闪烁晶体超精密加工及高反射和高透射薄膜技术研究

张新颖

摘要：闪烁晶体是指在X射线、Y射线等高能粒子的撞击下，可以将粒子动能转变为光能并发出闪光的晶体。基于此，其在被超精密加工之后，通常被用于正电子发射断层成像仪(Positronemissiontomography,PET)等医疗器材的核心部件。本文以闪烁晶体在选型与测试、磨削与抛光等超精密加工技术准备为出发点，集中研究了其被应用于高反射薄膜、高透射薄膜时需要进行的加工技术，希望能够为有关技术人员更方便的开展工作提供帮助。

关键词：闪烁晶体；超精密加工；高反射薄膜技术；高透射薄膜技术

引言：对闪烁晶体表面及晶体外表层高反射、透射薄膜的加工质量，将对其末端的光输出效果产生直接影响，并将进一步影响到PET系统探测器的能量分辨率。此外，闪烁晶体末端与光电传感器耦合的出光面透射率，将会影响到PET系统探测器对初始光子比率的探测结果，并将进一步影响到探测器的时间分辨率。因此，为提升PET系统探测器的能量及时间分辨率，在对闪烁晶体进行超精密加工的过程中，应首先确保其表面光滑程度能够达到运用要求，接着再对其高反射、高透射薄膜作进一步加工，以此来促进PET系统的高能粒子分辨率实现有效提升。

1.闪烁晶体超精密加工技术准备

1.1选型与测试加工

在对闪烁晶体进行超精密加工前，加工人员需要选取合适硬度的磨料，以为下一步的磨削与抛光加工提供工具。其选取方式如下：1）第一步要对试验用晶体的硬度进行检测，标识出闪烁晶体在测试中的连续加载位移曲线，并进一步通过纳米压痕硬度=压痕载荷/压痕接触面积的公式，计算出材料的实际荷载硬度。一般来说，荷载增加的情况下，材料的硬度将减小，一直到荷载增加至9000ʯN时，材料硬度将达到一种稳定状态；2）闪烁晶体是一种可以充分吸收X射线、Y射线、高能粒子并发出的同时。发出紫外线或可监管的等低能光子的一种功能材料，其在很多时候被用来组成正电子发射断层成像仪的组成材料，在此情况下，光信号可以被转化为电信号，从而获得一百万倍左右的信号增强。

1.2磨削与抛光加工

在选定磨削与抛光用实验工具后，实验人员就要开始利用该工具完成对闪烁晶体的超精密加工操作，操作步骤如下：1）首先选用一块面积25平方厘米，厚度0.5厘米的双面抛光的圆形石英玻璃为操作底板，并以醇溶性黄蜡为晶体与底板的粘接剂对两者进行粘接，再将底板与闪烁晶体材料一起，通过一块加热温度在100摄氏度左右的铁板做导热实验，一直加热到黄蜡充分熔化之后，将底板与闪烁晶体与铁板分开，并将晶体夹起，等黄蜡因温度逐渐冷却而呈现半凝固状态时，将晶体置于黄蜡之上做轻压操作，以排除两者间所含的气泡，确保粘结度达到要求。等到黄蜡全部凝固后，就要将晶体从黄蜡中夹出并去掉其表面黄蜡，以保持其表面光滑度；2）此外，操作人员可以利用氧化铝作为硬质磨料来对闪烁晶体进行分级磨削加工，之后，操作人员还需要利用氧化铈抛光液对磨削后的晶体做抛光处理，这样，晶体表面的光滑度将得到显著提升，其表面粗糙度甚至可以因此而降低到1纳米左右[1]。

2.闪烁晶体超精密加工的高反射薄膜加工技术

2.1基于Ta2O5/Si02多层膜预镀制技术

光学薄膜是指在光学元件、器件表面通过镀制一层或多层介质膜、金属膜或者介质膜与金属膜的复合膜的方式，来使光波的传输特性受到改变的一种应用装置技术。在闪烁晶体技术被实际应用在PET系统的过程中，其在很多时候需要通过Ta2O5/Si02多层膜来形成较宽的反射波段，以满足灵敏度要求，方式如下：1）多层膜叠加，可以将多层膜中的数个不同波长中心的单层介质膜做搭接操作，从而使所反射波段变宽。同时，为了避免膜层搭接处出现缝隙，操作人员需要在搭接处插入一耦合层，耦合层厚度应控制在相邻两个膜层透射线波长值的25%左右。而多层膜在整体厚度上需要通过逐次增大的方式来进一步增加自身的波长宽度；2）除了多层反射膜之外，闪烁晶体在PET系统中还可以通过金属反射膜的方式得到应用，该反射膜主要通过在其表面镀数层介质膜的方式，来增加其对不同波长射线的反射率，以此来促进闪烁晶体在PET系统中的实用性得到更充分发挥。

2.2基于Ta2O5/Si02高反射膜系镀制技术

Ta2O5/Si02高反射膜指的是基于闪烁晶体发射光谱，所制备出的一种高反射膜，其在设计的过程中需要考虑以下因素：1）膜系周期系数，一般情况下来说，只有当膜系周期系数达到或超过7时，其反射率才能充分达到标准使用要求；2）入射角度影响，当入射角度处于0—15度之间时，反射率将呈现出短波长不断增加的趋势，但当入射角度超过15度时，其反射率将呈现出短波长不断减少的趋势；3）波长波段影响，参照标准反射光谱数据来看，Ta2O5/Si02高反射膜所反射波长，与其主波段宽度、TiO2层厚度、SiO2厚度呈正相关趋势；3）反射膜材质影响，不同波长会选用不同金属为反射膜材质，例如：当波长在400纳米以下时，通常应选用金属铝为反射膜材质，当波长超过400纳米时，则应选用银为反射膜材质[2]。

3.闪烁晶体超精密加工的高透射薄膜加工技术

3.1空气为耦合介质的高透射膜加工技术

在对闪烁晶体完成超精密加工之后，其在很多时候还将以高投射薄膜加工的方式被应用于PET系统，为了保证其在加工后达到使用要求，应从以下几个方面入手：1）首先应对闪烁晶体在单层高投射薄膜的情况下，其表面的反射率，经过计算，可得出当入射角为0度、30度、35度时，其表面反射率在370—620纳米的长度范围内分别为8.439%、17.219%和100%；2）接着要进行计算的是多层高透射薄膜的设计参数，一般来说，当其膜系结构分别为2L、H2、H1、L时，其波长的物理厚度分别为143.9纳米、50.43纳米、39.27纳米、71.95纳米。由此可以看出，若调整不好入射角度，多层高透射薄膜的减反射效果不如单层，必须要通过光学角度及材质组成的方式来增加其透射效果。经过多次实验能够得出，以光学胶水为耦合介质的多层透射膜，其透射效果最佳。

3.2光学胶水为耦合介质的多层透射膜加工技术

光学胶水为耦合介质的多层透射膜是指将MgF2材料、TaO2材料、HfO2材料等共七层增透膜所组成的一种高透射薄膜，利用多层透射膜所叠加带来的影响，闪烁晶体可以实现对所投入高粒子射线进行全透射功能，这样，设计人员可以将晶体与检测器之间的耦合介质设置为光学胶水，然后利用MgF2材料、TaO2材料、HfO2材料组成七层增透膜，并不断增加晶体入射光的角度，从而有效提升晶体末端出光面，在面对所进入高能粒子时能够形成良好的透射率[3]。

总结：综上所述，本文以闪烁晶体超精密加工技术准备为出发点，集中研究了其被应用于高反射薄膜、高透射薄膜时，需要进行的Ta2O5/Si02多层膜预镀制加工技术、Ta2O5/Si02高反射膜系镀制加工技术、空气为耦合介质的增透膜加工技术、光学胶水为耦合介质的多层透射膜加工技术。认为只有通过这些技术才能保证所加工出闪烁晶体能够符合PET的应用要求。希望本文的研究能够为有关技术人员，更方便的开展工作提供帮助。以此来促进其在对重大疾病的早期诊断和分析中得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]叶乐.Ce掺杂GdI_3晶体生长及其闪烁性能研究[D].上海应用技术大学,2017.

[2]孙权权.闪烁晶体超精密加工及高反射和高透射薄膜技术研究[D].华中科技大学,2017.

[3]刘子晗.LaCl_3:Pr晶体生长与光学性能研究表征[D].中国计量大学,2016.