摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝技術探討

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可見光或者紫外光等閃爍光。晶體材料的物理性能優越，具有光輸出高、密度大的特征，在核物理、材料無損探傷等諸多領域應用廣泛。但是因為閃爍晶體的精密度較高，可能因為多種因素而導致其性能下降，所以為保障材料性能，則需要做封裝處理。因此為了能夠滿足未來企業對閃爍晶體的使用要求，則需要對其封裝工藝做進一步改進，這也是本文研究的主要目的。

1 技術背景

摻鈰溴化鑭閃爍晶體是在常規閃爍晶體技術基礎上發展而來的新技術，具有更強的高光輸出及高能量分辨率等優點，被認為是無機閃爍體領域發展的新方向，大量應用實踐證明，摻鈰溴化鑭閃爍晶體在環境檢測、醫療檢測等領域具有廣闊的應用前景。但不容忽視的是，摻鈰溴化鑭閃爍晶體在空氣環境下會出現潮解氧化現象，導致其性能下降，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封閉空間中，進而使晶體與環境有效分隔，目前晶體盒主要由一個或者多個有良好透光性的窗口、盒體等組成，進而形成一個相對穩定的封閉環境[1]。目前常見的材料包括石英光學玻璃、K9 號光學玻璃等；盒體的金屬材料可以經過現場加工制作獲得。

而根據現有的經驗可知，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、反射層性能及光耦合劑參數等，通過調整上述3 個因素，可以達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高能射線激發產生光子，光子在閃爍晶體內會按照特定的光學規律傳播，并用特定功能軟件將其錄入到探測器件中，方便隨時評估晶體的性能，具有必要性。

而結合相關技術的發展現狀來看，相關人員根據閃爍晶體的封裝提出了不同的操作方法，主要是根據閃爍晶體的不同應用方向制定對應的封裝工藝，主要包括以下幾點。

1）在常規的環境輻射測量中，當無明顯的溫度突變或者振動情況下，檢測環境相對濕度小于等于90%時，在無特殊精度要求的情況下，常規的加工鋁制外殼可以滿足閃爍晶體封裝的強度要求；而在光學玻璃的選擇上，常規的石英玻璃或者K9 玻璃均可，在連接位置需使用環氧樹脂類膠黏劑。而針對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。這種工藝的優點，就是可以確保閃爍晶體內部產生的光子在發生漫反射后經光面透過玻璃而被收集，因此需要在晶體盒與晶體之間填充具有更強反射率的材料。

2）核醫學方面。閃爍晶體在核醫學中的應用較為常見，因為晶體面積大因此需要設置多個光電倍增管收集，其目的是提升核醫學的成像質量，這對晶體封裝工藝提出了更高要求。為滿足這一目標，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質的機械加工晶體盒保證整體的強度等。

3）在石油地質勘探中，因為石油勘探對閃爍晶體的應用提出了嚴苛的要求，這就對閃爍晶體的封裝提出了更高的要求。例如在常規的密封膠類產品中難以適應175 ℃的異常條件，因此在現場處理中需要選擇特殊的密封方式；同時溫度沖擊也可能給閃爍晶體封裝帶來挑戰，若封裝效果差可能會導致閃爍晶體受熱開裂[2]。因此常規封裝工藝無法滿足石油地質勘察的要求。為滿足石油地質勘探要求，在閃爍晶體封裝中應從以下幾方面進行改進：①選擇專門適應高溫條件的光窗玻璃，經無膠黏劑的設計方法特定加工后，使窗口的耐受溫度超過300 ℃，滿足石油地質勘探的基本要求。②在密封部位處理中，可采用激光焊接熔封工藝。③通過專門設計的彈簧結構，該結構的優勢是可以在閃爍晶體運動過程中產生運動能緩沖，避免閃爍晶體在石油地質勘察中遭受結構損傷等。

從上述閃爍晶體封裝技術發展的現狀來看，針對不同應用方向采取不同閃爍晶體封裝工藝的操作難度高、難以進行質量管理，這也成為制約相關技術發展的重要因素。因此為了解決上述問題，則需要尋找一種更加科學有效的封裝工藝。

2 試驗原材料與設備準備

2.1 試驗材料準備

本次試驗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25.4 mm×25.4 mm；光耦合劑型號為進口光學環氧膠，其中也包含一定數量的進口光學有機硅膠。

試驗中的反射層材料為光學級輕質氧化鎂粉、聚四氟乙烯薄膜及聚四氟乙烯微粉等。

分別準備厚度為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 試驗設備

本次試驗中所使用的設備包括真空烘干機、手套箱及攪拌機等。

3 試驗過程與現場測試

3.1 樣品制作

3.1.1 透光率測試樣品的制作方法

將需要混合的光耦合劑倒入到攪拌機中徹底攪拌均勻后，盛出并在真空烘干機下抽取氣泡；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，在室溫環境下靜置120 min 后，用無水乙醇徹底清理2 片石英片的外側，并徹底陰干待用。

3.1.2 能譜測量樣品

工作人員分別將不同類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。同時用砂紙或者拋光設備對晶體表面進行加工后，用反射層材料包裹并與外殼窗口表面通過光耦合劑做耦合[3]。也可以將加工好的晶體與窗口內表面耦合，之后再灌裝封裝反射材料。在密封膠，密封加蓋后取出。

3.2 封裝結構設計

本次實驗中所設計的封裝結構如圖1 所示。

圖1 封裝結構示意圖

3.3 測試設備與測試條件

3.3.1 分光光度計

本次試驗中使用UNICO-2000 型可見光光度計，設置相對濕度30%，測試環境23%。

3.3.2 插件式能譜儀

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

在性能測試過程中，選取待測摻鈰溴化鑭閃爍晶體經光電倍增管與光耦合劑的處理后，設置放射源位為待測晶體的正中方向，二者距離2～3 cm 處；試驗環境為暗室，試驗人員設置相關電子學插件參數后，即可進行性能檢測。

3.3.3 測試條件設定

在本次試驗中，工作人員在充分考慮到現場測試實際情況的基礎上，設定放射源Cs-137，主放倍增系數30，高壓700 V，多道為2 048 道，積分時間120 s。

4 結果與討論

4.1 摻鈰溴化鑭閃爍晶體的光學性能分析

本次試驗中所使用的摻鈰溴化鑭閃爍晶體，主要通過大量分散的鈰離子激活發光。通過對晶體發射光譜與投射光譜的調查后，本次試驗發現，該晶體的發光范圍維持在300～450 nm，其中存在2 個發光主峰，檢測后顯示2 個發光主峰的波長分別為358、386 nm。

4.2 光收集系統分析

根據相關學者的調查研究，認為光收集系統是影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝性能的重要因素，因此對該系統的性能分析是整個試驗中不容忽視的部分，本次試驗中在綜合考慮到溫度、濕度等指標變化對測試結果的影響后，在試驗過程中只會針對摻鈰溴化鑭閃爍晶體對應的光收集系統的特定因素展開討論，最后整合試驗結果，得出試驗相關結論。

4.2.1 光窗材料與耦合劑對試驗結果的影響

在本次試驗中以2 種常見的光窗材料試驗來評估對摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝效果的影響，其中無論是K9 玻璃還是石英玻璃，其厚度均為2 mm。在相同的試驗條件下對2 種玻璃的性能展開測試，最終結果顯示石英玻璃的透過率顯著高于K9 玻璃，其中二者在320～450 nm 范圍內的透過率有明顯差異，相關數據計算后發現，K9 玻璃的透過率與石英玻璃透過率相比最大差值可能達到10.94%，根據這一結果可以認為石英玻璃有更滿意的透過率，可以將該材料作為摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝的窗口。

在評估不同類型光耦合劑對封裝效果的影響后，根據本文的相關數據可以發現，在摻鈰溴化鑭閃爍晶體發光范圍（300～450 nm）內有機硅類光耦合劑及環氧類耦合劑的性能良好，其透過率均大于等于90%；而二者相比較，有機硅類硅油的透過率更高，但是因為硅油流動性問題會影響該技術的應用范圍，所以在綜合對比各種材料的性能指標之后，本次研究中最終決定將有機硅膠作為摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝中的耦合劑。

而考慮到物理化學性質類似但是折射率不同的有機硅膠在性能上存在不同，可能會影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體的封裝效果，所以需要針對折射率不同的有機硅膠展開試驗[4]。根據光學理論的相關內容可知，當高折射率介質進入到低折射率介質后可能發生全反射。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（大部分情況下此類氣體的折射率小于1）會降低全反射角的大小，增加摻鈰溴化鑭閃爍晶體內部閃爍光子內陷的風險。所以在該結構設計中，本文認為可以選擇在光學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，并有效提升光子輸出的數量，這對于維持摻鈰溴化鑭閃爍晶體性能有重要意義，保證了封裝技術的處理效果。

所以本文根據光學薄膜增透理論，計算光垂直入射增透膜時的反射率，反射率的計算方法如公式（1）所示

根據公式（1）的內容并結合本文所選的相關材料性能運算發現，當n=1.662 1 時=0，根據這一結果可以認為，所選擇的光耦合劑折射率越接近1.662 1時則證明材料的性能越令人滿意。而目前市場上常見的硅膠折射率在1.40～1.54，根據這一數據展開運算后，得出當使用折射率為1.40 的硅膠時，則=17.10%；而在使用折射率為1.54 的有機硅膠時，則=7.77%。從這一組數據中可以發現，折射率為1.54 的有機硅膠的性能更令人滿意。

同時根據前文介紹的試驗條件可知，本文所使用的摻鈰溴化鑭閃爍晶體為圓柱形，參數為25.4 mm×25.4 mm，在對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試驗。根據本次試驗過程也可以發現：高折射率光學有機硅膠為光耦合劑時，與常規折射率光學有硅膠相比有一定的改善，但是幅度不大。

最后在試驗過程中以不同厚度石英玻璃為光窗開展摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝試驗并進行測試，再對摻鈰溴化鑭閃爍晶體徹底拋光后背面與側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]。根據本次研究結果可以發現，石英玻璃的厚度成為影響摻鈰溴化鑭閃爍晶體光輸出結果的重要因素，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下降趨勢，根據相關數據發現，當石英玻璃的厚度達到3 mm 后，其能量分辨率劣化至3.27%。所以根據本文的相關結果可以認為，理想的石英玻璃厚度應小于等于2 mm，在條件允許的情況下應考慮盡可能地減少石英玻璃的厚度，這對于保證封裝效果意義重大，理想狀態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 設置反射層

在本摻鈰溴化鑭閃爍晶體結構的基礎上展開反射層性能測試，在對材料進行拋光后，以硅油為耦合劑，設置石英片厚度2 mm，分別包裹不同反射層的材料展開性能分析。結合本文的試驗結果可以發現，當反射層材料為聚四氟乙烯微粉時，摻鈰溴化鑭閃爍晶體的光輸出效果良好，達到了3.3%；相比之下輕質氧化鎂粉的效果最差，為3.01%。所以可以認為，在設置反射層時聚四氟乙烯微粉的效果最好，值得關注。

4.2.3 晶體表面形態對試驗結果的影響

為判斷不同摻鈰溴化鑭閃爍晶體表面形態對封裝效果的影響，本次試驗過程中設定耦合劑為硅油、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處理方法。

根據本次試驗結果發現，當摻鈰溴化鑭閃爍晶體的入射表面粗糙，并且出光面與側面拋光時，封裝工藝所取得的效果最滿意，因此可以將其作為表面晶體形態的最終選擇。

5 試驗結果驗證

為了驗證本文所介紹的摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝工藝的合理性，本文對該工藝進行現場驗證，驗證的試驗條件為：①選擇折射率為1.54 的有機硅膠為耦合劑；②反射層材料為聚四氟乙烯微粉；③晶體表面的形態為入射面粗糙，出光面與側面拋光。根據現場測試結果，摻鈰溴化鑭閃爍晶體的封裝效果良好，其能量分辨率達到了2.91%，各項試驗數據充分滿足技術應用與推廣的要求，并且在一般環境輻射測量、核醫學及石油勘探等方面，該封裝技術的適應性良好，提示該技術能夠滿足不同行業的閃爍晶體封裝要求，值得關注。

6 結論

在本次研究中介紹了一種科學有效的摻鈰溴化鑭閃爍晶體封裝技術，與傳統技術方案相比，該封裝技術展現出了良好的適應性，解決了傳統工藝中封裝技術適應性差、操作難度高的問題。因此相關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 的光學有機硅膠、閃爍晶體表面為入射面粗糙和出光面與側面拋光等方面入手優化封裝工藝手段，這對于保障摻鈰溴化鑭閃爍晶體性能有重要意義，值得關注。