波导型x射线闪烁屏技术研究_刘昊.docx

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1、 硕士学位论文 波导型 x 射线闪烁屏技术研究 研究生姓名：刘昊 学科、专业：微电子学与固体电子学 二一年六月 分类号： TN 282 密级： UD C : 编号 : 波导型 X 射线闪烁屏技术研究 The Technology Research of Waveguide X-ray Scintillation Screen 学位授予单位及代码 ： 长春理工大学 (10186) 学科专业名称及代码 ： 微电子学与固体电子学 （ 077303) 研究方向： 电子薄膜与 MEMS 技术 申请学位级别： 硕士 指导教师： 端木庆铎教授 研 究 生 ： 刻 _ 论文起止时间 ： 2008. 10 20

2、09. 12 学 号： S070100111 联 系 电 话 ： 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，波导型 X 射线闪烁屏技术研究是本人 在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由 本人承担。 作者签名 ： 1/ 年 /月 _Lir 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 “长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定 ”，

3、同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全 文 数据库和 CNKI 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编学位论 文。 作者签名 : 年 月曰 年 / 月 曰 由于 X-ray 具有高光子能量、穿透力强等特点，已在科研、生产、生活等多 个 领域得到了广泛应用。但目前的 X-my 成像探测器存在成像分辨率低、 X-my 剂 量偏 大等问题，为了优化成像的空间分辨率、减少 X-my 剂量，本文针对

4、波导型 X-ray 闪 烁屏的几项关键技术进行了研究。 此闪烁屏基于硅微通道阵列，采用 CsI(Tl)闪烁晶体为光转换材料，将 CsI(Tl) 晶 体填充于大孔列阵中，使其形成波导，从而形成波导屏。使用硅微通道阵列主 要可以 达到抑制可见光扩散、提发光效率的目的。 本文首先利用电化学刻蚀设备，制备微通道阵列，其次根据闪烁晶体的不同 性 质， .选择出适合于本课题的闪烁晶体材料 CsI(Tl)。然后，根据 CsI(Tl)与硅 片 的熔点不同，提出采用高温溶解 封闭冷却的方法将 CsI(Tl)填充于硅微通道 阵列 中，使其成为波导。由于发光效率只与波导长度有关，与截面形状无关，为 了减少变 量，简

5、便计算，选择圆柱形波导来代替长方体波导，并建立光电效应模 型及康普顿散 射模型，通过计算分析，并用 matlab 对其发光效率进行模拟，得到 使发光效率达到 80%时的波导尺寸， L400pm, D12Mm。 关键词： 闪烁晶体电化学刻蚀微通道阵列 X- ray 成像探测器 Abstract The X-ray has been widely used on scientific research, production, life and many other fields, as it has high photon energy, penetration and other charac

6、teristics. But recently the X-ray imaging detector has a lot of problems, such as low resolution imaging, large dose of X-ray and so on. In order to optimize the spatial resolution and reduce the dose of X-ray, this article studies for the Several of these key technology of the waveguide X-ray Scint

7、illation Screen. The Scintillation Screen is based on the silicon micro-channel array. CsI(Tl) is used for the scintillation crystal as the light conversion materials, and filled in large array holes to come into being waveguide. Then the whole system is fonned a scintillation Screen. The silicon mi

8、cro-channel array can inhibit the diffusion of the visible light, and also can raise the luminous efficiency. In this article, the silicon micro-channel array is manufactured with electrochemical etching equipment at first. And then scintillation crystal materials-CsI(Tl) is chosen which is suitable

9、 for this subject by the different nature of the scintillation crystal. Then a method of high-temperature melting - closed cooling brought forward to make the CsI(Tl) fill in the large holes， according to the different melting point between CsI(Tl) and silicon， and the waveguide is formed. Because t

10、he length of the waveguide can affect the luminous efficiency, but the shape of the section can not. So the cuboid waveguide is replaced by the cylindrical waveguide. At last a photoeffect model and a Compton scattering model are set up to the waveguide. The waveguide dimensions is got when the lumi

11、nous efficiency is reached by 80%, through analysis and using matlab to simulate luminous efficiency. The waveguide dimensions is L400fxm, D12fxm. Keywords: scintillation crystals electrochemical etching micro-channel array X-ray imaging detector 目 录 摘要 Abstract 目录 m-s . i 1.1 CR 与 DR 的发展 . 2 1.2 波导

12、屏 X 射线成像技术的发展 . 5 1.3 课题研究的内容及意义 . 8 第二章波导屏的组成及原理 . 9 4.1 CsI(Tl)闪烁晶体材料基本性质 . 9 2 .2 电化学刻蚀微通道阵列形成原理 . 13 2.3CCD 原理 . 19 第三章娃微通道阵列的加工 . 21 3.1 微通道阵列刻蚀装置 . 21 第一章绪论 1895 年，伦琴在一个阴极射线实验中发现一种未知的射线。他用锡纸和硬纸板把 真 空放电管严严实实地包裹起来，以防止任何可见光线从管中透露出来，然后，拉上 所有窗 帘，接通感应线圈，接通电源，使高压放电通过放电管。此时伦琴发现，在距 离放电管不 到 1 米的亚铂氧化钡小屏上

13、发出了绿色的荧光。他找来书本、木头、硬橡 胶等各种各样的 材料做障碍物，挡在放电管和荧光屏之间，反复进行实验，除了铅和 铂以外，其它物质都 能被这种射线穿透，这种看不见的射线还能使包在黑纸中的相纸 感光。后来，伦琴让他的 妻子用手捂住照片底片，并用这种射线照射，当显影后，夫 妻俩在底片上看见了手指骨头 和结婚戒指的影象。伦琴验证了自己的想法，并把该射 线取名为 X-ray 。而一直到 1912 年，在德国的著名的物理学家 Ma-劳厄成功做成了 X-ray 的衍射实验之后，人们才逐步对 X-ray 的内部本质有了比较正确的认识。 本 身 来 说 ， 它 是 一 种 波 长 很 短 的电 磁 波

14、， 我 们 确 定 它 的 波 长 范围 在 IX 10_3 nm 10nm 这 个 区 间 内 ， 并 且 它 的 波 长 还在 紫 外 线 射 线 与 y 射 线 之 间 。 而 X-ray 在 它 的 波 长 区 间 内 ， 又 被 划 分 为 三类 ， 在 这 其 中 超 硬 X-ray 是 指 波 长 小 于 IX l _2 nm 的 ， 于 此 相 比 较 来 说 ， 硬 X-ray 和 软 X-ray 的波 长 分别 在 lXl(T2 nm lXHnm 和 IX lOnm lOnm。由 于 X-ray 的波 长 较短 且 直线传播， 所 以它要比可 见 光具有更高 的 能 量（

15、介 于 20eV 与 1.2MeV 之间）， 这 使 得 X-ray 的 粒 子 特 性 较 为 明 显 。 X-ray 的 光 子 呈 现 电 中 性 ， 所 以 它 不会 在 电 场 或 磁 场 中 偏 转 。 同 时 ， X-ray 具 有 很 多 光 学 性 质 ， 如 衍射 、 透射 、 相 千 散 射 、 不 相 干 散 射 、 偏 振 等 。 但 X-ray 被 人 们 应 用 最 多 的 还 是 它 强 大 的 穿 透 能 力 ， 它 可 以 将 分 子 或 原 子 分 离， 让 底 片 感 光 ， 也 能 对 生 物 细 胞 的 产 生 极 大 的 破 坏 作 用 。 由于

16、X-ray 较强的穿透能力， X-ray 在被发现后的数周后就被应用于医学诊断。随 着 科研技术的发展，人们对 X-ray 的本质及特性有了更深刻的了解，并将 X-ray 越来越 多的 应用于各个领域。然而，我们在获取事物信息时，用到最为直观的方式就是观察 , 人们发明 了望远镜、显微镜等仪器就是用来不断地提高观察的广度和精度，从而获取 图 1.1 伦 琴 拍 摄 的 首 张 X-ray 成 像 影 像 ， 指 骨 和 指 环 清 晰可 见 X-ray 就 其 更多的信息。但无论如何，人眼是无法直接观察到除可见光以外的其他射线的，而可 见光 只占整个自然界电磁波的一小部分。于是人类打破可见光的

17、局限，对与可见光相 邻的红外 线和紫外线展开了研究。经过多年的研究，发现紫外线的成像性能不够理想； 而红 外探测 方面，研制出了单色仪、光谱辐射计、傅里叶变换红外光谱仪等多种红外 辐射测量仪器， 技术己经较为成熟。此时，人们又将目光转向了具有较宽波谱范围的 X-ray。从宏观角度 来看， X-ray 探测及成像技术的发展可以使我们更清晰的观测太空 中的 X-ray,这对于我们 加深对宇宙的了解有很大的帮助；从微观来看， X-ray 的穿透 能力广泛的应用于测量、医 疗、安检等方面，而其在这些方面的优势，是其他探测技 术所无法替代的。因此， X-ray 成像探测器的研发就成为了举世瞩目的焦点 1

18、 。 (1)CR 与 DR 的发展 如今，随着物理学、电子学、计算机科学的飞速发展，放射影像领域先后出现了 一系 列新的成像技术和设备，构成了当代新的影像技术，这些新技术的应用，不仅极 大丰富了 形态学诊断信息和图像层次，更为重要的是实现了图像信息的数字化。 X-ray 成像技术在医疗成像、无损检测及安全检查等方面都有广泛的应用。而在过 去 的十年中，数字 X-ray 成像探测器己经有了比较成熟的发展。如现在市场上比较流 行的 CR、 DR 等技术。 CR 即为计算机 X-ray 摄影系统， DR 为数字化 X-ray 摄影系统。 这些 探测器替代了原始胶片，能够实现实时成像，对 X-ray

19、的光转化效率达到了 60% 以上 (传 统仅为 20% 30%), 密度分辨率高达 21( M4 灰阶 (传统仅为 26 灰阶 )，在一定程 度上降低了 X-ray 的使用剂量 2 。 CR 与 DR 它们拥有的共同特性是将 X-ray 的影像信息统一转化为数字类型的影像 信 息 3 ，不像以前一样以 X-ray 胶片本身为保存和显示信息的载体。老一代的 X-ray 在 照相 的时候，必须使用大量的曝光剂，同时影像的质量只能在照相时候完成就不能再 进一步得 到改善，如果一时遇到了质量达不到要求，那么当时就往往需要重新拍摄， 增大了复拍工 作量、胶片的消耗也是不可预计、工作效率当然会大大降低，造

20、成了无 法弥补的负担，但 是为了工作的顺利进行当时还不得不进行下去。现在我们拥有了 CR 与 DR 两种技术，它们 拥有动态范围广、曝光容度宽、线性好等优良特性，可在数据 存储、分辨率、反应速率等 方面，远远超越老式显影系统，即使在测试条件不是很清 楚的情况下，也可以很好的获得 图像，加之 CR、 DR 才用了新一代的图像显示增强技 术，大大的降低了重拍的次数，降低 工作量，同时达到节能减排的目的 4 。 3 图 1.3 DR 照 片 图 1.2、 1.3 即为 CR 和 DR 在做人体扫描时得到的数字化影像，在成像原理方面， CR 技术是借助荧光存储板间接将 X-ray 转化后成像， DR

21、技术可以直接得到数字格式 的图像。 而这两种技术在获得了数字化信号图像并经精细的图像处理系统处理完毕后， 都可以在一 定范围内，根据自己的需要任意改变图像的特性，然后通过图像处理，实 现图像的优化用 于以达到所想要的最佳的视觉效果，因此可以提高了图像本身的质量。 而传统的 X-ray 照 相技术所得到的影像是固定的，不能优化或改变，这就使得 CR、 DR 的优势更加明显。 目前数字化图像的灰阶己提高了丨倍的胶片级，图像无论是层次、细节、分辨率 都 得到了相应的提高。并且我们还可以通过一些专用的图像软件实现对于图像的噪声 滤波、 对比度、画面平滑等调整。这种相应的软件技术还有很多种就不一一详述，

22、但 是我们可以 明确的知道图像的处理可以更加的完善，并且我们可以通过处理以后的图 像观察到更多 的 信息和判断出更多的事情。并且有时候通过改前和改后的对比，发现 许多不为人知的细节 问题 m。 当然不同的时候，选择射线的能量也是不一样的，在透照工艺上仍要注重于选择 合理 的射线能量才能达到效果。选用微焦点或者很小的焦点的 X-ray 源；图像放大取 4 最佳倍数；把无用射线和散射线完全屏蔽掉或者绕开；过滤软射线时候材料的密度必 须选 择的比较高，这样可以减少低能射线的散射作用保障其工作质量 ； 用铅质的窗口 来适当限制 射线主光束的外围面积，来减少散射线的作用；对工件的被检测区域以外 的表面实

23、行有效 的屏蔽。以上的工作都是为了尽量减少散射线的和千扰信号的影响， 虽然影响方面有很多， 但是改善了这两个方面，其他也可以往往被忽略。 CR 与 DR 的屏感光度较高，这使得 X-ray 光子的转换效率也很高，相比传统胶片 法， 照相检测所需 X-ray 的剂量要低得多，同时如果能再进一步通过数字化图像处理 技术完善 图片内部细节，就能得到高清晰的图像。这两种技术也使得曝光时间有所减 少，把 X-ray 对人体福射的伤害有所降低。在减小 X-ray 剂量的同时，也降低了 X-ray 发生器发出射线 时所需的功率，可以达到节能减排的功效 3 。 数字化的照相带来了很多的优势，比如提高了管理的效

24、率，储存更加方便，信息 容易 保存可以长时间存取等。同时，这种方式节约了胶片、储存空间、管理人数等， 这就意味 着节约了很多的资源，降低了成本 1 。 表 1-1 是 CR 与 DR 技术在原理及性能等方面的比较， 说明这两种技术在代替传统 X-ray 照相技术出现后，虽然优势明显，但是都有限制其发展的因素，在相当长的一段 时 间内，这两种技术会并行发展，共同存在。 5 ， ， 表 1-1 CR 与 DR 比较 n CR DR X-ray 间接转换，利用 IP 板作 为 X-ray 直接转换，直接创建有 成像原理 X-ray 检测器，成像环节相 对于 DR 较多 数字格式的图像，利用硒作为 X

25、-ray 检测器。成像环节少 工作效率 与 DR 相比操作较复杂，工作 效率 曝光时间可比 CR 更短，工作 较低 效率更高 由于自身的结构，存在光学散 射 无光学散 射而引起的图像 模 糊，其清晰度主要由像素尺寸 大小决定，比 CR 系统有更好 图像分辨率 使图像模糊，降低了图像 分辨率 的空间分辨率和对比度，图像 时间分辨率较差，图 像质量略逊于 DR 层次丰富、影像边缘锐利清 晰， 细微结构表现出色，成像 质量 更高 X-ray 计量 低 由于提高了 X-ray 光子转化 效 率（ DQE)，使用射线的剂 量 更低 价格费用 较 DR 低，无需改变现有设备 昂贵，需改装已有的 X 线机

26、设 备 发展方向 与 DR 有相当长的共存时期 并行 发展 最终将取代 CR 1.2 波导屏 X 射线成像技术的发展 在 1999 年 7 月美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室采用了一种全新的实验方式，来增 强 图像的分辨率。他们首次使用大尺寸闪烁晶体屏作为 X 光相应的转换器，外加他们 所拥有 的超高分辨率的图像增强器，通过实验得到了质量非常优异的图像 5 。就在同一 年，法国 也不甘落后，在 CEA(Atomic Energy Commission)实验室搭建一套新的 X-ray 成像系统。 这个系统的优势是用了锗酸铋 (BGO)这用闪烁晶体材料作为转换屏，把不可 6 见的 X 光转为可见光，并

27、且使用光纤作为传递图像的桥梁，最后再外加一个微通道板， 利 用其倍增效应使最后图像信号放大并增强 6 。这些经典的实验为波导屏 x-ray 的发展 打下 了坚实的基础。 波导屏的概念是建立在微通道列阵的基础之上，通过利用闪烁晶体将 X-ray 转化 为可 见光建立起来的。现在通过比较成熟的可见光成像技术，不断完善并进一步的研 发我们可 以从真正意义上实现了 X-ray 的数字成像技术 7 8 9 。 近 年 来 ， 波 导 屏 以 其 优 越 的 性能 ， 成 为 各 国 家 研 究 的 焦 点 。 2002 年 瑞 典 的 X.Badel， A.Galeckas， J 丄 innros11

28、() 等人 己 研制出当时 世 界最先进的 波 导屏，他 们 利 用 DRIE (深 反 应 粒 子 刻 蚀 ） 在 n 型 硅 衬 底 上 刻 蚀 出 孔 深 238pm、 孔 径 45m 的 微 通 道 阵 列 结 构 ， 并 将 闪 烁 晶 体 置 于 微 通 道 中 ，制 作 出 第 一 个 真 正 意 义 上的 波 导 屏 11 。 在 国 内 ， 由 于 DRIE 设 备 昂贵，无法 获 得良好形貌的微通道 阵 列，使得我国波导屏技 术 的研究 受 到很大限制 ， 与 国 外 差 距 也 非常 大 112 。 然 而 随 着近 几 年 来 我国 的 MEMS 技 术 的 飞 速 发

29、 展 ， 我 们 逐渐 用 电 化 学 湿 法 腐 蚀的 方 法 代 替 了 DRIE,而 且 在 微 通道 阵 列 的 结构 上 有 所 突 破 ， 己 经超 越 了 DRIE 的 水 平 。 这 也 使 得 我 国 的 波 导 屏 研 究 进 入 了 一 个 实 质 性 的 阶 段 。 1.2.1 闪烁晶体发展 闪烁晶体是波导屏的核心成分，因此它的性能好坏直接决定整个器件对 X-ray 的 吸收 能力、荧光转换、传输率等各个方面。所以，选择一种合适的闪烁晶体材料，才 能真正达 到优化波导屏性能的目的。 无机闪烁晶体材料是目前研究及应用最多的闪烁晶体，它主要有三个大的发展阶 段 13 。第一

30、阶段是最早期的 (： 0 和 21，这个时期，人们还不能用 MEMS 技术来 反应问 3 4 题，只能是通过肉眼来观察闪光的发生，用以判断粒子能否与物质发生了相互 作用；第二 阶段主要是以萘晶体的发现为前提标志，它的发现使得 Nal(Tl)闪烁晶体得 到了飞快的发 展，同时这种发展带动了一系列卤化碱晶体的应用和生产；第三阶段应 该是从 20 世纪 80 年代到今，以高能物理精确测量为前提，为了满足医学方面的成像、 地球物理内部的探测 和科研究领域等要求，而逐步发展起来的。 目前， 我 们常见无机闪烁 晶 体有很多种，比 如 ： BGO 晶体、 硅 酸盐闪烁晶体或 者 钨 酸盐闪 烁 晶体等、卤

31、化 物 晶体 (如 Nal、 Csl 系列、 ： 8 证 2 等 )等。这 些 闪烁晶体又由 于 各 自 的 特 点 不 同 ， 也 在 不 同 的 科 技 领 域 和 先 进 设 备 上 获得 广 泛 的 应 用 。 其 中 $3 和 BaF2 曾 分 别 是 西 欧 核 子 中 心 的 大 型强 子 对 撞 机 (LHC)和 美 国 超 级 超 导 对 撞 机 (SSC)首 选 用 于 探 测 的 闪 烁 晶体 材 料 ； 上个 世 纪末 美 国 SLAC (美 国 斯坦 福 线 性 加速 器 中心 ） 和 日 本 KEK (日 本 高 能 加 速 器 研 究 机构 ） 的 正 负 电 子

32、 M 对 撞 机 使 用 了 CsI(Tl)闪 烁 晶 体 ; 有 较 高 Z 值 并 且 对 Y 射 线 探 测 的 光 电效 率 比 较 高 的 BGO 闪 烁 晶 体 被 广 泛的 用 于 PET 扫 描 仪 上 ； CT 扫 描 仪 上 应 用 最 为 广 泛 的 是 闪 烁 效 率 高 ， 发 光 衰 减 时 间 长 的 CdW04 151 。 7 表 1-2 几种常用无机闪烁晶体的各项参数 材料 密度 g/cm3 (AE/E)/ %(622keV) pZ4eff /106 发射光谱 最强 处波 长 /nm 衰减 常数 /ms 折射 Y 闪烁 率 效率 是否潮 解 Nal(Tl) 3

33、.67 5.6 24.5 415 0.25 1.85 100 是 CsI(Tl) 4.51 4.3 38 550 1.0 1.79 45 轻微 CdW04 7.90 6.8 134 475 14 2.2 2.3 30-50 否 GSO:Ce 6.71 7.8 84 440 0.06 1.82 20-25 否 BGO 7.13 9.0 227 480 0.3/0.06 2.15 20 否 BaF2 4.88 7.7 38 315， 220 0.6, 1.5， 16, 5 否 0.0006 1.54 YAPrCe 5.55 4.4 7 350 0.027 1.94 40 否 表 1-2 中列出的是

34、几种常用无机闪烁晶体的其本身的各项性能参数。根据上面表 中的 内容我们易知， CsI(Tl)这种晶体的密度适中，而且对 7 射线有较强的阻止能力，较 Nal(Tl) 晶体而言，抗温度冲击和抗机械冲击的能力两个方面要强得多。由于探测转 化效率和谱线 峰值有关，并且 CsI(Tl)晶体的发射光谱峰值正好 550nm 这一波段，这与 CCD 的响应曲 线有很好的匹配度，有利于提高试验时探测器的光转化效率。通过对比， 总结来说这些优 越的性能是突出而且易见的， 所以 CsI(Tl) 晶体较为适合做新型波导屏 中的波导材料 116 17 。 1.2.2 硅电化学刻蚀发展 制 备 大孔 硅 的阳 极 氧化

35、 技 术使 得 电化 学 深刻 蚀 技术 蓬 勃发 展 起来 ， 两者 紧 紧相 连 。 1956 年 Uhlir18 在 研 究 半 导 体 材 料 电 化 学抛 光 试 验 的 时 候 ， 首 次 发 现 了 大 孔 硅 。 两 年 以 后 ， 关于大孔硅的形 成 机制 由 Tumer19 开始提出研究， 并 且进行了大量实验。但是 经 过漫 长 的 时间 ， 直 到 90 年 代 初 ， 英国 科 学 家 L.T.Canham2 G1 试 验 发 现 大孔 桂 的 新 特 性 在 室 温 下高 效 率 发 射 可 见 光 ， 并 且 通 过 实 验 验 证 ， 提 出 了 出 发 光 机

36、 制 的 量 子 限 制 效 应 基 础 模 型 。 从 此 ，多 孔 硅 才 逐 步 引 起 了 全 世 界 人 民 的 广 泛 关 注 。 大孔的形成机理自 1990 年 Lehmann 和 F611通过研究，并且在 N 型硅 -氢氟酸体 系 中突然发现了高深宽比大孔阵列结构，从此这一形成机理便成为了学术界争论的焦 点。对 于这种理论来说 Lehmann 22 空间电荷区域假设， P rpstp3 等 人 的 化 学 吸 附和 晶 面 取 向 解 释都比较成熟，而且报道详尽阐述透彻。 n 型大孔硅是目前被了解的，公认的最好的大孔硅。采用大孔硅制备技术的有很多 其 他刻蚀技术所无法比拟的优势

37、：它制作出来的孔具有非常完美的结构，能获得其他 刻蚀技 术所无法达到的非常高的深宽比，并且通道具有良好的形貌，侧壁光滑无腐蚀 , 8 孔 径 上下一 致 。 由 Lehmann q*人 提 出的理 论 我们可 以 知道， 当 阳极氧 化 ，而 且 n 型 硅 表 面存 在缺陷 ， 那么缺 陷 周围的 空 间电荷 区 就会相 应 的发生 弯 曲，从 而 会使 缺 陷 尖 端 处 的 电 场 得到 大 大 的 加 强 。 那 么 这 个 时 候 硅 的 溶 解 会 有 固 定 的 方 向 性 ， 即 沿 着 这 些 缺 陷 尖 端 进 行 ， 而 逐渐形成 了 很深的 孔 。这些 深 孔通过 测

38、量，最 深 的可以 达 到硅片 的 厚 度 ，更可 以 得 到 约 250 的深 宽 比 。 根据这种大孔硅的制备方法的理论基础， 电化学深刻蚀技术的概念逐步发展出来。 Lehmann 和他的同事提出利用制造集成电路的光刻技术附加在硅材料表面后，再人为 的在 表面制造一些合理的缺陷，然后对其进行阳极氧化，这便能造出一些具有高深宽 比的结构 22 23 。试验证明利用不同的缺陷后，可以制造出更多种高深宽比的新型结构。 比如：微通 道结构或者叉指结构等。 硅刻蚀工艺其实在近几年一直不断的向前发展，并且以非常迅猛的速度前行着。 如美 国纳米科学公司在上世纪末通过试验研究获得非常高的深宽比结构的微通道

39、阵 列，并成功 申请制作微通道板的硅刻蚀工艺的专利，这个专利是一种新型的微通 道列阵新的刻蚀 工艺有很多优点，如工艺简单，设备易于操作、设备及材料造 价低廉、投入后成本回收迅 速。对于这种加工技术，国内外仍然处于研究阶段，在国 内，长春理工大学 26 通过实验已 经刻蚀出孔深度为 38 Mm,孔径约为 4.5pm 左右，壁 厚约为左右的新型硅微通道阵列结 构，更令人欣慰的是此项研究己经成功并且 己处于世界的领先水平。 1.3 课题研究的内容及意义 课题研究内容包括： 2.3 通过电化学湿法刻蚀试验制备微通道阵列； 2.4 对各种闪烁晶体的特性、发光机理进行比较，确定 CsI(Tl)以作为本课题

40、所 研究 波导屏的光转化材料，并提出 CsI(Tl闪烁晶体的填充方案； 2.5 经过计算，对 CsI(Tl)闪烁晶体建立光电效应模型和康普顿散射模型，使用 matlab 进行模拟。 目前，数字化 X-ray 成像探测器已经广为普及，这就对科研工作者提出了更高的 要求， 那就是如何减少探测器中 X-ray 剂量与提高成像分辨率，从而形成新型的 X-ray 成像探测 器。 本 课题 所 研究 的波 导 屏， 很 好的 解 决了 以 上两 个问 题 。 使 用 硅微 通 道阵 列可 以 使 CsICTl)形成良好形状的波导， X-ray 在波导中转化为可见光，在硅微通道阵列中传播， 孔 壁对可见光起

41、到了良好的束缚作用，使可见光的透过率大幅度提高，间接增大了 X-ray 的 转化率，使波导屏获得很髙的成像分辨率。 用电化学湿法腐蚀技术代替深反应离子刻蚀技术，具有工艺成本低的特点，并使 硅微 通道阵列结构突破深宽比 30 的局限，为 X-ray 波导屏的研究奠定了工艺基础。 9 第二章波导屏的组成及原理 波导屏是以微通道阵列为基础，以闪烁晶体为光转化材料的新型 X-ray 成像转换 屏。 它利用闪烁晶体材料能将高能电磁波转化为可见光的原理，在微通道阵列中形成 波导，再 通过光纤与 CCD， CMOS 等目前比较成熟的可见光成像技术器件耦合，从而 在真正意义 上实现了 X-ray 数字化成像技

42、术。 4.1CsI(Tl)闪烁晶体材料基本性质 首 先 需 要 说 明 的 是 碘 化 铯 的 基 本 特 性 。 碘 化 铯 在 纯 净 的 程 度 下 会 呈 现 白 色 粉 末状 ; 其 本 身 为 面 心 立 方 结 构 ； 分 子 量 为 259;不 溶 于 水 、 乙 醇 ； 它 的 熔 点 较 高， 621C,其 沸 点 1280C， 但 这 些 与 硅 材 料 的 的 熔 点 14HTC 相 比 ， 还 是 比 较 低 的 ， 可 以 作 为 很 好 的 匹 配 材 料 ； 它 纯 净 状 态 下 的 密 度 为 4.51g/cm3 ,在 掺 杂 入 其 他 微 量 元 素 形

43、 成 闪 烁 体 时 ， 对 其 密 度 不 产 生 影 响 ； 在 水 中 的 溶 解 度 为 74g/100g27 。 而 碘 化 铯 的 纯 度 可 由 表 2-1 得 知 ： 表 2-1 碘化铯（ Csl晶体成分含量 物质 含量 碘化铯（ Csl) 99.999% 镍（ Ni) 的光转化机理 从能带的观点分析：无机闪烁体的发光是基于绝缘体材料的无机晶体，晶格上的 电子 处于两个分离开来的能量带之上，这两个能量带分别被称之为价带和导带，束缚 在晶格上的 电子对应于价带，而导带所对应的则是具有足够能量迁移的电子。而在它 们之间存在一个叫 做禁带的能量带。纯晶体中的粒子激发，可以使得处于价带中的电 子激发到导带中，而在退 激过程中，由于导带能级上的电子短寿命较短，这样的电子 将受激发，发射出一个光子，这 种发光的特点是：能量高（多在紫外区）；有很快的过 程；受外界（温度）影响较小，单发 光弱。由于中间能级与价带能级的宽度小于禁带 宽度，产生几率高，但能量传递较复杂，并 且寿命有很宽的分布，部分中间能级的电 子在退激过程中发射一个光子退回到价带，短寿命 能级的发光构成荧光；长寿命