表面等离激元型快闪烁体的调控机理及应用探索

Scintillation detectors are important radiation measurement apparatus in the fields of high-energy-physics experiments, nuclear physics experiments, nuclear medical imaging and radiation diagnosis for weapons. There is an urgent demand on the improvement of time resolution, which leads to a requirement on scintillators with a fast decay time. This proposal is aimed at achieving the efficient controlling of spontaneous radiation based on the surface plasmon polariton, leading to a fast decay time. The structure of periodic array of metal nanoparticles can also control the directionality of emission with its unique dispersion relation, which is beneficial to the collection of scintillation photons and thus improving the detection efficiency. The main contents include the understanding of the physical process of controlling, designing and fabricating of samples, measuring their performance, and estimating the effectiveness and the scope of applications in radiation detection systems. It is expected to explore fast scintillators using a new way based on the principle of nanophotonics.

闪烁探测系统在高能物理实验、核物理实验、核医学成像、武器试验诊断、宇宙射线测量等领域具有重要的用途。在超高计数率和超快时间符合测量条件下，探测系统对于时间分辨能力的提升有着迫切的需求，这就要求作为探测系统中核心功能材料的闪烁体具有快的发光衰减时间。本项目拟利用金属周期阵列形成的局域表面等离激元与周期晶格耦合产生的杂化模式调控闪烁体中的自发辐射过程，通过增加自发辐射几率获得发光衰减时间的缩短。由于周期结构形成的特殊等离激元色散关系使得发光的方向性也获得了同时调控的可能性，将有利于提高探测器对闪烁光子的收集效率进而提高探测效率。项目将深入理解调控的物理过程并进行结构设计和材料制备，通过闪烁表征和在探测系统中的实验，评估该方法在提升探测系统时间分辨能力和探测效率上的有效性和适用范围，为探索快闪烁体提供新的方法。

本项目开展了基于光子人工微结构调控闪烁体发光的研究，具体包含利用局域表面等离激元与周期晶格耦合产生的杂化模式调控闪烁发光动力学过程和方向性，光子晶体结构调控闪烁体发光方向性的研究，以及微结构闪烁体在探测系统中的性能研究和国防应用研究。主要成果包括：（1）采用金属银纳米阵列结构产生的基于表面等离激元共振的晶格衍射结构，获得表面等离激元产生的光子模式增强的效应，以及周期晶格导致的衍射效应，最终产生闪烁体强烈的方向性发光调控，获得了具有显著方向性发射的塑料闪烁体，对于提高探测系统收集效率具有重要意义。（2）基于导模共振获得LuTaO4:Eu、LSO和量子点闪烁薄膜的发光方向性调控，对于提高探测器光子收集效率具有重要意义。（3）LYSO闪烁体表面制备光子晶体结构，获得了20%的时间分辨率的提升，这是光子晶体提高探测系统性能的重要成果。（4）采用光子晶体结构实现ZnO:Ga闪烁转换屏在不影响成像分辨率的条件下，显著增强了光输出。（5）发展了大面积光子晶体制备技术，采用热压印方法制备大面积光子晶体塑料闪烁体，获得了光输出效率的大幅提高。该光子晶体闪烁薄膜探测器已经成功应用于国家重大国防科学试验，发挥了重要作用。有效地解决了强脉冲辐射测量中信噪比不足的关键问题，该成果对于提升我国脉冲中子诊断能力有重要意义。本项目按计划完成既定目标，发表论文16篇，其中SCIE收录论文15篇。获得授权专利10项。培养毕业博士研究生1名，硕士研究生2名。