[发明专利]中子闪烁体复合材料及其制造方法

说明书

发明背景

闪烁体材料(在下文为闪烁体)广泛用于高能辐射例如γ射线、X-射线、宇宙射线、中子以及特征在于大于或等于约1keV能级的其它粒子的检测器。闪烁体与光检测工具比如感光器耦合。当射线冲击闪烁体时，闪烁体发光。感光器产生与所接受的光脉冲数目和其强度成比例的电信号。闪烁体通常用于许多应用。实例包括医疗影像设备例如正电子发射断层扫描(PET)装置、用于石油和天然气工业的测井、用于国土安全的门式和手提式检测器以及各种数字成像应用。

在经固态闪烁对中子的检测中，大概最高度采用的材料源于6-LiF与ZnS∶Ag的颗粒混合物。该混合物中的每一种组分呈现“顶级”性能(即分别为中子捕获和发冷光)。对于中子捕获，LiF晶体结构提供固态中的最高Li位点密度之一并因此将富集6-Li时的中子相互作用可能性最大化。对于发冷光，ZnS∶Ag为已知的最明亮荧光粉之一并且在α和氚核暴露(即6-Li中子捕获的副产物)下其发射保持空前未有的。因此，6-LiF与ZnS∶Ag的组合(通过光学透明的粘合剂材料结合在一起)，形成具有异常效力的中子闪烁体复合材料(NSC)。

遗憾的是，中子闪烁体复合材料当包含这样的颗粒混合物(例如6-LiF/ZnS∶Ag、10-B₂O₃/ZnS∶Ag等)时，由于在内部界面的光散射和在透射期间的光吸收而遭受光损耗。后者(光吸收)得到可自吸收其自身冷光的ZnS∶Ag的辅助。这些损耗机理造成厚度限制：增大NSC厚度超出某一阈值(例如约1.0mm对于6-LiF/ZnS∶Ag混合物)不提供进一步的光输出，尽管提供额外的中子吸收能力。因此，大的连续体积为不可得到的，并且同等重要的是，在没有大量工作区时许多有用的形状不可实现。

简短描述

本发明如下解决光透明度问题：[1]将中子捕获和发冷光功能结合到单一的闪烁体组合物中和[2]使粘合剂材料与中子闪烁体材料指数匹配(index-matching)。这些特性显著减少内部吸收和散射，从而增大NSC体的光输出。结果，到达感光器的光脉冲数目和强度增加，这继而显著地改善中子检测效率。

内部吸收和散射的量取决于NSC中光界面的类型和表面积。对于加入颗粒混合物(例如6-LiF/ZnS∶Ag)的常规NSC，可能的光界面数为5(例如6-LiF/粘合剂、ZnS∶Ag/粘合剂、6-LiF/ZnS∶Ag、6-LiF/6-LiF和ZnS∶Ag/ZnS∶Ag)。相比之下，对于本发明，可能的界面数为2：闪烁体-粘合剂和闪烁体-闪烁体。其表示相同材料之间接触的后者为已经指数匹配的，因此界面数有效地为1。加入单一组合物因此减少光复杂性和提高透明度。

另外，本发明的中子闪烁体材料呈现与已知的环氧树脂、热塑性塑料、低熔点无机玻璃等(n～1.4-1.6)重叠的折射率(n～1.3-1.6)。组合物因此使得能够指数匹配，其经本发明利用以消除在闪烁体-粘合剂界面的光损耗。该透明度提高允许大的连续体积的有用形状，绕过了对追求更加昂贵的单晶实施方案的需要。相比之下，常规NSC通常含有ZnS∶Ag，其高折射率(n～2.2)阻碍与已知粘合剂的指数匹配。常规的NSC体因此不透明并限制于少于1mm的厚度。

在一个方面，中子闪烁体复合材料包含，包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料；和具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂材料。

在另一个方面，中子闪烁体复合材料包含，包括具有非零浓度的6-Li的中子闪烁体材料，和具有与中子闪烁体材料的折射率基本上相同折射率的粘合剂，其中中子闪烁体材料包含一种以下组成：

[1](Li_1-xA_x)₂LnX₅，其中0＜x≤1，或

[2](Li_1-xA_x)₂(Li_1-yA’_y)LnX₆，其中0＜x≤1和0＜y≤1但是x和y不能同时为1，或者

[3]BLn(Li_1-xA_x)X₅，其中0＜x≤1，或者

[4](Li_1-xA_x)₂Ln_1-a-bCe_aPr_bX₅，其中0＜x≤1；0≤a≤1和0≤b≤1但是a和b不能同时为0或1，或者