摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝技術(shù)探討

李中波，唐華純

（上海御光新材料科技股份有限公司，上海 201803）

閃爍晶體是指X 射線、γ 射線等照射到晶體材料后，材料中的電子受激躍遷而出現(xiàn)可見(jiàn)光或者紫外光等閃爍光。晶體材料的物理性能優(yōu)越，具有光輸出高、密度大的特征，在核物理、材料無(wú)損探傷等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是因?yàn)殚W爍晶體的精密度較高，可能因?yàn)槎喾N因素而導(dǎo)致其性能下降，所以為保障材料性能，則需要做封裝處理。因此為了能夠滿(mǎn)足未來(lái)企業(yè)對(duì)閃爍晶體的使用要求，則需要對(duì)其封裝工藝做進(jìn)一步改進(jìn)，這也是本文研究的主要目的。

1 技術(shù)背景

摻鈰溴化鑭閃爍晶體是在常規(guī)閃爍晶體技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新技術(shù)，具有更強(qiáng)的高光輸出及高能量分辨率等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是無(wú)機(jī)閃爍體領(lǐng)域發(fā)展的新方向，大量應(yīng)用實(shí)踐證明，摻鈰溴化鑭閃爍晶體在環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但不容忽視的是，摻鈰溴化鑭閃爍晶體在空氣環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)潮解氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致其性能下降，因此在摻鈰溴化鑭閃爍晶體管理中需要做封裝處理。所謂封裝，是指將閃爍晶體密封在一個(gè)封閉空間中，進(jìn)而使晶體與環(huán)境有效分隔，目前晶體盒主要由一個(gè)或者多個(gè)有良好透光性的窗口、盒體等組成，進(jìn)而形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的封閉環(huán)境[1]。目前常見(jiàn)的材料包括石英光學(xué)玻璃、K9 號(hào)光學(xué)玻璃等；盒體的金屬材料可以經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工制作獲得。

而根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)可知，在閃爍晶體封裝處理中，影響封裝效果的因素包括晶體表面形態(tài)、反射層性能及光耦合劑參數(shù)等，通過(guò)調(diào)整上述3 個(gè)因素，可以達(dá)到保障摻鈰溴化鑭閃爍晶體性能的目的，并且封裝處理后，摻鈰溴化鑭閃爍晶體可以經(jīng)高能射線激發(fā)產(chǎn)生光子，光子在閃爍晶體內(nèi)會(huì)按照特定的光學(xué)規(guī)律傳播，并用特定功能軟件將其錄入到探測(cè)器件中，方便隨時(shí)評(píng)估晶體的性能，具有必要性。

而結(jié)合相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，相關(guān)人員根據(jù)閃爍晶體的封裝提出了不同的操作方法，主要是根據(jù)閃爍晶體的不同應(yīng)用方向制定對(duì)應(yīng)的封裝工藝，主要包括以下幾點(diǎn)。

1）在常規(guī)的環(huán)境輻射測(cè)量中，當(dāng)無(wú)明顯的溫度突變或者振動(dòng)情況下，檢測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度小于等于90%時(shí)，在無(wú)特殊精度要求的情況下，常規(guī)的加工鋁制外殼可以滿(mǎn)足閃爍晶體封裝的強(qiáng)度要求；而在光學(xué)玻璃的選擇上，常規(guī)的石英玻璃或者K9 玻璃均可，在連接位置需使用環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)膠黏劑。而針對(duì)摻鈰溴化鑭閃爍晶體等特殊閃爍晶體則需要在表面做拋光處理，另外一面做打磨。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)，就是可以確保閃爍晶體內(nèi)部產(chǎn)生的光子在發(fā)生漫反射后經(jīng)光面透過(guò)玻璃而被收集，因此需要在晶體盒與晶體之間填充具有更強(qiáng)反射率的材料。

2）核醫(yī)學(xué)方面。閃爍晶體在核醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用較為常見(jiàn)，因?yàn)榫w面積大因此需要設(shè)置多個(gè)光電倍增管收集，其目的是提升核醫(yī)學(xué)的成像質(zhì)量，這對(duì)晶體封裝工藝提出了更高要求。為滿(mǎn)足這一目標(biāo)，需要借助特殊的密封工藝保證盒體及玻璃連接的密封及優(yōu)質(zhì)的機(jī)械加工晶體盒保證整體的強(qiáng)度等。

3）在石油地質(zhì)勘探中，因?yàn)槭涂碧綄?duì)閃爍晶體的應(yīng)用提出了嚴(yán)苛的要求，這就對(duì)閃爍晶體的封裝提出了更高的要求。例如在常規(guī)的密封膠類(lèi)產(chǎn)品中難以適應(yīng)175 ℃的異常條件，因此在現(xiàn)場(chǎng)處理中需要選擇特殊的密封方式；同時(shí)溫度沖擊也可能給閃爍晶體封裝帶來(lái)挑戰(zhàn)，若封裝效果差可能會(huì)導(dǎo)致閃爍晶體受熱開(kāi)裂[2]。因此常規(guī)封裝工藝無(wú)法滿(mǎn)足石油地質(zhì)勘察的要求。為滿(mǎn)足石油地質(zhì)勘探要求，在閃爍晶體封裝中應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：①選擇專(zhuān)門(mén)適應(yīng)高溫條件的光窗玻璃，經(jīng)無(wú)膠黏劑的設(shè)計(jì)方法特定加工后，使窗口的耐受溫度超過(guò)300 ℃，滿(mǎn)足石油地質(zhì)勘探的基本要求。②在密封部位處理中，可采用激光焊接熔封工藝。③通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的彈簧結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以在閃爍晶體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)能緩沖，避免閃爍晶體在石油地質(zhì)勘察中遭受結(jié)構(gòu)損傷等。

從上述閃爍晶體封裝技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來(lái)看，針對(duì)不同應(yīng)用方向采取不同閃爍晶體封裝工藝的操作難度高、難以進(jìn)行質(zhì)量管理，這也成為制約相關(guān)技術(shù)發(fā)展的重要因素。因此為了解決上述問(wèn)題，則需要尋找一種更加科學(xué)有效的封裝工藝。

2 試驗(yàn)原材料與設(shè)備準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)中所使用的摻鈰溴化鑭閃爍晶體為本單位自行研制的摻加了5%三氯化鈰的LaBr3：Ce 晶體。為圓柱形，參數(shù)25.4 mm×25.4 mm；光耦合劑型號(hào)為進(jìn)口光學(xué)環(huán)氧膠，其中也包含一定數(shù)量的進(jìn)口光學(xué)有機(jī)硅膠。

試驗(yàn)中的反射層材料為光學(xué)級(jí)輕質(zhì)氧化鎂粉、聚四氟乙烯薄膜及聚四氟乙烯微粉等。

分別準(zhǔn)備厚度為1.0、2.0、3.0 mm 的石英玻璃及1塊厚度為2.0 mm 的K9 玻璃。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)中所使用的設(shè)備包括真空烘干機(jī)、手套箱及攪拌機(jī)等。

3 試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 樣品制作

3.1.1 透光率測(cè)試樣品的制作方法

將需要混合的光耦合劑倒入到攪拌機(jī)中徹底攪拌均勻后，盛出并在真空烘干機(jī)下抽取氣泡；之后將處理好的光耦合劑均勻涂抹在石英片上，再蓋上一層0.5 mm的石英片，在室溫環(huán)境下靜置120 min 后，用無(wú)水乙醇徹底清理2 片石英片的外側(cè)，并徹底陰干待用。

3.1.2 能譜測(cè)量樣品

工作人員分別將不同類(lèi)型的封裝材料放置到盛放干燥劑的手套箱中靜置24 h 后拿出備用。同時(shí)用砂紙或者拋光設(shè)備對(duì)晶體表面進(jìn)行加工后，用反射層材料包裹并與外殼窗口表面通過(guò)光耦合劑做耦合[3]。也可以將加工好的晶體與窗口內(nèi)表面耦合，之后再灌裝封裝反射材料。在密封膠，密封加蓋后取出。

3.2 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 測(cè)試設(shè)備與測(cè)試條件

3.3.1 分光光度計(jì)

本次試驗(yàn)中使用UNICO-2000 型可見(jiàn)光光度計(jì)，設(shè)置相對(duì)濕度30%，測(cè)試環(huán)境23%。

3.3.2 插件式能譜儀

試驗(yàn)中所使用的插件式能普儀為ORTEC 公司提供的能譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是檢測(cè)摻鈰溴化鑭閃爍晶體的性能變化，主要功能構(gòu)件包括電子學(xué)部分及檢測(cè)部分，其中電子學(xué)部分的關(guān)鍵裝置包括前置放大器、電源、多道分析儀、主放大器及對(duì)應(yīng)的微型計(jì)算機(jī)控制裝置等；檢測(cè)部分包括待測(cè)晶體、放射源和光電倍增裝置等。本次試驗(yàn)中所使用的光譜分析軟件為MASTRO。

在性能測(cè)試過(guò)程中，選取待測(cè)摻鈰溴化鑭閃爍晶體經(jīng)光電倍增管與光耦合劑的處理后，設(shè)置放射源位為待測(cè)晶體的正中方向，二者距離2～3 cm 處；試驗(yàn)環(huán)境為暗室，試驗(yàn)人員設(shè)置相關(guān)電子學(xué)插件參數(shù)后，即可進(jìn)行性能檢測(cè)。

3.3.3 測(cè)試條件設(shè)定

在本次試驗(yàn)中，工作人員在充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)定放射源Cs-137，主放倍增系數(shù)30，高壓700 V，多道為2 048 道，積分時(shí)間120 s。

4 結(jié)果與討論

4.1 摻鈰溴化鑭閃爍晶體的光學(xué)性能分析

本次試驗(yàn)中所使用的摻鈰溴化鑭閃爍晶體，主要通過(guò)大量分散的鈰離子激活發(fā)光。通過(guò)對(duì)晶體發(fā)射光譜與投射光譜的調(diào)查后，本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該晶體的發(fā)光范圍維持在300～450 nm，其中存在2 個(gè)發(fā)光主峰，檢測(cè)后顯示2 個(gè)發(fā)光主峰的波長(zhǎng)分別為358、386 nm。

4.2 光收集系統(tǒng)分析

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的調(diào)查研究，認(rèn)為光收集系統(tǒng)是影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝性能的重要因素，因此對(duì)該系統(tǒng)的性能分析是整個(gè)試驗(yàn)中不容忽視的部分，本次試驗(yàn)中在綜合考慮到溫度、濕度等指標(biāo)變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響后，在試驗(yàn)過(guò)程中只會(huì)針對(duì)摻鈰溴化鑭閃爍晶體對(duì)應(yīng)的光收集系統(tǒng)的特定因素展開(kāi)討論，最后整合試驗(yàn)結(jié)果，得出試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論。

4.2.1 光窗材料與耦合劑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在本次試驗(yàn)中以2 種常見(jiàn)的光窗材料試驗(yàn)來(lái)評(píng)估對(duì)摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝效果的影響，其中無(wú)論是K9 玻璃還是石英玻璃，其厚度均為2 mm。在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)2 種玻璃的性能展開(kāi)測(cè)試，最終結(jié)果顯示石英玻璃的透過(guò)率顯著高于K9 玻璃，其中二者在320～450 nm 范圍內(nèi)的透過(guò)率有明顯差異，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，K9 玻璃的透過(guò)率與石英玻璃透過(guò)率相比最大差值可能達(dá)到10.94%，根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為石英玻璃有更滿(mǎn)意的透過(guò)率，可以將該材料作為摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝的窗口。

在評(píng)估不同類(lèi)型光耦合劑對(duì)封裝效果的影響后，根據(jù)本文的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在摻鈰溴化鑭閃爍晶體發(fā)光范圍（300～450 nm）內(nèi)有機(jī)硅類(lèi)光耦合劑及環(huán)氧類(lèi)耦合劑的性能良好，其透過(guò)率均大于等于90%；而二者相比較，有機(jī)硅類(lèi)硅油的透過(guò)率更高，但是因?yàn)楣栌土鲃?dòng)性問(wèn)題會(huì)影響該技術(shù)的應(yīng)用范圍，所以在綜合對(duì)比各種材料的性能指標(biāo)之后，本次研究中最終決定將有機(jī)硅膠作為摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝中的耦合劑。

而考慮到物理化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似但是折射率不同的有機(jī)硅膠在性能上存在不同，可能會(huì)影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體的封裝效果，所以需要針對(duì)折射率不同的有機(jī)硅膠展開(kāi)試驗(yàn)[4]。根據(jù)光學(xué)理論的相關(guān)內(nèi)容可知，當(dāng)高折射率介質(zhì)進(jìn)入到低折射率介質(zhì)后可能發(fā)生全反射。而本文所研究的摻鈰溴化鑭閃爍晶體其折射率達(dá)到了1.9，而所選擇的石英玻璃材料的折射率僅為1.45～1.46，可見(jiàn)二者之間存在較大的差異；而低折射率氣體的存在（大部分情況下此類(lèi)氣體的折射率小于1）會(huì)降低全反射角的大小，增加摻鈰溴化鑭閃爍晶體內(nèi)部閃爍光子內(nèi)陷的風(fēng)險(xiǎn)。所以在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本文認(rèn)為可以選擇在光學(xué)石英玻璃與摻鈰溴化鑭閃爍晶體之間填充折射率適宜的光耦合劑，該操作的目的是增加反射角參數(shù)，并有效提升光子輸出的數(shù)量，這對(duì)于維持摻鈰溴化鑭閃爍晶體性能有重要意義，保證了封裝技術(shù)的處理效果。

所以本文根據(jù)光學(xué)薄膜增透理論，計(jì)算光垂直入射增透膜時(shí)的反射率，反射率的計(jì)算方法如公式（1）所示

根據(jù)公式（1）的內(nèi)容并結(jié)合本文所選的相關(guān)材料性能運(yùn)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)n=1.662 1 時(shí)=0，根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，所選擇的光耦合劑折射率越接近1.662 1時(shí)則證明材料的性能越令人滿(mǎn)意。而目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的硅膠折射率在1.40～1.54，根據(jù)這一數(shù)據(jù)展開(kāi)運(yùn)算后，得出當(dāng)使用折射率為1.40 的硅膠時(shí)，則=17.10%；而在使用折射率為1.54 的有機(jī)硅膠時(shí)，則=7.77%。從這一組數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，折射率為1.54 的有機(jī)硅膠的性能更令人滿(mǎn)意。

同時(shí)根據(jù)前文介紹的試驗(yàn)條件可知，本文所使用的摻鈰溴化鑭閃爍晶體為圓柱形，參數(shù)為25.4 mm×25.4 mm，在對(duì)其表面拋光后包裹聚四氟乙烯薄膜，并與光電倍增管耦合之后，分別選擇不同折射率的硅膠為耦合劑展開(kāi)試驗(yàn)。根據(jù)本次試驗(yàn)過(guò)程也可以發(fā)現(xiàn)：高折射率光學(xué)有機(jī)硅膠為光耦合劑時(shí)，與常規(guī)折射率光學(xué)有硅膠相比有一定的改善，但是幅度不大。

最后在試驗(yàn)過(guò)程中以不同厚度石英玻璃為光窗開(kāi)展摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝試驗(yàn)并進(jìn)行測(cè)試，再對(duì)摻鈰溴化鑭閃爍晶體徹底拋光后背面與側(cè)面包裹聚四氟乙烯薄膜，出光面與不同厚度的石英玻璃耦合[5]。根據(jù)本次研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，石英玻璃的厚度成為影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體光輸出結(jié)果的重要因素，其中隨著石英玻璃厚度的增加，光輸出能量不斷降低，能量分辨率整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石英玻璃的厚度達(dá)到3 mm 后，其能量分辨率劣化至3.27%。所以根據(jù)本文的相關(guān)結(jié)果可以認(rèn)為，理想的石英玻璃厚度應(yīng)小于等于2 mm，在條件允許的情況下應(yīng)考慮盡可能地減少石英玻璃的厚度，這對(duì)于保證封裝效果意義重大，理想狀態(tài)下是光電倍增管與摻鈰溴化鑭閃爍晶體直接耦合制成閃爍探頭，這也是一種有效的解決方法。

4.2.2 設(shè)置反射層

在本摻鈰溴化鑭閃爍晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上展開(kāi)反射層性能測(cè)試，在對(duì)材料進(jìn)行拋光后，以硅油為耦合劑，設(shè)置石英片厚度2 mm，分別包裹不同反射層的材料展開(kāi)性能分析。結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反射層材料為聚四氟乙烯微粉時(shí)，摻鈰溴化鑭閃爍晶體的光輸出效果良好，達(dá)到了3.3%；相比之下輕質(zhì)氧化鎂粉的效果最差，為3.01%。所以可以認(rèn)為，在設(shè)置反射層時(shí)聚四氟乙烯微粉的效果最好，值得關(guān)注。

4.2.3 晶體表面形態(tài)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

為判斷不同摻鈰溴化鑭閃爍晶體表面形態(tài)對(duì)封裝效果的影響，本次試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定耦合劑為硅油、反射層材料為聚四氟乙烯薄膜，采用直接耦合光電倍增管的試驗(yàn)處理方法。

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻鈰溴化鑭閃爍晶體的入射表面粗糙，并且出光面與側(cè)面拋光時(shí)，封裝工藝所取得的效果最滿(mǎn)意，因此可以將其作為表面晶體形態(tài)的最終選擇。

5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所介紹的摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝工藝的合理性，本文對(duì)該工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，驗(yàn)證的試驗(yàn)條件為：①選擇折射率為1.54 的有機(jī)硅膠為耦合劑；②反射層材料為聚四氟乙烯微粉；③晶體表面的形態(tài)為入射面粗糙，出光面與側(cè)面拋光。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，摻鈰溴化鑭閃爍晶體的封裝效果良好，其能量分辨率達(dá)到了2.91%，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分滿(mǎn)足技術(shù)應(yīng)用與推廣的要求，并且在一般環(huán)境輻射測(cè)量、核醫(yī)學(xué)及石油勘探等方面，該封裝技術(shù)的適應(yīng)性良好，提示該技術(shù)能夠滿(mǎn)足不同行業(yè)的閃爍晶體封裝要求，值得關(guān)注。

6 結(jié)論

在本次研究中介紹了一種科學(xué)有效的摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)方案相比，該封裝技術(shù)展現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，解決了傳統(tǒng)工藝中封裝技術(shù)適應(yīng)性差、操作難度高的問(wèn)題。因此相關(guān)工作人員可以從反射層材料為聚四氟乙烯微粉、光耦合劑為折射率1.54 的光學(xué)有機(jī)硅膠、閃爍晶體表面為入射面粗糙和出光面與側(cè)面拋光等方面入手優(yōu)化封裝工藝手段，這對(duì)于保障摻鈰溴化鑭閃爍晶體性能有重要意義，值得關(guān)注。