基于像素化结构的ZnO:Ga单晶纳米棒阵列 α粒子闪烁屏研究

In the associated α-particle fast neutron imaging technology, the α-particle scintillation screen with ultrafast, high-spatial-resolution and high signal-to-noise ratio (SNR) is one of the keys for fast and accurate detection of the explosives. Closely surrounding the strategy demands of national defense and anti-terrorism security inspection, a novel pixelated α-particle scintillation screen based on ZnO:Ga single-crystal nanorod array is proposed by integrating the advantages of sub-nanosecond decay time of ZnO:Ga, high spatial resolution of pixelated structure and noise filtering regulated by array thickness. And corresponding fundamental researches on the design, preparation processing and performance modulation of the scintillation screen will be carried out in this proposal project. The influence of structure parameters (shape, diameter, thickness and density, etc.) on the luminescence efficiency and spatial resolution of the scintillation screen will be clarified through Geant4 simulation. The mechanism related to the effect of the defects (intrinsic and doping defects) and microstructures (lattice distortion and coordination environment) on luminescence efficiency and decay time of the scintillation screen will be revealed by using several spectral technologies combined with the crystal structure refinement method. Finally, the novel α-particle scintillation screen with ultrafast (subnanosecond), high-spatial-resolution (micron scale) and high SNR (> 10:1) will be developed after optimizing the fabrication processes of magnetron sputtering and hydrothermal methods. In conclusion, this project is expected to promote the progress of the associated α-particle fast neutron imaging technology.

在快中子伴随α粒子成像技术中，超快、高空间分辨和高信噪比的α粒子闪烁屏是实现快速、准确检测爆炸物的关键之一。紧扣国防科技和反恐安检领域的国家战略需求，综合ZnO:Ga亚纳秒发光衰减时间和像素化结构高空间分辨的特点，以及厚度调控的噪声过滤手段，本项目提出一种兼顾超快、高空间分辨和高信噪比的新型像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁屏，开展该闪烁屏的设计、制备与性能研究。项目拟通过Geant4模拟，阐明阵列结构参数对闪烁屏发光效率和空间分辨率的影响规律；运用多种光谱技术，结合晶体结构精修方法，揭示纳米棒缺陷态和微结构（晶格畸变、配位环境）变化对闪烁屏性能影响的作用机制；通过优化磁控溅射和水热反应法制备工艺，研制出兼备超快(亚纳秒)、高空间分辨(微米级)和高信噪比(> 10:1)的高性能ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁屏，以推动快中子伴随α粒子成像技术的发展。

近年来国际反恐形势日趋严峻，各种恐怖袭击明显增多，为有效检测隐藏爆炸物，亟需发展快速、准确识别爆炸物的检测技术。快中子伴随α粒子成像技术应运而生，被誉为爆炸物检测领域的“指纹”技术。其中，超快、高空间分辨和高信噪比的伴随α粒子闪烁屏是该技术实现快速、准确检测爆炸物的关键之一，但目前常用伴随α粒子闪烁屏无法同时兼顾上述性能。紧扣国防科技和反恐安检领域的国家战略需求，综合ZnO:Ga亚纳秒发光衰减时间和像素化结构高空间分辨的特点，以及厚度调控的噪声过滤手段，本项目提出一种兼顾超快、高空间分辨和高信噪比的新型像素化结构ZnO:Ga单晶纳米棒阵列α粒子闪烁屏，开展该闪烁屏的设计、制备与性能研究。本项目通过Geant4模拟，阐明了纳米棒阵列结构参数对α粒子闪烁屏发光效率和空间分辨率的影响规律；运用多种光谱技术，结合晶体结构精修方法，揭示ZnO:Ga纳米棒缺陷态和微结构（晶格畸变、配位环境）变化对闪烁屏性能影响的作用机制；通过优化磁控溅射和水热反应法制备工艺，最终成功研制并稳定量产出具有自主知识产权的超快衰减时间（< 1 ns）、高空间分辨率（< 1 μm）和高信噪比（> 10:1）的新型像素化结构大尺寸（> 50 mm）α粒子闪烁屏及探测器。本项目所研制伴随α粒子闪烁屏的综合性能已达到国际先进水平，各项关键指标已通过实验室测试验证和使用环境验证，通过与中国工程物理研究院核物理与化学研究所合作，已初步应用于其自主设计研发的第一代便携式氘氚反应快中子伴随粒子发生器。本项目成果将解决高精度伴随α粒子闪烁屏探测器制备和应用所面临的关键技术问题，同时可为α粒子探测与成像领域开辟一条新途径，被物理学报选为封面热点文章，并被中国科技成果期刊刊文报道。该项目的研制成果打破国外专利壁垒和技术垄断，解决我国在核工业、国防、反恐安检及核医学成像等领域的迫切应用需求，具有重要的科学意义和战略意义。