至少一個光電檢測器具有紋理化的光致變色層的發光材料的製作方法
2023-06-06 15:04:06
常規地使用通常為單晶的閃爍體檢測所述電離輻射(其包括電離粒子，例如尤其是質子，中子，電子，α粒子，離子和X射線或γ射線)，其將入射輻射轉換成光，光然後使用諸如光電倍增管的光接收器被轉換為電信號。所使用的閃爍體特別地可以由鉈摻雜的碘化鈉(以下表示為NaI(Tl))，鉈或鈉摻雜的碘化銫或鈰或鐠摻雜的鑭滷化物的單晶製成。基於鑭滷化物的晶體已經是最近工作的主題，例如在US7067815，US7067816，US2005/188914，US2006/104880和US2007/241284中公開的那些。這些晶體在光強度和解析度方面是有前景的。在投影燈中使用某些發光材料，例如YAG(鈰摻雜的鋁釔氧化物)，以便將不可見光，特別是在UV中的不可見光轉換成可見光，從而增加在可見光中投射的光量。這種強度的提高可以用於增大圖像的對比度。由閃爍體發射的光由可以為光電倍增管，光電二極體或CCD等類型的光電檢測器進行接收。在許多應用中，光電檢測器通過直接接觸或通過非常薄的窗口光學耦合到閃爍體，該窗口可是單一的薄油脂層。對於這種類型的耦合，由於在閃爍體和光電檢測器之間的直接接近，來自閃爍體的光的出射角通常不太重要。然而，即使在這種情況下，角度也可以具有一定的重要性：1)對於空間檢測器(行(ligne)或像素)，垂直入射角減小串擾並提高圖像的清晰度，2)矽光電檢測器具有高折光指數，並且減少垂直入射降低菲涅爾反射並提高效率，3)對於光電倍增管，垂直入射產生具有較窄的光電子能量的色散，因此產生更好解析度。光通常以準朗伯方式離開閃爍體，這意味著從閃爍體的出射面出射的光的角分布是非常寬的。然而，這種光通常由光電檢測器令人滿意地收集。然而，某些應用，例如使用電子加速器的高能射線照相術，IRM-PET，反應器核心的成像和在人體中的成像，使用在閃爍體的光出射面與光電探測器之間更遠的光學耦合。這些應用利用使光電檢測器遠離閃爍體(例如光纖或透鏡)的光學系統。對於這些應用，特別重要的是減小來自閃爍體的出射面的光的出射角。通過減小該角分布，增加檢測到的光量。此外，對於光電檢測器在本質上對光的入射角敏感的情況，減小閃爍體的出射光的角分布體現為光電檢測器響應的更好均勻性。當希望減少從閃爍體的出射面出射的光的角分布，原則上不推薦使用將增強在晶體中的光路徑的隨機性的裝置，特別是例如在晶體的外表面上產生粗糙度。根據本發明，提出將紋理化光子晶體放置在發射光的發光材料的出射表面上，以便將離開所述發光材料的光引導成更窄角度的錐形。在閃爍體類型的發光材料的情況下，光子晶體的功能是準直光，使得與光電檢測器的耦合在閃爍體/光子晶體系統的整個出射表面上是更有效和均勻的。在發光材料的情況下，特別是在投影燈的情況下，使光更好地朝向目標，例如圖像。本發明首先涉及一種發光材料，特別是閃爍體類型的發光材料，包括塗覆有紋理化層的面，所述層的紋理包括均勻分布在所述面上的相同花紋，所述層減小由所述發光材料發射的並穿過所述面的光的提取錐的角度。藉助於本發明，離開發光材料的光更緊密地限制在較小頂角的錐體中，從而改善其收集。光子晶體的紋理是周期性結構，其周期接近於由閃爍體發射的光的波長。光子層由規則地布置在該發光材料的光出射表面上的相同柱體(plots)或凹孔的陣列組成。這些花紋可以由高度H(=層的厚度)和特徵尺寸D進行表徵。它們是相同的並且彼此周期性地間隔開布置。在該相同層中，H相對於H的算術平均值的最多10％的偏差是可容忍的，並且D相對於D的算術平均值的最多10％的偏差是可容許的，某些花紋的這些偏差不是影響它們被認為與其他花紋是相同的。這些花紋可以是任何形狀，但通常是其軸線垂直於出射表面的圓柱體的形狀。這些花紋具有對應於它們的與出射表面平行的最大維度的特徵尺寸。該特徵尺寸稱為「D」。如果花紋具有平行於出射表面的正方形或矩形截面，則D對應於所述正方形或矩形的對角線。如果花紋是其軸線垂直於出射表面的圓柱體，則D對應於圓柱體的直徑。通過沿著兩個在出射表面的平面中的向量和的連續的和任選組合的平移，所述花紋在材料的整個表面上有規律地重複。向量之間的角度在0°和90°之間。因此，正方形組織(organisation)對應於具有相同長度的並彼此之間形成90°角度的向量和，而六邊形組織對應於具有相同長度的並彼此形成60°角度的向量和。將向量和的長度中的最小值稱為在兩個相鄰花紋之間的距離「a」。如果λSC是發光材料的出射光的最大發射波長(對應於發射峰的最大值)，則通常λSC/a在從0.5至1.5，優選從0.8至1.3，更優選從0.85至1.1的範圍內。優選地，D/a在從0.2至0.8的範圍內。層的厚度H在從10nm到1000nm，優選在100和500nm之間的範圍內。根據本發明的經塗覆的發光材料特別適用於具有小的接收角，特別地小於45°，甚至小於20°，甚至小於10°的接收角的光學耦合系統。因此，本發明還涉及包含根據本發明的閃爍體材料的裝置，其通過光學耦合系統經由用紋理化層塗覆的面以小於45°，甚至小於20°，甚至小於10°的接收角耦合到至少一個光電檢測器。光的出射角應該越小，λSC/a接近1越有利。通過根據本發明的層，可以獲得大於50％，甚至更大大於100％，甚至大於150％的光提取的增加(以瓦特度量)。可以通過測量從具有給定接受角的成像系統(例如由具有已知焦距和直徑的透鏡組成)的輸出功率(瓦特)來測量這種增加。然後在透鏡的焦點處進行測量。因為光學耦合系統的接收角小，可以希望出射角很小，特別是在閃爍體材料和光電檢測器之間耦合的情況下。紋理化層被應用於來自發光材料(特別是閃爍體類型發光材料)的光的出射表面。特別地，它可以是閃爍體的光出射面，該光出射面需要通過具有給定接受角(例如對於光纖為20°)的光學系統耦合到光電檢測器。處理髮光材料的其它表面的方式也對提取的光量有影響。已經令人驚訝地觀察到，特別是在閃爍體材料的情況下，如果使其它表面是粗糙的並且被光反射體覆蓋，則獲得最好的結果。事實上，粗糙度有效地使得光在閃爍體的出射界面處的角度和位置完全隨機。然而，正是這種類型的表面處理已經產生了最好的結果。表面的粗糙度以已知的方式通過磨砂，例如用砂紙(特別是P200至P1000類型砂紙)獲得。光的反射體優選為白色的，並且可以通過運用反射材料條(例如聚四氟乙烯(PTFE)，特別是以商品名Teflon銷售的PTFE)而施加到粗糙表面上。將反射材料條施加到閃爍體的粗糙表面上將空氣捕獲在條和閃爍體之間，這是有利的。因此，優選地，根據本發明的材料的沒有用紋理化層塗覆的面是粗糙的並且塗覆有反射材料，特別是PTFE，在閃爍體和反射材料本身之間留有空氣。紋理化層的材料具有接近於發光材料的折光指數，並且優選地在為發光材料的折光指數的0.8至1.2倍，優選地0.9至1.1倍的範圍內。該層由對發光材料的出射光的波長透明的材料製成。紋理化層的材料首先從在折光指數的角度方面它與發光材料的相容性考慮進行選擇。通常，紋理化層可以由氮化矽或氧化鈦製成。該紋理可以通過光刻，電子束蝕刻或通過溶膠-凝膠層的壓花來產生。閃爍體類型的發光材料尤其可以是LSO，LYSO，LuAP，YAG，NaI，CsI，GSO，BGO，CLYC，CLLB，LaCl3，LaBr3或Gd2O2S:Pr:Ce(稱為「GOS」)，所有這些材料含有適於其閃爍的摻雜元素。閃爍體類型的發光材料還可以是BGO(Bi4Ge3O12)，CDO(CdWO4)，PWO(PbWO4)或CsI。閃爍體以精確的波長發射，其發射峰的寬度取決於其性質。LYSO通常在約420nm發射。CLYC(Cs2LiYCl6族)通常在約365nm發射。上面討論的波長λSC是對應於閃爍體的特徵光發射峰的頂點的波長。閃爍體通常是單晶體。波長轉換體的發光材料可以是YAG類型的，即通常摻雜有鈰的釔鋁氧化物類型的石榴石(YAG:Ce)。舉例來說，可以提及Y2.99Al5Ce0.01O12。這種材料將紫外線轉化為可見光。波長轉換體類型的發光材料還可以是Gd3(Al1-xGax)5O12：Ce(稱為「GAG:Ce」)或(Gd1-yYy)3(Al1-xGax)5O12：Ce(稱為「GYGAG:Ce」)。因此，波長轉換體類型的發光材料可以是YAG或GAG或GYGAG類型，特別是YAG：Ce或GAG:Ce或GYGAG:Ce類型。發光材料，特別是閃爍體類型的發光材料可以是單晶或多晶。在多晶材料的情況下，材料的粉末被壓縮以便轉化為丸粒。在投影燈的應用中，發光材料以具有通常在0.05mm和0.2mm之間的厚度的薄片的形式進行使用。該薄片通過一個面接收入射光，使該光穿過，並且通過另一個面發射該出射光。在波長轉換發光材料的情況下，考慮到發光材料將一部分不可見的入射紫外光轉換成可見的出射光，出射光在可見光中具有較高的強度。因此，本發明還涉及包括光源和根據本發明的發光材料的薄片的投影燈，所述發光材料是波長轉換體類型，所述光源朝向所述薄片的第一面發射光，所述薄片的第二面塗覆有紋理化層。特別地，發光材料有利地將不可見入射光(朝向第一面)轉換成可見出射光(從第二面出射)。與沒有紋理化層的相同裝置相比，由發光材料發射的光穿過紋理化層，然後從紋理化層出射，所述紋理化層減小出射光的提取錐的角度。根據本發明的塗覆有光子層的閃爍體類型發光材料特別對於需要光學系統(意味著在閃爍體和光電檢測器之間的大距離)的檢測裝置是有利的。因此，本發明特別涉及包括根據本發明的閃爍體材料的裝置，其通過塗覆有紋理化層的面耦合到光電檢測器，所述檢測器與材料分隔至少5cm，甚至至少1m的距離。作為示例，可以提到這種類型的以下兩種用途：a)在成像中，特別是醫學成像中，使用由閃爍體材料製成的像素矩陣的區域，其中照相機朝向所述區域。相機可以是CCD相機或電影相機或膠片高速數字相機。這在光電檢測器必須遠離輻射源或電磁噪聲的情況下對於射線照相是有用的。使用電子加速器的高能射線照相是一個具體實例。b)有時，光纖與閃爍體像素耦合，目的是將光電檢測器放置在離輻射源足夠的距離處，或者為了減小在像素附近的儀器的尺寸。窄的光發射錐形意味著更多的光在用於全內反射的臨界角內。使用這種技術的具體實例是在高磁場如IRM場(例如，IRM-PET)中的成像，在反應器的核心中的成像，在人體或動物體中的成像(例如結腸成像)。在上述情況b)中，根據本發明的材料通過塗覆有紋理化層的面被耦合到多個光電檢測器。本發明不僅因為在材料和光電檢測器之間的大距離而且還由於多個光電檢測器(考慮到需要分離用於每個光電檢測器的輻射)而提供優點。本發明對於其中光電檢測器非常接近閃爍體的某些裝置(這是更常規的配置)也是有利的。作為示例，可以提到這種類型的以下四種用途：a)線性像素的矩陣用於電子計算機斷層掃描(tomodensitométrie)成像。當源自相鄰像素的光進入光電二極體時，串擾可能發生在光電二極體之間。這導致在圖像的重建中的不清晰。本發明通過使光更直接地進入最接近的光電二極體中而允許減少這種串擾。b)由矽光電檢測器在檢測光子方面不是100％有效的主要原因是矽具有高折光指數並且過於反射的。垂直接近矽的光子較少受到菲涅耳反射。因此，更集中在垂直於矽表面的窄錐體中的閃爍光將具有較高的被透射的機會。因此，矽光電檢測器將具有更強的信號。c)如在前述應用的情況下，接近光電倍增管(PMT)的窗口的光不僅較少被反射，而且從光電陰極產生的光電子具有較窄的能量分布。這體現為在PMT中的較低增益變化和更好的能量解析度。因此，藉助於本發明獲得具有較高解析度的伽馬光譜儀。d)由於本發明，多陽極光電倍增管(PMT)受益於更高百分比的近垂直光子。這些光子在玻璃窗中較少散射，因此串擾減小並且空間解析度增大。這些多陽極PMT用於醫學成像如PET和SPECT成像中。在上述情況a)中，材料經由用紋理化層塗覆的面耦合到多個光電檢測器。在上述情況b)，c)和d)中，當相對於光檢測器的接收表面的法線的入射角從0°變化到80°時，光電檢測器對入射輻射的功率響應變化大於10％。通過顯著地減小入射角相對於光電檢測器的接收表面的法線的變化，本發明提供了顯著的優點。附圖不是按比例的。附圖1示出了閃爍體材料1，其出射面塗覆有根據本發明的層2。閃爍體的其它面是粗糙的並且塗覆有光的反射材料3。光的紋理化出射面與光學耦合器4接觸。光學耦合器的另一面將光傳輸到光電檢測器5。附圖2示出了使用二極體20作為光源的投影燈。二極體20通常在真空下將光發射到體積21中。內側壁22反射光。YAG的薄片23經由朝向體積21的內部的第一面接收光。薄片23的朝向外部的第二面被提供有紋理化層24，其將光引導到減小角度的錐形中。根據所使用的發光材料，由光源發射的不可見光在通過薄片期間可以被轉換成可見光。附圖3示出了閃爍體30的塗覆有根據本發明的紋理化層31的面的一部分，其包括在閃爍體的表面上規則地並置的多個相同的圓柱形凹孔，使得每個圓柱形凹孔由六個離它相等孔距離「a」的相同凹孔圍繞，所述距離從柱體的軸線(在這裡)進行計算。角度α表示角度(來自閃爍體的光在該角度內部被準直)。附圖4示出了根據本發明的塗覆有紋理化層41的閃爍體40的面的一部分，其包括在閃爍體的表面上規則地並置的多個相同的圓柱形柱體。每個圓柱形柱體被六個離它等距離「a」的相同柱體圍繞，所述距離從柱體的軸(在這裡)進行計算。角度α表示角度(來自閃爍體的光在該角度內部被準直)。附圖5示出了參數「a」和D對在用Si3N4層塗覆的單晶LYSO閃爍體(在λSC=420nm發射)的情況下光提取增大的影響，該層如圖3中進行施用和通過電子束蝕刻進行紋理化，對應於圓柱形凹孔的高度的該層的厚度為450nm。下表匯總了幾個實驗值：aDλSC/aD/a4503000.930.664002801.050.73502401.20.683001801.40.6結果相對於沒有紋理化層的相同晶體進行表示，所述紋理化層給出穿過y軸上的值1的水平直線。可以看出，對於最接近420nm的「a」的值獲得了最好的結果。當提取錐形的角度(度)較小時結果是更好的並且在20°以下時，甚至是優異的。圖6示出了通過在λSC=420nm處發射的LYSO閃爍體的出射表面提取的光的百分比作為提取角的函數。晶體為圓柱形，直徑為63.2mm，高度為76.2mm。這裡考慮在晶體中和在完全隨機方向發射的1瓦特光。比較所有可能的配置的情況(除了出射面之外，對閃爍體的所有面進行或不進行磨砂，並且在出射面上具有或不具有紋理)。在出射面上存在紋理化層的情況下，該層由具有參數為anm，D=280nm和H=450nm的圓柱形凹孔的紋理化Si3N4製成。可以看出，磨砂和紋理的組合給出了最好的結果。特別地，對於30°的提取角，紋理化使從具有經磨砂表面的晶體提取的光增加超過50％。當前第1頁1 2 3