GOS 閃爍陣列在安檢領域的應用與加工工藝研究

范榮華， 劉 斌

（公安部第一研究所 安檢產品制造部， 北京 102200）

0 引言

閃爍材料是一種在X 射線或原子核粒子作用下產生脈沖光現象的材料。 由閃爍材料制成的探測器可用于安檢、工業探傷、油井勘探、核物理及高能物理等方面，目前這一類探測器用的主要是無機閃爍晶體[1-3]。 相比無機閃爍晶體， 陶瓷閃爍晶體由于在其粉體制備過程中可以較容易地實現摻雜離子分子級別的均勻混合、 制備工藝簡單、成本低及良好的機械加工性能等，成為了近年來新型閃爍材料研究的熱點和前沿。

GOS 是一種氧化物透明陶瓷閃爍晶體，它具有約為60 的有效原子序數、1.8 倍于CdWO4的光輸出、＜0.01%的余輝值、與硅光電二極管匹配的峰值波長、安全無毒、化學性質穩定、 不易潮解、 機械加工性能好等一系列特性，是非常一種優秀的新型閃爍材料[4-5]。 在具體應用中，GOS 材料在晶體生長成為坯件之后，為滿足下一步的具體應用領域，需對其進行外形深加工。 在安檢領域中，由于圖像處理的特殊性，GOS 閃爍陣列中需保證16 個獨立像素的加工精度，其加工工藝十分復雜，效率較低。

1 在安檢領域的應用

應用在安檢領域時，需將GOS 晶體坯件加工成擁有16個獨立像素位置的長條狀GOS 陣列。 應用時GOS 陣列需與硅光電二極管配合組成探測器模塊，X 射線首先使GOS閃爍陣列發光，之后硅光電二極管將其轉化成微弱的電流信號，經過積分放大處理，得到A/D 轉換電路可以處理的模擬電壓信號，模數轉換后，這些表征著圖像信息的數字信號被引入FPGA 芯片，進而傳輸給工控機，經過圖像軟件的處理就可以顯示出來了[6-8]。 其工作流程，見圖1。

圖1 系統工作流程Fig.1 System workflow

現階段隨著反恐形勢的嚴峻，安檢領域對安檢機的需求量不斷增大，同時也對安檢機的穿透能力、分辨能力等技術指標的要求也不斷提高[9]。 GOS 閃爍陣列大量應用與安檢機之中， 且其性能直接影響到安檢機的核心指標[10]。為了高效的生產安檢機， 安檢機探測器中GOS 閃爍陣列的加工工藝成為制約生產效率的一大難點。

2 加工工藝研究

為進一步提高GOS 閃爍陣列的生產效率，現提出改進加工工藝，在保證加工精度同時，提高生產效率、且整個加工工藝簡單易行。

以某款需加工成陣列的矩形GOS 坯件為例，其外形尺寸為25.5mm×3mm×3mm。首先將待加工的GOS 坯件通過工裝和UV 膠精確固定在玻璃板的指定位置上。GOS 坯件的間距為兩邊晶體反射膠的厚度加上一個加工刀具的刀厚，X 代表GOS 坯件短邊反射膠厚度，Y 代表刀厚，Z 代表GOS 坯件長邊反射膠厚度。排列的數量以劃片機的可用工作范圍確定，一般可以以8 個為一組排布，見圖2。最大可排列每排30 個共5 排， 共計150 個，見圖3。

圖2 一組GOS 坯件排布Fig.2 A set of GOS blanks

圖3 最大加工排布Fig.3 Maximum machining layout

經反復試驗，GOS閃爍陣列改進加工工藝流程分為以下步驟。

2.1 切出獨立像素

先將GOS 晶體坯件一個一個擺放并粘貼到定位工裝里， 然后在坯件頂面涂敷適量的UV 膠，把底托板壓放到定位工裝里并與GOS陶瓷坯件進行粘貼，待整個粘貼組件固化后，通過劃片機切出16 個獨立像素。 劃片機在GOS 上的切深為2.9mm，留出一個0.1mm 的梳子背，之后通過清洗機清洗。

2.2 灌封坯件

將玻璃板上加工好的一組GOS 坯件，通過工裝灌封反射膠，形成一個GOS 和反射膠的矩形塊，若使用浸入式灌封工裝，則需要先將定量的反射膠倒入工裝內，然后開槽組件的底托板在上面、將晶體緩慢的放入灌封工裝內，待反射膠有溢出時停下待固化，固化后拆下灌封工裝。 若使用框封式灌封工裝，則需將開槽組件與工裝組裝，檢查底托板面是否密封好，然后將反射膠倒入灌封腔體內。灌封的厚度約3.6～3.8mm，即GOS 的上表面留有0.6～0.8mm 厚的反射膠，灌封的長寬為晶體尺寸加上四周所需的白膠厚度。 灌封后的一組GOSS 灌封坯件，見圖4。

圖4 一組GOS 灌封坯件Fig.4 A group of GOS potting blank

2.3 銑磨上表面

將GOS 矩形塊從灌封工裝中取出，通過銑磨機加工GOS 大整塊的上表面，保證其平面度＜0.05，加工后GOS大整塊的厚度從3.6～3.8mm 減為3.5mm。

2.4 分離GOS 矩形塊

通過LED 燈或烘箱加熱到130℃以上，使UV 膠失去粘性，之后停止加熱。 待溫度下降到80℃時，將GOS 矩形塊與粘接的玻璃板分離。

2.5 銑磨下表面

通過銑磨機加工GOS 矩形塊的下表面， 磨去0.1mm厚的梳子背，使GOS 晶體的厚度為2.9mm，GOS 矩形塊的厚度為3.4mm。

2.6 切割成獨立陣列

依照圖紙，使用劃片機將GOS 矩形塊切割開。 再切成獨立的一個一個GOS 閃爍陣列。

3 結論

目前GOS 閃爍陣列已經安檢領域中的高端安檢機、CT 和平板探測器中廣泛應用。 未來隨著技術不斷成熟、GOS 閃爍陣列的制備成本將不斷下降。 同時隨著加工工藝的改進， 其加工成本也將下降， 進而可以代替CsI 材料，應用于低端安檢領域，占有更大市場份額。

GOS 閃爍陣列改進加工工藝， 將現有工藝中每一個GOS 獨立進行開槽、灌封、切割等加工工藝，改進為先形成一個GOS 矩形塊，再以組為單位進行加工，生產效率提高了2 倍以上。通過光學影像儀檢測，該改進工藝加工的GOS 閃爍陣列精度滿足要求。 同時，該工藝也適用于加工CsI、GAGG、CdWO4等應用于安檢領域的閃爍陣列。