一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构及抗辐照加固方法技术

本发明专利技术公开了一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，在闪烁晶体阵列外表面包覆有中子吸收层，中子吸收层将闪烁晶体阵列除出光面的其余面包覆，在中子吸收层外表面包覆有中子慢化层，中子慢化层将中子吸收层外表面包覆；并公开了闪烁晶体阵列抗辐照加固方法，该方法从闪烁晶体阵列中子的屏蔽、闪烁晶体阵列中晶条抗X/γ辐照加固、闪烁晶体阵列中反射层材料抗X/γ辐照加固三方面对闪烁晶体阵列进行抗辐照加固，可实现抗X/γ累计辐射剂量≥10

An anti radiation reinforcement structure and anti radiation reinforcement method of scintillation crystal array

【技术实现步骤摘要】
一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构及抗辐照加固方法
本专利技术涉及核辐射探测中闪烁晶体
，具体涉及一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构及抗辐照加固方法。
技术介绍
闪烁晶体阵列是核辐射成像探测器的核心部件之一，是由多个独立的晶体按照一定的方式排列组合成一个二维像素，具有射线位置分辨能力，能够接收入射的X、γ等射线，发射出闪烁光。闪烁晶体阵列目前已经广泛应用于核医疗、天体物理、高能物理、核安全、核反恐、国防军事等领域，用于对X/γ射线进行成像。但是有的应用环境极其复杂和严酷，比较常见的是伽马射线和中子的混合场辐射场，X/γ强辐射会导致闪烁晶体阵列内部结构被破坏，影响发光效率和光输出，同时中子会与闪烁晶体阵列产生活化、核反应、位移反应等，会导致闪烁晶体阵列内部结构被破坏并产生放射性本底，进而影响核辐射成像探测器的信噪比，最终影响辐射成像探测系统的功能。现有的闪烁晶体阵列抗辐照加固的方法报道很少，当闪烁晶体阵列被辐照后性能降低，主要采用替换新的闪烁晶体阵列来保证辐射成像探测系统的性能，存在成本高且替换复杂的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术目的之一是：提供一种具有良好抗X/γ辐照抗性的闪烁晶体阵列的抗辐照加固结构，以便增加闪烁晶体阵列的质量和使用寿命。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，在闪烁晶体阵列外表面包覆有中子吸收层，所述中子吸收层将闪烁晶体阵列除出光面的其余面包覆，在中子吸收层外表面包覆有中子慢化层，所述中子慢化层将中子吸收层外表面包覆。进一步，根据不断的优化，所述中子吸收层材料为硼（10B）、锂（6Li）中的任意一种；所述中子吸收层厚度为5mm-10mm；经验证上述材料均具有很大的中子吸收截面，同时对X/γ射线基本不吸收。进一步，所述中子慢化层材料为石蜡、水、石墨、聚乙烯、聚乙烯醇-聚乙烯中的任意一种；所述中子慢化层厚度为10mm-20mm；经验证上述材料对中子慢化能力很强，同时对X/γ射线基本不吸收。进一步，所述闪烁晶体阵列由若干呈矩阵状布置的晶条以及将每根所述晶条除出光面的其余面包覆的反射层构成，所有晶条对应的反射层一体成型；所述出光面为所述晶条的顶部面或底部面。更优的，所述晶条为GAGG闪烁晶体；所述晶条表面粗糙度≤10nm；所述晶条之间反射层的厚度为0.05mm-0.5mm。作为一种优选，所述晶条之间反射层的厚度为0.1mm-0.3mm。进一步，通过选择不同的高反射率材料和粘合剂的组合，选择最佳反射层材料。所述反射层由氧化镁、硫酸钡、二氧化钛、ESR膜、Teflon中任意一种和环氧树脂胶组成；所述反射层中各原料纯度为99.9%以上、粒径为50nm-200nm、反射效率大于80%。更优的，所述反射层由二氧化钛粉末和环氧树脂胶混合而成；所述二氧化钛粉末和环氧树脂胶质量比为1：0.6-1：0.8。本专利技术目的之二是：提供一种闪烁晶体阵列的抗辐照加固方法；该方法将一般闪烁晶体进行优化加固，具有更强的抗X/γ辐照以及更好的中子吸收。有鉴于此，为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种闪烁晶体阵列的抗辐照加固方法，包括闪烁晶体阵列中子的屏蔽；在所述闪烁晶体阵列外表面包覆中子吸收层，所述中子吸收层将所述闪烁晶体阵列除出光面的其余面包覆，在所述中子吸收层外表面包覆中子慢化层，所述中子慢化层将所述中子吸收层外表面包覆；先通过所述中子慢化层对中子进行慢化后，再由所述中子吸收层对中子进行吸收。具体的，所述中子吸收层材料为硼（10B）、锂（6Li）中的任意一种；所述中子吸收层厚度为5mm-10mm；所述中子慢化层材料为石蜡、水、石墨、聚乙烯、聚乙烯醇-聚乙烯中的任意一种；所述中子慢化层厚度为10mm-20mm。闪烁晶体阵列中子屏蔽的目的是为了屏蔽中子，同时不影响X/γ射线的入射，入射中子的能量较高，高能中子很难被屏蔽，所以需要将高能中子先慢化后再吸收，最终达到屏蔽效果。进一步，所述抗辐照加固方法还包括对所述闪烁晶体阵列中晶条抗X/γ辐照加固；所述闪烁晶体阵列中晶条抗X/γ辐照加固包括：杂质离子清除：控制所用原料纯度≥99.99%，在所述晶条生长前对保温件进行空烧，所述空烧温度设定为400℃-800℃，时间为2-3小时，除去杂质离子。更优的，所述空烧温度为500℃-700℃，时间为3小时。离子共掺：将共掺离子掺入所述晶条中；所述共掺离子为B、Sc、La、Y、Lu、Mg、Ba、Ti中的任意一种或多种；所述共掺离子总含量为0.05at.%-0.20at.%。更优的，所述共掺离子为La、Mg；离子总量为0.05at.%-0.15at.%。生长气氛选择：在所述晶条生长过程中选择氧气与氮气的混合气体作为晶条的生长气氛；所述氧气占所述混合气体体积的1%-5%。更优的，所述氧气占所述混合气体体积的2%-3%。退火条件选择：退火温度设定为1100-1500℃，退火时间设定为10-50小时。更优的，退火温度设定为1200-1300℃，退火时间设定为30-40小时。其中离子共掺目的在于补偿空位产生的局域电荷不平衡导致的价态变化，或作为空穴陷阱替代点缺陷俘获空穴，减少色心的形成。进一步，所述抗辐照加固方法还包括对所述闪烁晶体阵列中反射层材料抗X/γ辐照加固；对所述闪烁晶体阵列中反射层材料抗X/γ辐照加固包括：选用的反射层由氧化镁、硫酸钡、二氧化钛、ESR膜、Teflon中的任意一种和环氧树脂胶组成；所述反射层中各原料纯度高于99.9%、粒径为50nm-200nm、反射效率大于80%。优选的，所述反射层由二氧化钛和环氧树脂胶混合而成，所述二氧化钛和所述环氧树脂胶质量比为1：0.6-1：0.8。退火是消除晶体中的氧空位，需寻找最佳的退火气氛、温度、时间等工艺条件。综上所述，本专利技术的有益效果在于：1、本方案通过对闪烁晶体阵列中子的屏蔽、对闪烁晶体阵列中晶条抗X/γ辐照加固、对闪烁晶体阵列中反射层材料抗X/γ辐照加固三个方面对闪烁晶体阵列进行优化设计，形成了具有更强的抗X/γ辐照以及更好的中子吸收的闪烁晶体阵列抗辐照加固结构。2、满足闪烁晶体阵列抗辐照加固结构在X/γ、中子混合场环境下对X/γ射线成像正常使用的要求。3、实现抗X/γ累计辐射剂量≥104Gy，抗中子辐照通量≥106/cm2，辐照剂量范围内光输出、能量分辨率、衰减时间、透过率降低值＜5%。附图说明为了使专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为本专利技术实施例的闪烁晶体阵列的立体图；图2为本专利技术实施例的闪烁晶体阵列的剖视图；图3为本专利技术未进行X/γ累计辐射和中子辐照和进行X/γ累计辐射剂量为104Gy和中子辐照通量为106/cm2前后的光输出和能量分辨率对比测试图；图4为本专利技术未进行X/γ累本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，在所述闪烁晶体阵列外表面包覆有中子吸收层，所述中子吸收层将所述闪烁晶体阵列除出光面的其余面包覆，在所述中子吸收层外表面包覆有中子慢化层，所述中子慢化层将所述中子吸收层外表面包覆。/n

【技术特征摘要】
1.一种闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，在所述闪烁晶体阵列外表面包覆有中子吸收层，所述中子吸收层将所述闪烁晶体阵列除出光面的其余面包覆，在所述中子吸收层外表面包覆有中子慢化层，所述中子慢化层将所述中子吸收层外表面包覆。


2.根据权利要求1所述的闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述中子吸收层材料为硼、锂中的任意一种；所述中子吸收层厚度为5mm-10mm。


3.根据权利要求1所述闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述中子慢化层材料为石蜡、水、石墨、聚乙烯、聚乙烯醇-聚乙烯中的任意一种；所述中子慢化层厚度为10mm-20mm。


4.根据权利要求1所述闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述闪烁晶体阵列由若干呈矩阵状布置的晶条以及将每根所述晶条除出光面的其余面包覆的反射层构成，所有所述晶条对应的所述反射层一体成型。


5.根据权利要求4所述闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述晶条为GAGG闪烁晶体；所述晶条表面粗糙度≤10nm，相邻晶条之间反射层厚度为0.05mm-0.5mm。


6.根据权利要求4所述闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述反射层由氧化镁、硫酸钡、二氧化钛、ESR膜、Teflon中的任意一种和环氧树脂胶组成；所述反射层中各原料纯度高于99.9%、粒径为50nm-200nm、反射效率大于80%。


7.根据权利要求6所述闪烁晶体阵列抗辐照加固结构，其特征在于，所述反射层由二氧化钛和环氧树脂胶混合而成，所述二氧化钛和所述环氧树脂胶质量比为1：0.6-1：0.8...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，丁雨憧，屈菁菁，王璐，赵静，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50