專利名稱：微柱結構CsI(Tl) X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法及其應用的制作方法
微柱結構Csl (Tl) X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法及其應用技術領域
本發明屬于高分辨率數字化X射線成像技術領域，具體涉及一種微柱結構碘化銫 (摻鉈)[化學式=CsI(Tl)] X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法及其應用，所制備的閃爍轉換屏可同時滿足高空間分辨率和高探測效率的X射線成像要求。
背景技術：
X射線成像在結晶學、醫學和生命科學、等離子體診斷、無損檢測和天體物理等諸多領域有著十分廣泛的應用。近年來X射線圖像的數字化記錄由于其方便快捷、易于存儲、 傳輸和圖像處理等優點，已逐漸代替傳統的感光膠片進行圖像記錄的方法。
常用的X射線數字成像系統由閃爍轉換屏、光學耦合器件及可見光探測器件構成，其基本原理是由閃爍轉換屏將X射線圖像轉換成可見光圖像，再經光纖錐等將圖像耦合到普通的CCD或a-S1:H等可見光探測器件上。因此在可見光探測器件日臻完善的前提下，閃爍轉換屏的性能是影響X射線成像探測器件指標的關鍵。CsI (Tl)是目前最常用的閃爍轉換屏材料之一，其發射峰 540nm,光產額 64ph/keV,發光衰減時間 O. 8 μ S。 就提高X射線成像空間分辨率的角度而言，通常對閃爍轉換屏的薄膜厚度有很大限制，但較薄的厚度又很難滿足閃爍轉換屏對X射線(特別是硬X射線)探測的需要，因此普通的X 射線轉換屏很難同時滿足高空間分辨率和高X射線探測效率的要求。
1969 年 C. ff. Bates, Jr.和 1974 年 A. L. N. Stevels 等最先報導采用真空熱蒸鍍可制備具有微柱結構的CsI(Tl)薄膜，這種特殊的微柱結構可引導閃爍光沿柱向傳播，從而可有效提高X射線成像的空間分辨率；1991年起1. Fujieda, V. V. Nagarkar、 B. K. Cha等分別研究了蒸鍍舟溫度、襯底和襯底溫度、Tl元素摻雜濃度及蒸鍍氣壓等對轉換屏光輸出、調制傳遞函數、噪聲功率、探測量子效率等的影響；此外，退火工藝、制備反射層、使用圖形化基底等方法等都有被應用于CsI (Tl)閃爍薄膜的制備中。然而，通過熱蒸鍍法制備的薄膜在薄膜底部通常比較紊亂，沒有十分明顯的微柱結構，這主要是由于薄膜和基底的晶格失配造成的，針對這一現象，2004年起A. Ananenko等研究了在單晶LiF(IOO) 晶面上了制備CsI (Tl)微柱薄膜來減小晶格失配度，獲得了具有(110)和(112)兩種擇優晶面取向的CsI (Tl)微柱薄膜，他們認為這是由于這兩種取向的薄膜與LiF(IOO)晶面的晶格失配最小。
縱觀國內外研究現狀，盡管對于具有微柱結構CsI (Tl) X射線轉換屏的研制國外已有報道，但其手段主要涉及蒸鍍溫度、襯底溫度等，對薄膜近基底處的紊亂現象、微柱形貌、線寬的調控能力等方面有待進一步加強；而相應的研究還未見有較為系統的展開。發明內容
本發明的目的 在于提供一種微柱結構CsI (Tl) X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法及其應用。
本發明提出的微柱結構CsI (Tl) X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法分為兩步預鍍層制備和薄膜制備。以玻璃、光纖面板或光纖錐等為襯底，先以純CsI粉末為原料， 采用熱蒸鍍技術，制備預鍍層，然后對預鍍層進行退火處理，處理后的預鍍層具有均勻分布的分離島狀晶粒結構，通過對預鍍層厚度、退火溫度等的調節控制預鍍層晶粒的尺寸和間距；以CsI(Tl)粉末為原料，采用熱蒸鍍技術，在預鍍層上制備后續閃爍薄膜，制備的閃爍薄膜近基底處無紊亂結構，微柱完整，微柱線寬和擇優取向與預鍍層上的晶粒間距和預鍍層擇優取向基本一致。采用預鍍層輔助制備CsI (Tl)閃爍轉換屏的方法，通過對預鍍層厚度、退火溫度等的調節，實現對轉換屏近基底處紊亂結構的消除以及對微柱形貌、線寬和擇優取向的有效控制，從而使所研制的CsI (Tl) X射線閃爍轉換屏具有很好的空間分辨率。具體步驟如下(1).將所用襯底用超聲法清洗干凈，烘干后干燥保存；(2).進行預鍍層的蒸鍍，將步驟(I)所得襯底固定在蒸鍍室上方的工件架上，然后依預鍍層厚度，稱取純CsI粉末置于蒸鍍舟內，控制蒸鍍舟與襯底間的距離為10-30cm，蒸鍍舟與襯底之間設有擋板；(3).打開真空泵，控制蒸鍍室的真空度為1.0X10_6-5.0X10_3Pa;(4).待真空度達到平衡后，打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至42(T540°C，并保持溫度不變，然后打開擋板，開始蒸發，通過測厚儀在線測量所制備預鍍層的薄膜厚度，待達到5(T500nm后，關閉擋板及蒸鍍舟加熱電源；(5).將步驟(4)所得的有預鍍層的襯底從真空室中取出后置于退火爐中，在常壓下進行退火處理，退火溫度為40(T500°C，退火時間為3(Γ120分鐘，自然冷卻；(6).將步驟(5)所得的熱處理過的有預鍍層的襯底從退火爐中取出，固定在蒸鍍室上方的工件架上，然后稱取CsI(Tl)粉末置于蒸鍍舟內，控制蒸鍍舟與預鍍層襯底的距離為l(T30cm，蒸鍍舟與預鍍層襯底之間設有擋板；(J) ·打開真空泵，控制蒸鍍室的真空度為1.0X10_6-5.0X10_3Pa ;(8).工件架配有襯底加熱電源及旋轉設備，在抽真空過程中可調整襯底溫度，襯底溫度控制為10(T350°C ;在開始蒸鍍薄膜前使工件架以45-75rpm的轉速勻速旋轉；(9).待真空度及襯底溫度達到平衡后，按需調節進氣閥，注入氬氣，氬氣流量控制在 (60SCCm或氣壓控制在·.(1. OPa ;打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至420-540°C，并保持溫度不變；(10).待蒸鍍舟達到預定溫度后，打開擋板，開始蒸發，通過測厚儀在線測量所制備轉換屏的薄膜厚度，待薄膜厚度達到預定要求后，關閉擋板、蒸鍍舟加熱電源及襯底加熱電源；(11).真空環境自然冷卻至室溫后關閉真空閥，充入干燥氣體后取出，得到的CsI(Tl) 閃爍轉換屏，置于干燥環境中儲存。
本發明中，步驟(I)中所述的襯底為玻璃、光纖面板或光纖錐等中任一種，襯底尺寸可根據實際需要調整。
本發明中，步驟⑵中所述純CsI原料和步驟(6)中所述CsI (Tl)原料的用量由所需制備的預鍍層厚度和轉換屏薄膜厚度確定，并與蒸鍍舟和襯底間的距離有關，若要制備幾十微米至毫米量級厚度的CsI (Tl)轉換屏，原料用量通常約在幾 克至幾百克之間，制備厚度較厚的轉換屏，可通過多次蒸鍍完成，通常lg原料用量可制備1-10 y m厚度的薄膜。本發明中，步驟⑷和步驟(9)中所用的蒸鍍舟加熱電源，以及步驟⑶中所用的 襯底加熱電源均使用控溫系統，能保持溫度穩定不變，保證鍍膜過程的穩定性。本發明中，步驟(2)至步驟(5)為預鍍層的制備步驟，此預鍍層具有分布均勻的分 離島狀晶粒結構，晶粒的間距與預鍍層的厚度和退火溫度有關，通常晶粒間距是薄膜厚度 的25 30倍，并且此預鍍層具有(200)晶面擇優取向。本發明中，步驟(6)至步驟(10)為后續閃爍薄膜的制備步驟，在鍍有預鍍層的襯 底上進行沉積，制備的閃爍薄膜微柱線寬與相應預鍍層上的晶粒間距相當，并且與預鍍層 同樣沿(200)晶面擇優取向生長。本發明中，步驟(11)中所述干燥氣體為氮氣。利用本發明方法制備得到的閃爍轉換屏的微柱近乎垂直于屏面，近基底處沒有紊 亂結構，微柱結構優異、尺寸均勻、排列整齊、線寬可控。利用本發明方法制備得到的閃爍轉換屏與光電探測器件耦合后在高分辨率X射 線成像中的應用。本發明涉及采用熱蒸鍍法，在鍍有特殊預鍍層的石英、光纖面板和光纖錐等上制 備具有微柱結構的CsiCT1)閃爍轉換屏，此特殊預鍍層具有分布均勻的分離島狀晶粒結 構，通過此制備方法所獲得的閃爍轉換屏的微柱不僅完整、均勻、有序、可控，而且結晶性 好，近乎垂直于屏面的閃爍微柱可引導閃爍光沿微柱方向傳播，從而使X射線成像器件的 空間分辨率得到有效提高，可同時滿足高空間分辨率和高X射線探測效率的X射線成像要 求。本發明適合于工業化生產，推廣應用價值高。


圖1實施例1中測得的預鍍層表面的掃面電鏡照片。圖2實施例1中測得的預鍍層X射線衍射譜圖。圖3實施例1中測得的閃爍轉換屏表面的掃描電鏡照片。圖4實施例1中測得的閃爍轉換屏斷面的掃描電鏡照片。圖5實施例1中測得的閃爍轉換屏X射線衍射譜圖。圖6實施例1中通過微聚焦X射線成像系統測得的閃爍轉換屏調制傳遞函數。圖7實施例2中測得的預鍍層表面的掃面電鏡照片。

圖8實施例2中測得的預鍍層X射線衍射譜圖。圖9實施例2中測得的閃爍轉換屏表面的掃描電鏡照片。圖10實施例2中測得的閃爍轉換屏斷面的掃描電鏡照片。圖11實施例2中測得的閃爍轉換屏X射線衍射譜圖。圖12實施例2中通過微聚焦X射線成像系統測得的閃爍轉換屏調制傳遞函數。
具體實施例方式下面結合具體的實施例進一步說明本發明。實施例1
稱取0. 25g的純Csi粉末加入蒸鍍舟內，將清洗干凈的襯底(玻璃、光纖面板或光纖錐)固定在工件架上，蒸鍍舟與襯底間的距離為20cm，開始抽真空。待蒸鍍室真空度達到 LOXlO-3Pa時，開始加熱蒸鍍舟至520°C，然后打開在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍預鍍層，蒸發完畢后，關閉擋板、蒸鍍舟電源。將所制備的預鍍層從蒸鍍室內取出，置于退火爐中，在常壓下加熱至500°C保持I小時，自然冷卻后取出。預鍍層表面的掃描電鏡照片見圖 1，X射線衍射譜見圖2。實驗顯示預鍍層具有均勻分布的島狀晶粒結構，平均晶粒間距約 10·2μπι，且晶粒具有(200)晶面擇優取向。
然后將此鍍有預鍍層的襯底固定在蒸鍍室工件架上，稱取5. Og的CsI (Tl)粉末加入蒸鍍舟內，蒸鍍舟與襯底間的距離為10cm，開始抽真空。抽真空過程中，將襯底溫度控制在250°C，待蒸鍍室真空度達到1. 0X10_3Pa時，注入微量氬氣，氬氣流量控制在50sCCm ;打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至480°C，然后打開擋在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍薄膜，原料蒸發完畢，關閉蒸鍍舟加熱電源等。轉換屏在真空環境中自然冷卻至室溫后關閉真空閥，充入干燥氮氣后取出。所制備的閃爍轉換屏表面掃描電鏡照片見圖3，斷面掃面電鏡照片見圖4，X射線衍射譜見圖5，通過微聚焦X射線成像系統測得轉換屏的調制傳遞函數見圖6。實驗顯示轉換屏厚度約為50μπι，微柱完整、排列有序、線寬均勻，其平均線寬約為 10 μ m，與預鍍層上晶粒間距相當，晶面擇優取向為(200)，與預鍍層擇優取向相同，X射線成像的空間分辨率可達9. 21p/mm。
實施例2 稱取O. 15g的純CsI粉末加入蒸鍍舟內，將清洗干凈的襯底(玻璃、光纖面板或光纖錐)固定在工件架上，蒸鍍舟與襯底間的距離為25cm，開始抽真空。待蒸鍍室真空度達到2.OX 10_4Pa時，開始加熱蒸鍍舟至520°C，然后打開在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍預鍍層，蒸發完畢后，關閉擋板、蒸鍍舟電源。將所制備的預鍍層從蒸鍍室內取出，置于退火爐中，在常壓下加熱至450°C保持1. 5小時，自然冷卻后取出。預鍍層表面的掃描電鏡照片見圖7，X射線衍射譜見圖8。實驗顯示預鍍層具有均勻分布的島狀晶粒結構，平均晶粒間距約4. 2 μ m,且晶粒具有(200)晶面擇優取向。
然后將此鍍有預鍍層的襯底固定在蒸鍍室工件架上，稱取10. Og的CsI (Tl)粉末加入蒸鍍舟內，蒸鍍舟與襯底間的距離為15cm，開始抽真空。抽真空過程中，將襯底溫度控制在200°C，待蒸鍍室真空度達到2. 0X10_4Pa時，注入微量氬氣，氬氣流量控制在50sCCm， 在開始蒸鍍薄膜前使工件架以60rpm的轉速勻速旋轉；打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至450°C，然后打開擋在蒸鍍舟上方的擋板，開始蒸鍍薄膜，原料蒸發完畢，關閉蒸鍍舟加熱電源等。轉換屏在真空環境中自然冷卻至室溫后關閉真空閥，充入干燥氮氣后取出。所制備的閃爍轉換屏表面掃描電鏡照片見圖9，斷面掃面電鏡照片見圖10，X射線衍射譜見圖11，通過微聚焦X射線成像系統測得轉換屏的調制傳遞函數見圖12。實驗顯示轉換屏厚度約為50 μ m,微柱完整、排列有序、線寬均勻，其平均線寬約為4飛μ m,與預鍍層上晶粒間距相當，晶面擇優取向為(200)，與預鍍層擇優取向相同，X射線成像的空間 分辨率可達 13.61p/mm0
權利要求
1.一種微柱結構CsI(Tl)X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)將所用襯底用超聲法清洗干凈，烘干后干燥保存；(2)先進行預鍍層的蒸鍍，將步驟(I)所得襯底固定在蒸鍍室上方的工件架上，然后依預鍍層厚度稱取純CsI粉末置于蒸鍍舟內，控制蒸鍍舟與襯底間的距離為10-30cm，蒸鍍舟與襯底之間設有擋板；(3)打開真空泵，控制蒸鍍室的真空度為1.0X10_6-5. 0X10_3Pa ；(4)待真空度達到平衡后，打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至42(T540°C，并保持溫度不變，然后打開擋板，開始蒸發，通過測厚儀在線測量所制備預鍍層的薄膜厚度，待達到5(T500nm后，關閉擋板及蒸鍍舟加熱電源；(5)將步驟(4)所得的有預鍍層的襯底從真空室中取出后置于退火爐中，在常壓下進行退火處理，退火溫度為40(T500°C，退火時間為3(Γ120分鐘，自然冷卻；(6)將步驟(5)所得的熱處理過的有預鍍層襯底從退火爐中取出，固定在蒸鍍室上方的工件架上，然后稱取適量CsI (Tl)粉末置于蒸鍍舟內，蒸鍍舟與預鍍層襯底的距離在 l(T30cm之間，蒸鍍舟與預鍍層襯底之間設有擋板；(7)打開真空泵，控制蒸鍍室的真空度為1.0X10_6-5.0X10_3Pa;(8)工件架配有襯底加熱電源及旋轉設備，在抽真空過程中可調整襯底溫度，襯底溫度控制為10(T350°C ;在開始蒸鍍薄膜前使工件架以45-75rpm的轉速勻速旋轉；(9)待真空度及襯底溫度達到平衡后，按需調節進氣閥，注入氬氣，氬氣流量控制在 (60SCCm或氣壓控制在< 1.(^&;打開蒸鍍舟加熱電源，將蒸鍍舟加熱至420-5401，并保持溫度不變；(10)待蒸鍍舟達到預定溫度后，打開擋板，開始蒸發，通過測厚儀在線測量所制備轉換屏的薄膜厚度，待薄膜厚度達到預定要求后，關閉擋板、蒸鍍舟加熱電源及襯底加熱電源；(11)真空環境自然冷卻至室溫后關閉真空閥，充入干燥氣體后取出，得到的CsI(Tl) 閃爍轉換屏，置于干燥環境中儲存。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的襯底為玻璃、光纖面板或光纖錐中任一種。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述純CsI原料和步驟(6) 中所述CsI (Tl)原料的用量由所需制備的預鍍層厚度和轉換屏薄膜厚度確定，并與蒸鍍舟和襯底間的距尚有關。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(4)和步驟(9)中所述蒸鍍舟加熱電源以及步驟(8)中所述襯底加熱電源均使用控溫系統。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于處理后的預鍍層具有均勻分布的分離島狀晶粒結構，晶面擇優取向為(200)，晶粒間距是薄膜厚度的25-30倍。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(11)中所述干燥氣體為氮氣。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所得微柱結構CsI(Tl) X射線閃爍轉換屏的微柱完整，線寬均勻并與預鍍層上晶粒間距相當，晶面擇優取向為(200)，與預鍍層擇優取向相同。
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于所得微柱結構CsI(Tl) X射線閃爍轉換屏的微柱近乎垂直于屏面，排列整齊，線寬在幾至十幾微米內可控。
9.一種如權利要求1所述制備方法得到的微柱結構CsI (Tl) X射線閃爍轉換屏與光電探測器件耦合后在高分辨率X射線成像中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種微柱結構CsI(Tl)X射線閃爍轉換屏的預鍍層輔助制備方法及其應用。該方法采用熱蒸鍍技術制備預鍍層，通過預鍍層厚度和退火工藝等的調節，實現使預鍍層具有均勻分布的島狀晶粒結構及對其晶粒間距的有效控制，再以CsI(Tl)粉末為原料，采用熱蒸鍍，在鍍有預鍍層的襯底上制備后續閃爍薄膜，實現對轉換屏微柱形貌、均勻性、線寬、晶面擇優取向等的有效控制，近乎垂直于屏面、結晶性能好的閃爍微柱可引導閃爍光沿微柱方向傳播，使X射線成像器件的空間分辨率得到提高，滿足高空間分辨率和高探測效率要求。本發明得到具有微柱結構CsI(Tl)X射線閃爍轉換屏與光電探測器件耦合后可應用于高分辨率數字X射線成像。本發明適合于工業化生產，推廣應用價值高。
文檔編號C23C14/06GK103060752SQ20131002571
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者顧牡, 姚達林, 劉小林, 劉波, 黃世明, 倪晨 申請人:同濟大學