掺铈溴化镧闪烁晶体封装技术探讨

李中波，唐华纯

（上海御光新材料科技股份有限公司，上海 201803）

闪烁晶体是指X 射线、γ 射线等照射到晶体材料后，材料中的电子受激跃迁而出现可见光或者紫外光等闪烁光。晶体材料的物理性能优越，具有光输出高、密度大的特征，在核物理、材料无损探伤等诸多领域应用广泛。但是因为闪烁晶体的精密度较高，可能因为多种因素而导致其性能下降，所以为保障材料性能，则需要做封装处理。因此为了能够满足未来企业对闪烁晶体的使用要求，则需要对其封装工艺做进一步改进，这也是本文研究的主要目的。

1 技术背景

掺铈溴化镧闪烁晶体是在常规闪烁晶体技术基础上发展而来的新技术，具有更强的高光输出及高能量分辨率等优点，被认为是无机闪烁体领域发展的新方向，大量应用实践证明，掺铈溴化镧闪烁晶体在环境检测、医疗检测等领域具有广阔的应用前景。但不容忽视的是，掺铈溴化镧闪烁晶体在空气环境下会出现潮解氧化现象，导致其性能下降，因此在掺铈溴化镧闪烁晶体管理中需要做封装处理。所谓封装，是指将闪烁晶体密封在一个封闭空间中，进而使晶体与环境有效分隔，目前晶体盒主要由一个或者多个有良好透光性的窗口、盒体等组成，进而形成一个相对稳定的封闭环境[1]。目前常见的材料包括石英光学玻璃、K9 号光学玻璃等；盒体的金属材料可以经过现场加工制作获得。

而根据现有的经验可知，在闪烁晶体封装处理中，影响封装效果的因素包括晶体表面形态、反射层性能及光耦合剂参数等，通过调整上述3 个因素，可以达到保障掺铈溴化镧闪烁晶体性能的目的，并且封装处理后，掺铈溴化镧闪烁晶体可以经高能射线激发产生光子，光子在闪烁晶体内会按照特定的光学规律传播，并用特定功能软件将其录入到探测器件中，方便随时评估晶体的性能，具有必要性。

而结合相关技术的发展现状来看，相关人员根据闪烁晶体的封装提出了不同的操作方法，主要是根据闪烁晶体的不同应用方向制定对应的封装工艺，主要包括以下几点。

1）在常规的环境辐射测量中，当无明显的温度突变或者振动情况下，检测环境相对湿度小于等于90%时，在无特殊精度要求的情况下，常规的加工铝制外壳可以满足闪烁晶体封装的强度要求；而在光学玻璃的选择上，常规的石英玻璃或者K9 玻璃均可，在连接位置需使用环氧树脂类胶黏剂。而针对掺铈溴化镧闪烁晶体等特殊闪烁晶体则需要在表面做抛光处理，另外一面做打磨。这种工艺的优点，就是可以确保闪烁晶体内部产生的光子在发生漫反射后经光面透过玻璃而被收集，因此需要在晶体盒与晶体之间填充具有更强反射率的材料。

2）核医学方面。闪烁晶体在核医学中的应用较为常见，因为晶体面积大因此需要设置多个光电倍增管收集，其目的是提升核医学的成像质量，这对晶体封装工艺提出了更高要求。为满足这一目标，需要借助特殊的密封工艺保证盒体及玻璃连接的密封及优质的机械加工晶体盒保证整体的强度等。

3）在石油地质勘探中，因为石油勘探对闪烁晶体的应用提出了严苛的要求，这就对闪烁晶体的封装提出了更高的要求。例如在常规的密封胶类产品中难以适应175 ℃的异常条件，因此在现场处理中需要选择特殊的密封方式；同时温度冲击也可能给闪烁晶体封装带来挑战，若封装效果差可能会导致闪烁晶体受热开裂[2]。因此常规封装工艺无法满足石油地质勘察的要求。为满足石油地质勘探要求，在闪烁晶体封装中应从以下几方面进行改进：①选择专门适应高温条件的光窗玻璃，经无胶黏剂的设计方法特定加工后，使窗口的耐受温度超过300 ℃，满足石油地质勘探的基本要求。②在密封部位处理中，可采用激光焊接熔封工艺。③通过专门设计的弹簧结构，该结构的优势是可以在闪烁晶体运动过程中产生运动能缓冲，避免闪烁晶体在石油地质勘察中遭受结构损伤等。

从上述闪烁晶体封装技术发展的现状来看，针对不同应用方向采取不同闪烁晶体封装工艺的操作难度高、难以进行质量管理，这也成为制约相关技术发展的重要因素。因此为了解决上述问题，则需要寻找一种更加科学有效的封装工艺。

2 试验原材料与设备准备

2.1 试验材料准备

本次试验中所使用的掺铈溴化镧闪烁晶体为本单位自行研制的掺加了5%三氯化铈的LaBr3：Ce 晶体。为圆柱形，参数25.4 mm×25.4 mm；光耦合剂型号为进口光学环氧胶，其中也包含一定数量的进口光学有机硅胶。

试验中的反射层材料为光学级轻质氧化镁粉、聚四氟乙烯薄膜及聚四氟乙烯微粉等。

分别准备厚度为1.0、2.0、3.0 mm 的石英玻璃及1块厚度为2.0 mm 的K9 玻璃。

2.2 试验设备

本次试验中所使用的设备包括真空烘干机、手套箱及搅拌机等。

3 试验过程与现场测试

3.1 样品制作

3.1.1 透光率测试样品的制作方法

将需要混合的光耦合剂倒入到搅拌机中彻底搅拌均匀后，盛出并在真空烘干机下抽取气泡；之后将处理好的光耦合剂均匀涂抹在石英片上，再盖上一层0.5 mm的石英片，在室温环境下静置120 min 后，用无水乙醇彻底清理2 片石英片的外侧，并彻底阴干待用。

3.1.2 能谱测量样品

工作人员分别将不同类型的封装材料放置到盛放干燥剂的手套箱中静置24 h 后拿出备用。同时用砂纸或者抛光设备对晶体表面进行加工后，用反射层材料包裹并与外壳窗口表面通过光耦合剂做耦合[3]。也可以将加工好的晶体与窗口内表面耦合，之后再灌装封装反射材料。在密封胶，密封加盖后取出。

3.2 封装结构设计

本次实验中所设计的封装结构如图1 所示。

图1 封装结构示意图

3.3 测试设备与测试条件

3.3.1 分光光度计

本次试验中使用UNICO-2000 型可见光光度计，设置相对湿度30%，测试环境23%。

3.3.2 插件式能谱仪

试验中所使用的插件式能普仪为ORTEC 公司提供的能谱仪系统，该系统的主要功能是检测掺铈溴化镧闪烁晶体的性能变化，主要功能构件包括电子学部分及检测部分，其中电子学部分的关键装置包括前置放大器、电源、多道分析仪、主放大器及对应的微型计算机控制装置等；检测部分包括待测晶体、放射源和光电倍增装置等。本次试验中所使用的光谱分析软件为MASTRO。

在性能测试过程中，选取待测掺铈溴化镧闪烁晶体经光电倍增管与光耦合剂的处理后，设置放射源位为待测晶体的正中方向，二者距离2～3 cm 处；试验环境为暗室，试验人员设置相关电子学插件参数后，即可进行性能检测。

3.3.3 测试条件设定

在本次试验中，工作人员在充分考虑到现场测试实际情况的基础上，设定放射源Cs-137，主放倍增系数30，高压700 V，多道为2 048 道，积分时间120 s。

4 结果与讨论

4.1 掺铈溴化镧闪烁晶体的光学性能分析

本次试验中所使用的掺铈溴化镧闪烁晶体，主要通过大量分散的铈离子激活发光。通过对晶体发射光谱与投射光谱的调查后，本次试验发现，该晶体的发光范围维持在300～450 nm，其中存在2 个发光主峰，检测后显示2 个发光主峰的波长分别为358、386 nm。

4.2 光收集系统分析

根据相关学者的调查研究，认为光收集系统是影响掺铈溴化镧闪烁晶体封装性能的重要因素，因此对该系统的性能分析是整个试验中不容忽视的部分，本次试验中在综合考虑到温度、湿度等指标变化对测试结果的影响后，在试验过程中只会针对掺铈溴化镧闪烁晶体对应的光收集系统的特定因素展开讨论，最后整合试验结果，得出试验相关结论。

4.2.1 光窗材料与耦合剂对试验结果的影响

在本次试验中以2 种常见的光窗材料试验来评估对掺铈溴化镧闪烁晶体封装效果的影响，其中无论是K9 玻璃还是石英玻璃，其厚度均为2 mm。在相同的试验条件下对2 种玻璃的性能展开测试，最终结果显示石英玻璃的透过率显著高于K9 玻璃，其中二者在320～450 nm 范围内的透过率有明显差异，相关数据计算后发现，K9 玻璃的透过率与石英玻璃透过率相比最大差值可能达到10.94%，根据这一结果可以认为石英玻璃有更满意的透过率，可以将该材料作为掺铈溴化镧闪烁晶体封装的窗口。

在评估不同类型光耦合剂对封装效果的影响后，根据本文的相关数据可以发现，在掺铈溴化镧闪烁晶体发光范围（300～450 nm）内有机硅类光耦合剂及环氧类耦合剂的性能良好，其透过率均大于等于90%；而二者相比较，有机硅类硅油的透过率更高，但是因为硅油流动性问题会影响该技术的应用范围，所以在综合对比各种材料的性能指标之后，本次研究中最终决定将有机硅胶作为掺铈溴化镧闪烁晶体封装中的耦合剂。

而考虑到物理化学性质类似但是折射率不同的有机硅胶在性能上存在不同，可能会影响掺铈溴化镧闪烁晶体的封装效果，所以需要针对折射率不同的有机硅胶展开试验[4]。根据光学理论的相关内容可知，当高折射率介质进入到低折射率介质后可能发生全反射。而本文所研究的掺铈溴化镧闪烁晶体其折射率达到了1.9，而所选择的石英玻璃材料的折射率仅为1.45～1.46，可见二者之间存在较大的差异；而低折射率气体的存在（大部分情况下此类气体的折射率小于1）会降低全反射角的大小，增加掺铈溴化镧闪烁晶体内部闪烁光子内陷的风险。所以在该结构设计中，本文认为可以选择在光学石英玻璃与掺铈溴化镧闪烁晶体之间填充折射率适宜的光耦合剂，该操作的目的是增加反射角参数，并有效提升光子输出的数量，这对于维持掺铈溴化镧闪烁晶体性能有重要意义，保证了封装技术的处理效果。

所以本文根据光学薄膜增透理论，计算光垂直入射增透膜时的反射率，反射率的计算方法如公式（1）所示

根据公式（1）的内容并结合本文所选的相关材料性能运算发现，当n=1.662 1 时=0，根据这一结果可以认为，所选择的光耦合剂折射率越接近1.662 1时则证明材料的性能越令人满意。而目前市场上常见的硅胶折射率在1.40～1.54，根据这一数据展开运算后，得出当使用折射率为1.40 的硅胶时，则=17.10%；而在使用折射率为1.54 的有机硅胶时，则=7.77%。从这一组数据中可以发现，折射率为1.54 的有机硅胶的性能更令人满意。

同时根据前文介绍的试验条件可知，本文所使用的掺铈溴化镧闪烁晶体为圆柱形，参数为25.4 mm×25.4 mm，在对其表面抛光后包裹聚四氟乙烯薄膜，并与光电倍增管耦合之后，分别选择不同折射率的硅胶为耦合剂展开试验。根据本次试验过程也可以发现：高折射率光学有机硅胶为光耦合剂时，与常规折射率光学有硅胶相比有一定的改善，但是幅度不大。

最后在试验过程中以不同厚度石英玻璃为光窗开展掺铈溴化镧闪烁晶体封装试验并进行测试，再对掺铈溴化镧闪烁晶体彻底抛光后背面与侧面包裹聚四氟乙烯薄膜，出光面与不同厚度的石英玻璃耦合[5]。根据本次研究结果可以发现，石英玻璃的厚度成为影响掺铈溴化镧闪烁晶体光输出结果的重要因素，其中随着石英玻璃厚度的增加，光输出能量不断降低，能量分辨率整体呈现下降趋势，根据相关数据发现，当石英玻璃的厚度达到3 mm 后，其能量分辨率劣化至3.27%。所以根据本文的相关结果可以认为，理想的石英玻璃厚度应小于等于2 mm，在条件允许的情况下应考虑尽可能地减少石英玻璃的厚度，这对于保证封装效果意义重大，理想状态下是光电倍增管与掺铈溴化镧闪烁晶体直接耦合制成闪烁探头，这也是一种有效的解决方法。

4.2.2 设置反射层

在本掺铈溴化镧闪烁晶体结构的基础上展开反射层性能测试，在对材料进行抛光后，以硅油为耦合剂，设置石英片厚度2 mm，分别包裹不同反射层的材料展开性能分析。结合本文的试验结果可以发现，当反射层材料为聚四氟乙烯微粉时，掺铈溴化镧闪烁晶体的光输出效果良好，达到了3.3%；相比之下轻质氧化镁粉的效果最差，为3.01%。所以可以认为，在设置反射层时聚四氟乙烯微粉的效果最好，值得关注。

4.2.3 晶体表面形态对试验结果的影响

为判断不同掺铈溴化镧闪烁晶体表面形态对封装效果的影响，本次试验过程中设定耦合剂为硅油、反射层材料为聚四氟乙烯薄膜，采用直接耦合光电倍增管的试验处理方法。

根据本次试验结果发现，当掺铈溴化镧闪烁晶体的入射表面粗糙，并且出光面与侧面抛光时，封装工艺所取得的效果最满意，因此可以将其作为表面晶体形态的最终选择。

5 试验结果验证

为了验证本文所介绍的掺铈溴化镧闪烁晶体封装工艺的合理性，本文对该工艺进行现场验证，验证的试验条件为：①选择折射率为1.54 的有机硅胶为耦合剂；②反射层材料为聚四氟乙烯微粉；③晶体表面的形态为入射面粗糙，出光面与侧面抛光。根据现场测试结果，掺铈溴化镧闪烁晶体的封装效果良好，其能量分辨率达到了2.91%，各项试验数据充分满足技术应用与推广的要求，并且在一般环境辐射测量、核医学及石油勘探等方面，该封装技术的适应性良好，提示该技术能够满足不同行业的闪烁晶体封装要求，值得关注。

6 结论

在本次研究中介绍了一种科学有效的掺铈溴化镧闪烁晶体封装技术，与传统技术方案相比，该封装技术展现出了良好的适应性，解决了传统工艺中封装技术适应性差、操作难度高的问题。因此相关工作人员可以从反射层材料为聚四氟乙烯微粉、光耦合剂为折射率1.54 的光学有机硅胶、闪烁晶体表面为入射面粗糙和出光面与侧面抛光等方面入手优化封装工艺手段，这对于保障掺铈溴化镧闪烁晶体性能有重要意义，值得关注。