞行方向的夹角通常接近于180°)。采用伴随α粒子快中子飞行时间(TOF)谱技术，即同时测量α粒子和快中子(或者快中子诱发的γ射线)，并确定它们之间的时间关系，可以确定快中子的飞行距离(设为z坐标)。再采用位置灵敏的α粒子探测器，由α粒子的反冲方向确定快中子的飞行方向(设为x、y坐标)。因此，采用具有位置灵敏的伴随α粒子的TOF技术可确定与快中子相互作用的待测元素所在位置坐标x、y、z，进而获得其空间分布图像。经过多年研究，用于氘氚反应快中子伴随α粒子探测与成像的探测器经历了ZnS:Ag(粉末闪烁转换屏)，ZnO:Ga(粉末闪烁转换屏)，YAP:Ce(YAlO3:Ce，晶体闪烁转换屏)等发展阶段。近年来，俄罗斯另辟蹊径，发展了高性能硅半导体探测器用于氘氚中子发生器的伴随α粒子探测器。ZnS:Ag粉末状闪烁转换屏是最早用来进行伴随α粒子检测成像的一种闪烁转换屏，其优点是发光效率高，但发光衰减时间太慢(约200ns)，无法满足快速伴随α粒子探测与成像的要求。俄罗斯研制的高性能硅半导体探测器还处于初级阶段，其信号引出线路复杂，后续信号处理过于繁琐。ZnO:Ga粉末闪烁转换屏的晶粒尺寸较大，由于闪烁光散射作用，不利于获得高空间分辨成像；颗粒间也不够致密，对伴随α粒子吸收较弱；此外，在长期辐照、受力、温差作用下，粉末会发生局部不均匀脱落，从而降低成像质量和探测器的使用寿命。而对于YAP:Ce晶体屏，由于晶体加工技术的制约，通常较厚(0.5mm以上)，造成伴随α粒子和背底γ射线的信号较难区分。此外，YAP:Ce材料本身的发光衰减时间也难以满足超快成像(<1ns)的要求，且晶体生长难度较高，制备成本高，限制了其应用范围。目前，国内外关于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列结构用于氘氚反应快中子伴随α粒子探测与成像的研究尚未见报道。国际上与之相关的工作仅有2016年S.V.Kurudirek等人提出利用ZnO纳米棒阵列进行α粒子和热中子探测。他们测试了纳米棒阵列对α粒子(5.48MeV)的响应，但未能很好地将噪声和α信号区分开来。总之，国内外目前缺乏基于像素化ZnO:Ga单晶纳米棒阵列用作氘氚反应快中子伴随α粒子探测闪烁转换屏的报道。因此，本专利提出的针对伴随α粒子探测用像素化ZnO:Ga单晶纳米棒阵列闪烁转换屏符合未来快速、准确中子探测与成像的发展趋势，具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏及其制备方法和应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术提供一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏，包括镀有ZnO种子层薄膜的基片、垂直于基片在ZnO种子层薄膜上生长出的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列和蒸镀于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列上的铝膜，所述的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的ZnO的晶格中掺杂有氢原子。优选地，所述的铝膜的厚度为0.5～5μm。本专利技术还提供一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法，该方法利用磁控溅射在基片上制备ZnO种子层薄膜，然后利用水热反应法在其上生长ZnO:Ga单晶纳米棒阵列，再通过氢气退火处理和蒸镀铝膜制得所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏。优选地，该制备方法包括以下步骤：包括以下步骤：(1)采用磁控溅射法在基片上镀ZnO种子层薄膜；(2)将镀有ZnO种子层薄膜的基片在空气气氛中退火处理；(3)将Zn(NO3)·6H2O、Ga(NO3)3·6H2O和C6H12N14分别溶于去离子水中，混合均匀，形成反应物溶液；(4)将镀有ZnO种子层薄膜的基片置于反应釜中，使基片上镀有ZnO种子层薄膜一面朝下，并加入步骤(3)的反应物溶液，进行水热反应，在基片上形成垂直于基片生长的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列；(5)将形成有ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的基片进行氢气退火处理；(6)蒸镀铝膜，得到所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏。优选地，步骤(1)中采用磁控溅射法在基片上镀ZnO种子层薄膜的方法包括以下步骤：(a)将基片依次在丙酮与乙醇的混合液、稀硝酸、去离子水中进行超声处理，然后取出擦拭干净后干燥保存备用；(b)将基片固定在磁控溅射室的工件架上，然后将锌靶放置在溅射靶上，控制基片与锌靶的距离为5～7cm，开始正式溅射之前，基片与锌靶之间用挡板遮挡；(c)抽真空至真空度小于1.0×10-4Pa，将基片加热至100～700℃，并在开始镀膜前使工件架以10～30rpm的转速匀速旋转；(d)按体积比1～3:1～3、气流速率10～60sccm注入氩气和氧气，磁控溅射室的气压控制在0.5～5Pa；(e)调节溅射功率为100～400W，预溅射10～60min；(f)预溅射结束后，打开挡板，对基片进行正式溅射，溅射10～30min，溅射完毕后在真空环境中自然冷却至室温，完成在基片上镀ZnO种子层薄膜。进一步优选地，采用磁控溅射法在基片上镀ZnO种子层薄膜的方法包括以下步骤：(a)将基片依次在丙酮与乙醇的混合液、稀硝酸、去离子水中进行超声处理，然后取出擦拭干净后干燥保存备用；(b)将基片固定在磁控溅射室工件架上，然后将锌靶放置在溅射靶上，控制基片与锌靶的距离为6cm，在开始溅射之前，基片与锌靶之间用挡板遮挡；(c)抽真空至1.0×10-4Pa，将基片加热至500℃，并在开始镀膜前使工件架以20rpm的转速匀速旋转；(d)按体积比1∶1、气流速率3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏，其特征在于，包括镀有ZnO种子层薄膜的基片、垂直于基片在ZnO种子层薄膜上生长出的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列和蒸镀于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列上的铝膜，所述的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的ZnO的晶格中掺杂有氢原子。

【技术特征摘要】
1.一种像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏，其特征在于，包括镀有ZnO种子层薄膜的基片、垂直于基片在ZnO种子层薄膜上生长出的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列和蒸镀于ZnO:Ga单晶纳米棒阵列上的铝膜，所述的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列的ZnO的晶格中掺杂有氢原子。2.根据权利要求1所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法，其特征在于，所述的铝膜的厚度为0.5～5μm。3.如权利要求1或2所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法，其特征在于，该方法利用磁控溅射在基片上制备ZnO种子层薄膜，然后利用水热反应法在其上生长ZnO:Ga单晶纳米棒阵列，再通过氢气退火处理和蒸镀铝膜制得所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏。4.根据权利要求3所述的像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁转换屏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤：(1)采用磁控溅射法在基片上镀ZnO种子层薄膜；(2)将镀有ZnO种子层薄膜的基片在空气气氛中退火处理；(3)将Zn(NO3)·6H2O、Ga(NO3)3·6H2O和C6H12N14分别溶于去离子水中，混合均匀，形成反应物溶液；(4)将镀有ZnO种子层薄膜的基片置于反应釜中，使基片上镀有ZnO种子层薄膜一面朝下，并加入步骤(3)的反应物溶液，进行水热反应，在基片上形成垂直于基片生长的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列；(5)将形成有ZnO:Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘小林，李乾利，郝书童，顾牡，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31