[发明专利]复合晶体的包覆方法及复合晶体探测器

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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PMT R877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。