基于SPR的多层金属膜厚在线纳米测量
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!第I:卷第J期原子能科学技术f#+Q I:!^#Q J !*2*9年J月Y%#5&/U';S O0?/&;'/;H'!_;/T'#+#O0?;=Q*2*9基于:.M P侧面读出双层半连续晶体的深度测量M A$探测器赵斌清( 黄!宇 王采林$松山湖材料实验室!广东东莞!I*9121%摘要 全身K U_成像仪器的发展趋势之一是提高轴向视野!但探测器深度不确定效应对K U_仪器空间分辨率的影响随着轴向视野的提高而增加"因此!需研发具有深度测量能力的K U_探测器"本文提出了一种采用&K F阵列侧面读出衰减时间不同的双层半连续晶体的深度测量K U_探测器方法!探测器上层是7W)的]`?B晶体阵列!下层是7W)的`?B晶体阵列!每层每根晶体尺寸均为955W-55W 7155"每层单根晶体采用U?R反射膜粘贴!上-下两层晶体通过光学胶耦合"对该探测器性能的实验测量结果表明!探测器可有效区分双层晶体!清晰分辨所有晶体单元"对于上-下两层晶体阵列!平均能量分辨率分别是778J L和778:L"探测器对晶体的最佳位置分辨是28*:55$P43F%!相比传统端面读出晶体的探测器!此探测器能提供连续深度信息"实验结果表明!本文提出的新型K U_探测器可用于实现高性能全身和全景K U_扫描仪"关键词 K U_探测器.深度测量.侧面读出.双层半连续晶体阵列中图分类号 _]17文献标志码 Y文章编号 7222@-J97$*2*9%2J@71*:@2160. 72Q:I91&0e N Q*2*9Q0#$<&H'Q2*19G(3-=A*+06.*<M A$G(-(+-0,)/.*<:.6(T(%605-01G5%';'%E(,:(4.;+0*-.*505/8,E/-%'/C.-=:.M P H,,%Eb3Y BD&'i&'O(!3a Y^[`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`?BH S S H0!H'!%T;+#";S+H0;S&,H7W)`?BH S S H0Q_T;,&e;#G;H/T/S0,%H+&';H/T+H0;S&,955W -55W7155Q_T;/S0,%H+,#G;H/T+H0;S";S;,;=H S H%;!>0H'U?RS;G+;/%&#'G&+5!H'!收稿日期 *2*9@2)@7:.修回日期 *2*9@2-@**基金项目 广东省基础与应用基础研究基金$*27J Y7I7I772)2J!*2*7D7I7I7*22)2%.国家自然科学基金$7*22I7I)%.广东省重点领域研发计划$*2*2D29292J2227%.国家自然科学基金重大科研仪器研制$I*7*:17:%(通信作者 赵斌清Copyright©博看网. All Rights Reserved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e;%T;0!&S;/%&#'T;&O T%=#,&%&#'!H'!%T;$==;S]`?B/S0,%H++H0;S&,>;%%;S%T H' %T;+#";S`?B/S0,%H++H0;S Q_T;;<=;S&5;'%H+S;,$+%,S;(;H+%T H%%T;'#(;+K U_!;%;/@ %#S=S#=#,;!T;S;/H'>;$,;!%#H/T&;(;T&O T@=;S G#S5H'/;"T#+;@>#!0H'!=H'#S H5&/ K U_,/H'';S,QI(E C0,6/#K U_!;%;/%#S.!;=%T;'/#!&'O.,&!;S;H!#$%.!$H+@+H0;S,;5&@/#'%&'$#$, /S0,%H+H S S H0!!正电子断层扫描成像$=#,&%S#';5&,,&#' %#5#O S H=T0!K U_%是通过符合探测正电子药物在体内湮没产生的方向相反的I77N;f,射线对实现成像"临床全身K U_在心脏-大脑等器官的功能-血流和代谢情况的分析和肿瘤早期诊断方面具有广泛的应用前景!不但极大推动了影像医学和临床医学的整体发展!且K U_已成为分子生命科学不可缺少的新工具"近年!将现今临床全身K U_扫描仪的轴向视野由7I#*2/5增加到7I2#*22/5成为了研发新趋势!这种可覆盖整个全身的全景K U_!其具有更高的系统灵敏度和探测器效率!且全身所有的器官或组织可动态实时成像*7+"这种扫描仪重建后K U_图像的信噪比极高!可极大减少扫描时间和注射剂量"然而由于全景K U_扫描仪轴向视野非常大!探测器的相互作用深度不确定效应会导致轴向空间分辨率显著降低"因此!需研发具有深度测量能力的K U_探测器"近年来!研发具有伽马射线相互作用深度测量能力的探测器一直是K U_扫描仪研发领域的热点"已研发成功的传统端面读出的深度测量K U_探测器方法包括双端读出分割晶体阵列**@9+-多层晶体阵列分别读出*)@I+-反射膜分布不同的多层分割晶体阵列*-@1+-多层衰减时间不同晶体阵列*J@72+-连续晶体*77+和半连续晶体*7*+等"然而这种端面读出分割晶体阵列和连续晶体的方法一方面由于晶体与收集光子的光探测器耦合面积较小!再加上光子在晶体内部多次反射!造成出射光子数目减少!导致能量分辨率变差.另一方面!由于光子到达光探测器的时间和深度相关!导致时间分辨率变差"为找到更好的方法!*271年美国斯坦福大学K U_团队提出了侧面读出晶体方法!并通过测试单根晶体验证了该方法提高探测器深度-时间和能量分辨率的可行性!但未涉及任何晶体阵列"同时!该团队提出每层单独侧面读出的)层晶体阵列设想!但存在光探测器成本太高!探测器不灵敏区域加大等弊端*79@7)+"为了解决上述问题!本文提出侧面读出双层半连续闪烁晶体阵列的方法!首先通过脉冲形状甄别实现衰减时间特性不同的双层晶体分辨!其次根据闪烁光子到达光探测器的分布宽度实现每层内的位置测量!即提高探测器位置分辨率!又降低光探测器成本!减少探测器不灵敏区域"本项目将制作]`?B和`?B晶体组成的双层半连续晶体阵列!采用&K F阵列侧面读出!并对探测器的性能进行测试"7!实验方法7"7!探测器基本原理采用&K F阵列侧面读出双层半连续晶体的深度测量K U_探测器的结构示意图如图7所示!由光衰减时间不同的双层闪烁晶体组成!晶体间沿!方向用反射膜隔开!沿0方向采用光学胶耦合"通过7个光探测器阵列侧面读出!探测器制作成本低"对于该探测器!可根据信号脉冲形状分析先进行晶体层鉴别!根据伽1*17原子能科学技术!!第I:卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.马射线与晶体发生作用产生的闪烁光子在光探测器上各信号幅度分布的横向展宽测量每层晶体内部0方向位置!根据闪烁光子在光探测器上分布的重心确定!方向位置及L 方向深度"图7!侧面读出双层半连续晶体阵列示意图P &O Q 7!?/T ;5H %&/(&;"#G ,&!;S ;H !#$%#G !$H +@+H 0;S ,;5&@/#'%&'$#$,/S 0,%H +"&%T?&K FH S S H 07"!!探测器制作和:.M P 读出电路本文制作的*W)探测器上层是7W)的]`?B 晶体阵列$衰减时间约99',%!下层是7W )的`?B 晶体阵列$衰减时间约-2',%"每根晶体尺寸均是955W -55W 7155!每根晶体底面抛光"每层单根晶体间采用光学胶和U ?R 反射膜粘合!上-下两层晶体通过光学胶耦合"晶体阵列四周及顶端均使用_;G +#'膜包裹!防止光子泄漏"光探测器使用;',]公司的*)个单像素?&K F $型号#F &/S #P V @9229I @_?f %拼接成)W -阵列!如图*所示!每个?&K F 单元的像素尺寸为987-55W 987-55!间隙为287155"晶体阵列底面与硅光电倍增管阵列使用硅油耦合"该&K F 阵列有*)个输出信号!通过单独读出得到*)个位置解码的能量信号C !提取各脉冲波形峰值后用于探测器性能分析"图*!)W -?&K F 阵列行列相加法示意图P &O Q *!?/T ;5H %&/#G S #"H '!/#+$5',$55&'OS ;H !#$%/&S /$&%#G )W -?&K FH S S H 07"#!实验测量使用图9所示的实验装置!分别在非符合模式和符合模式下对探测器进行测量"在非符合模式下!一直径28*I 55的**^H放射源从端面对待测双层半连续晶体阵列探测器进行均匀照射"在符合模式下!由单通道?&K F 和]`?B 单晶条$755W 755W 7155%组成参考探测器!将直径28*I55的**^H放射源与参考探测器一起安装在同一移动平台上!通过移动平台图9!实验装置和电子学示意图P &O Q 9!?/T ;5H %&/,#G ;<=;S &5;'%H +,;%$=H '!;+;/%S #'&/,,0,%;5J*17第J 期!!赵斌清等#基于?&K F 侧面读出双层半连续晶体的深度测量K U _探测器Copyright ©博看网. All Rights Reserved.对待测双层半连续晶体阵列探测器的)个不同0方向高度位置$78I-)8I-:8I-728I55%进行定点照射"放射源到参考探测器和待测双层半连续晶体阵列探测器的距离分别是7255和7*955"图9所示为实验装置和电子学示意图!待测探测器的*)个?&K F单独读出的能量信号和7路总和信号进入波形数字化仪!非符合模式下待测探测器的快信号甄别后作为数据采集系统触发信号!而符合模式下待测探测器和参考探测器的快信号符合后作为数据采集系统触发信号!最终对*)路能量信号和7路总和信号波形采样数字化后存储为列表数据"波形数字化仪采用的型号是意大利A Y U^公司f d7:)*!该数字化仪有9*个模拟信号输入通道和*个快触发输入通道!采样率I-*8I-7-28:I[?&,可选!单次采样点数72*)-I7*-*I--79-可选!7*位采样精度!输入电压范围7J=="本文中数据采集选择的是7[?&,采样率和单个波形72*)个采样点!采样窗口72*)',!而本实验中闪烁体信号脉宽约922',!能实现脉冲波形完整采集"7"?!数据分析探测器总和信号通过脉冲形状甄别方法区分双层晶体!如图)所示!包括过阈值脉冲宽度法和电荷积分比值法*种!采用上述*种方法分析每层事件数分布的均匀性"通过对)W-&K F阵列的*)个脉冲信号峰值行列相加!分别得到Cd7-Cd*-Cd9-Cd)-Cb7-Cb*-Cb9-Cb)-C b I-C b-72个位置解码的能量信号!单个,事件在二维晶体分辨图中的位置根据重心法由式$7%-$*%计算#!#C d7'*C d*'9C d9')C d)I$C d7'C d*'C d9'C d)%$7%L#C b7'*C b*'9C b9')C b)'I C b I'-C b-:$C b7'C b*'C b9'C b)'C b I'C b-%$*%S H%&##5H<$C b7!C b*!C b9!C b)!C b I!C b-%C b7'C b*'C b9'C b)'C b I'C b-$9%!!首先通过脉冲形状甄别方法!包括过阈值脉冲宽度法和电荷积分比值法!区分双层晶体!然后对不同晶体层的事件按照式$7%-$*%得到每个伽马事件作用晶体的位置!对所有事件的位置坐标进行直方图统计得到二维分布图!即晶体分辨图!再对晶体分辨图进行晶体单元分割!产生探测器的晶体查找表.然后使用晶体查找表重新分析数据!得到每个晶体的能谱!通过高斯拟合获得I77N;f的伽马射线光电全能峰的峰位置和半高宽!晶体的能量分辨率为半高宽除以峰位值再换算成百分比.最后使用式$9%中L方向信号最大值与总和比值表征光子分布的横向展宽!对0方向高度位置测量能力进行定量分析"图)!电荷积分比值法和过阈值脉冲宽度法示意图P&O Q)!?/T;5H%&/,#G/T H S O;&'%;O S H%&#'S H%&# 5;%T#!H'!%&5;#(;S%T S;,T#+!5;%T#!!!实验结果!"7!双层晶体区分为能定量评估探测器的晶体分层能力!对每个事件的电荷积分比值和过阈值脉冲宽度进行统计分布!以统计曲线波谷最低点画竖直线!位于竖线左右两边的所有事件区分为上-下两层"图I H为电荷积分比值法对所有事件的统计分布图!标号7和*分别是上]`?B晶体层和下`?B晶体层!上-下分层后的各层事件数所占总事件数量比例分别是:J81L和*28*L!图I>为过阈值脉冲宽度法对所有事件的统计分布图!晶体上-下分层后的各层事件数所占总事件数量比例分别是128*L和7J81L!两种方法对所有事件分层效果均较接近!一致验证了测试结果的准确性"由于]`?B晶体的密度为:8*O&/59!`?B晶体的密度为)8I O&/59!大部分伽马射线直接穿透`?B晶体层!导致下层`?B晶体层事件数量少"将采用电荷积分比值法的分层结果对探测器性能进行后续分析"!"!!非符合模式下的晶体分辨图本文中*W)双层半连续晶体阵列是由1根晶体组成!在该晶体分辨图中每根晶体对应2917原子能科学技术!!第I:卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.图I !电荷积分比值法$H %和过阈值脉冲宽度法$>%对所有事件的总和信号实现晶体分层统计分布图P &O Q I !]`?BH '!`?B/S 0,%H ++H 0;S &!;'%&G &/H %&#',$,&'O /T H S O ;&'%;OS H %&#'S H %%T #!$H %H '!%&5;#(;S %T S ;,T #+!5;%T #!$>%7条竖直亮斑!亮斑的大小和距离表明探测器是否可清晰区分每根晶体"图-为*W )双层半连续晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下得到的晶体分辨图"从晶体分辨图来看!所有晶体均可清楚区分!上层较下层分布更清晰均匀"可看到!在L 深度方向每层可提供连续深度信息"由于每层单根晶体间U ?R 反射膜并未完全隔断!导致晶体间的散射事件比较多"图:为对晶体分辨率图进行晶体单元分割后产生各晶体查找表!然后对每个晶体所有事件重心法计算的!坐标进行统计后得到的投影分布图"非符合模式下!**^H 点源放置在晶体阵列的靠中间位置!中间*个晶体所接收的伽马射线事件数比边缘*个晶体的事件数多"根据图:沿!方向的晶体投影分布图依次对上-下层)个尖峰按式$)%进行高斯拟合!得到各晶体位置的均方根误差,!计算的位置分辨$P 43F %列于表7!可看到中间*根晶体的位置分辨明显好于边缘晶体!测得!方向晶体的最佳位置分辨是28*:55$P 43F %!上-下层晶体的平均位置分辨分别是$289:M 282J %55$P 43F %和$289-M 2821%55$P 43F %"-$!%#B ;$$!$#%**,*$)%图-!*W )双层半连续晶体阵列探测器在非符合模式测量条件下得到的上]`?B 晶体层$H%和下`?B 晶体层$>%的晶体分辨图P &O Q -!P +##!T &,%#O S H 5,#G %T ;G &S ,%]`?B+H 0;S $H %H '!%T ;,;/#'!`?B+H 0;S $>%G #S !$H +@+H 0;S ,;5&@/#'%&'$#$,/S 0,%H +!;%;/%#S 5;H ,$S ;!&',&'O+;,5#!;图:!上]`?B 晶体层$H %和下`?B 晶体层$>%晶体分辨图沿!方向的重心投影位置统计分布图P &O Q :!K S #h ;/%&#'/$S (;,#G /;'%;S #G O S H (&%0H +#'O !@!&S ;/%&#'&'G +##!T &,%#O S H 5G #S %T ;G &S ,%]`?B+H 0;S $H %H '!%T ;,;/#'!`?B+H 0;S $>%7917第J 期!!赵斌清等#基于?&K F 侧面读出双层半连续晶体的深度测量K U _探测器Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表7!双层半连续晶体阵列探测器上 下两层个晶体的位置分辨$%&'(7!M0/.-.0*,(/0'5-.0*01105,+,E/-%'/01-C0 '%E(,/.*65%';'%E(,/(4.;+0*-.*505/+,E/-%'6(-(+-0,晶体层不同编号晶体位置分辨&557*9)平均上]`?B晶体层28)*28*J289728):289:M282J 下`?B晶体层289J28*:289928)I289-M2821!"#!能量分辨率图1-J分别为双层半连续晶体阵列探测器上-下两层)个晶体在非符合模式测量条件下得到的能谱!能谱是表征伽马射线能量值分布的直方图统计!表*列出了双层半连续晶体阵列探测器上-下两层)个晶体的I77N;f全能峰峰位和能量分辨率!图1-J中I77N;f峰位对应的Y Z A计数在I22#7222范围内!而出现在7222#7I22范围内的峰位是]`?B或`?B本底辐射"探测器上-下两层的平均能量分辨率分别是778J L和778:L!目前商业K U_仪器探测器能量分辨率小于7*L!已满足仪器需求"上]`?B和下`?B晶体层的I77N;f全能峰位所对应的Y Z A计数分别是:72和-19!数值差异与闪烁晶体的发光特性有关"图1!双层半连续晶体阵列探测器上层)个]`?B晶体的能谱图P&O Q1!A S0,%H+;';S O0,=;/%S H#G!;%;/%#S"&%T%T;G&S,%]`?B+H0;S图J!双层半连续晶体阵列探测器下层)个`?B晶体的能谱图P&O Q J!A S0,%H+;';S O0,=;/%S H#G!;%;/%#S"&%T%T;,;/#'!`?B+H0;S *917原子能科学技术!!第I:卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.表!!双层半连续晶体阵列探测器上 下两层?个晶体的能量分辨率和J77U(W全能峰的峰位$%&'(!!A*(,<E,(/0'5-.0*%*63=0-03(%U>%'5(01105,+,E/-%'/01-C0'%E(,/.*65%';'%E(,/(4.;+0*-.*505/+,E/-%'6(-(+-0,晶体层参数不同编号晶体的参数值7*9)平均上]`?B晶体层能量分辨率!L778I7*897*8-7787778J M28:峰位!N;f-J98I:7182:*98*:2I8):7282M7989下`?B晶体层能量分辨率!L778:7*82778-778)778:M289峰位!N;f-:98)-118--J98*-::8:-198*M J8*!"?!探测器 方向高度位置测量能力定量分析由于伽马射线与晶体发生作用的位置与到光探测器的距离不同!导致在L方向光子分布有统计差异!可绘制每个高度位置的特征值统计曲线来加以体现"本文采用式$9%中L 方向-个信号中的最大值与总和比值来表征光子分布的横向展宽!计算晶体内部0方向位置"图72为探测器在符合模式下得到的0方向上层*个高度位置$78I55-)8I55%和下层*个高度$:8I55-728I55%归一化后的比值分布统计图"以两条曲线交叉点绘制分界线!位于竖线左面和右面的所有事件分别被识别成相应的高度!然后计算各个高度事件的正确识别率$正确识别事件和所有事件占比%"上]`?B晶体层每个高度位置可清楚分辨!正确识别率分别是198*L和1:8:L"下`?B晶体层每个高度位置分辨能力较差!正确识别率分别是*187L和I78:L"0方向高度位置分辨率上]`?B晶体层明显好于下`?B晶体层"由于]`?B晶体的光产额是*J222=T#%#',&F;f!而`?B晶体的光产额是7*222=T#%#',&F;f!每次伽马射线与下层`?B晶体发生作用时!产生的光子数量少!再加上`?B层晶体从光子产生到被光探测器收集的路径短!导致下层*个高度位置的光子横向分布宽度差异低"图72!探测器在符合模式下测量上]`?B晶体层$H%和下`?B晶体层$>%)个高度位置的比值分布图P&O Q72!P#$S T;&O T%=#,&%&#'!&,%S&>$%&#',#G%T;G&S,%]`?B+H0;S$H%H'!%T;,;/#'!`?B+H0;S$>% G#S!$H+@+H0;S,;5&@/#'%&'$#$,/S0,%H+!;%;/%#S5;H,$S;!&'/#&'/&!;'/;5#!;#!结论本文提出并测试了一种新型的具有连续深度测量能力的K U_探测器!采用]`?B和`?B制作了*W)双层半连续晶体阵列探测器!通过&K F阵列侧面读出!对该探测器的可行性进行了初步研究"电荷积分比值法和过阈值脉冲宽度法都能够有效区分双层晶体!由于`?B晶体密度与]`?B晶体密度差异大!两层事件数分布不均匀.探测器上]`?B晶体层平均能量分辨率是778J L!下`?B晶体层平均能量分辨率是778:L!探测器能量分辨率好.晶体分辨图能清楚分辨所有晶体单元!在L方向能够提供连续深度信息.对0方向高度位置采用信号最大值与总和比值方法进行分析!上]`?B晶体层*个高度的区分度较好!下`?B 晶体层*个高度分辨能力较差"下一步将通过9917第J期!!赵斌清等#基于?&K F侧面读出双层半连续晶体的深度测量K U_探测器Copyright©博看网. All Rights Reserved.选取两种晶体密度和发光特性均接近的晶体组成双层半连续晶体阵列!改善0方向的高度位置分辨能力"未来的工作还包括晶体间反射膜粘贴工艺的优化!将制作晶体尺寸更小和晶体数目更多的晶体阵列!并对探测器的晶体分辨图-高度位置分辨能力和能量分辨率进行测量!探测器优化后可用于今后研发长轴向视野的全身和全景K U_成像系统"参考文献*7+!A3U R R`?R!V B^U?_!C Y R KV?!;%H+Q _#%H+@>#!0K U_#F H<&5&e&'O,;',&%&(&%0%#/S;H%;';"#==#S%$'&%&;,G#S/+&'&/H+S;,;H S/TH'!=H%&;'%/H S;*V+QV#$S'H+#G^$/+;H S F;!&/&';!*271!I J$7%#9@7*Q**+!C a Y^[b!4Y^[d!b3Y B D!;%H+QZ$H+@ ;'!;!S;H!#$%,5H++H'&5H+K U_!;%;/%#S>0$,&'O28I55=&<;+H%;!]`?B/S0,%H+H S S H0,H'!&K F,*V+Q^$/+;H S.',%S$5;'%,H'!F;%T#!,&'K T0,&/,R;,;H S/TY!*27J!J7:$77%#7@1Q*9+!C a Y^[b!4Y^[d!R U^^!;%H+QZ;,&O' H'!=;S G#S5H'/;#G?.Y_H K U_#Y$'&G#S5T&O T@S;,#+$%&#',5H++H'&5H+K U_,/H'';S$,&'O!$H+@;'!;!S;H!#$%!;%;/%#S,*V+Q K T0,&/,&'F;!&/&';\D&#+#O0!*2*2!-I$*9%#*9I279Q*)+!b3Y^[V!B]A B__K Z!A3.^^[!;%H+Q %$!0#G%T;=;S G#S5H'/;#GH'#(;+S;,#+$%&#'!$H+@=H';+K U_/H5;S H!;,&O'!;!&/H%;!%#>S;H,%/H'/;S&5H O&'O$,&'O F#'%;A H S+#,&5$+H%&#'*V+QF;!&/H+=T0,&/,!*22:!9)$*%#-1J@:2*Q*I+!b3Y^[V!P B a Z R Y`Y F C!B]A B__KZ!;%H+Q K;S G#S5H'/;/T H S H/%;S&e H%&#'#G H'#(;+%T&'=#,&%&#'@,;',&%&(;H(H+H'/T;=T#%#!&#!;G#S755S;,#+$%&#'=#,&%S#';5&,,&#'%#5#O S H=T0*V+Q .U U U_S H',H/%&#',#'^$/+;H S?/&;'/;!*22:!I)$9%#)7I@)*7Q*-+!FB3YFFY Z.Y!.^Y Z YFY^!`B?3.Z Y U!;%H+Q.5=S#(;5;'%#G/S0,%H+&!;'%&G&/H%&#'=;S G#S5H'/;G#SHG#$S@+H0;SZ B.!;%;/%#S/#5@=#,;!#G/S0,%H+,,;O5;'%;!>0+H,;S=S#/;,,&'O*V+Q^$/+;H S.',%S$5;'%,H'!F;%T#!,&'K T0,@&/,R;,;H S/TY!*27:!1--$77%#*J@9I Q*:+!赵斌清!付春亮!邝忠华!等Q基于沿单层]`?B 晶体阵列深度多层反射膜分布的深度编码K U_探测器研究*V+Q原子能科学技术!*2*2!I)$9%# I99@I)7Qb3Y BD&'i&'O!P aA T$'+&H'O!C a Y^[b T#'O@T$H!;%H+QZ;=%T;'/#!&'O K U_!;%;/%#S$,&'O%"#H'!G#$S S;G+;/%#SH S S H'O;5;'%,H+#'O!;=%T#G,&'O+;+H0;S]`?BH S S H0*V+QY%#5&/U';S O0/&;'/;H'!_;/T'#+#O0!*2*2!I)$9%#I99@I)7$&'A T&';,;%Q*1+!Y C YFY_?a[!_Y?3.FY3!.4Y B`!;% H+Q K;S G#S5H'/;;(H+$H%&#'#G H"T#+;@>#!0=S#%#@ %0=;K U_,/H'';S"&%TG#$S@+H0;SZ B.!;%;/%#S,*V+Q K T0,&/,&'F;!&/&';\D&#+#O0!*27J!-)$J%#2J I27)Q*J+!].ab!Fa^[Y.?!^.a F!;%H+Q U!O;;G G;/% S;!$/%&#'#GT&O T@S;,#+$%&#'K U_!;%;/%#S,$,&'O]`?BH'![Y[[=T#,"&/T/S0,%H+,*V+Q K T0,&/, &'F;!&/&';\D&#+#O0!*2*9!-1$-%#2-I272Q *72+K R B a_Z]![a b!?3a?_U P F!;%H+QY !&O&%H+=T#,"&/T!;%;/%#S$,&'O%&5;@#(;S@%T S;,T@#+!G#S!;=%T#G&'%;S H/%&#'&'K U_*V+Q K T0,&/,&'F;!&/&';\D&#+#O0!*2*2!-I$*)%#*)I27:Q*77+b3Y^[3!b3B a R!`Y B R!;%H+Q Y,%$!0 #'H'#'+&';H S+;H,%@,i$H S;,G&%%&'O5;%T#!G#S9Z=#,&%&#'&'O#G O H55HS H0,>H,;!#'5#'#+&%T&//S0,%H+H'!?&K F H S S H0*V+QR H!&H%&#'Z;%;/%&#'_;/T'#+#O0H'!F;%T#!,!*2**!-$9%#9:I@9J2Q *7*+b3Y^[d!4Y^[d!R U^^!;%H+Q K;S G#S5@ H'/;#G+#'O S;/%H'O$+H S,;5&@5#'#+&%T&/,/&'%&++H@ %#SK U_!;%;/%#S,*V+QF;!&/H+K T0,&/,!*27J!)-$)%#7-21@7-7J Q*79+`U BFV`!f.^C U R!]U f.^A?Q?&!;S;H!@ #$%#G+#'O,/&'%&++H%&#'/S0,%H+;+;5;'%,"&%T!&O@ &%H+?&K F G#S_B P@Z B.K U_*V+Q F;!&/H+=T0,@ &/,!*27)!)7$7*%#7**I27Q*7)+A Y_U?V4!]U f.^A?Q U(H+$H%&#'#G H/+&'&/H+ _B P@K U_!;%;/%#S!;,&O'%T H%H/T&;(;,722=,/#&'/&!;'/;%&5;S;,#+$%&#'*V+Q K T0,&/,&'F;!&@/&';\D&#+#O0!*271!-9$77%#77I277Q)917原子能科学技术!!第I:卷Copyright©博看网. 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机械工程论文:基于纳米银膜的SPR基于纳米银膜的SPR-PCF传感特性研究摘要科技的快速发展,人们在多个领域对传感器的灵敏程度要求越来越高,这使得传感特性研究成为世界研究的焦点。
科学家们急于寻找更好的传感材料,于是光纤被制作出来。
科学家们用光纤制作出系统稳定性好、灵敏度高的光纤传感器。
但是随着社会的发展,传统光纤传感器的缺点被充分暴露出来。
本文首先对表面等离子技术的相关文献进行梳理和总结,为下文研究打下基础,然后对SPR技术进行参数说明,然后介绍SPR技术在PCF传感器中的应用,最后设计一个可行的度银膜的SPR-PCF传感器。
关键词:传感器;光纤;SPR;PCF第一章绪论1.1研究背景随着科技的发展,人们在多个领域对传感器的灵敏程度要求越来越高,这使得传感特性研究成为世界研究的焦点。
科学家们急于寻找更好的传感材料,于是光纤被制作出来。
科学家们用光纤制作出系统稳定性好、灵敏度高的光纤传感器。
但是随着社会的发展,传统光纤传感器的缺点被充分暴露出来。
例如传统光纤传感器发生耦合时产生温度交叉不稳、损耗过大、保偏特性差、系统稳定性差等缺点。
因此科学家们迫切寻找可以代替光纤的传感材料,经过长时间的研究和探索发现,人们发现了光子晶体光纤,也就是PCF。
科学家们的研究发现PCF相较于传统光纤,它能消除传统光纤发生耦合时的缺点。
不过,PCF的结构参数还比较匮乏,多数以理论为主。
现在PCF传感器的研究以及仿真分析仍是科研领域值得关注的焦点。
1.2 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 表面等离子共振技术研究现状Wood(1902)发现表面等离子共振现象,Fano(1941)解释这一现象是由于空气和表面等离子发生能量转换引起的。
Ritchie(1957)在实验中研究发现介质与金属界面电磁波吸收产生影响。
根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理可知,当光密介质射入光疏介质,并且入射角增大到某一角度,即入射角大于或等于临界角时,折射率达到-90度,折射光完全消失而只剩下反射光,此时就会发生的光的全内反射。
基于SPR相位检测法的纳米级金属薄膜厚度检测理论与方法研究近年来,纳米级金属薄膜材料在半导体制造、光伏电池、航空材料、生化技术等领域都起到了至关重要的作用,而其厚度参数是影响材料性质和评价薄膜质量的关键技术指标之一,因此研究如何准确地测量纳米级金属薄膜的厚度参数具有非常重要的意义。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术在薄膜传感器领域,特别是在测量薄膜的特征参数方面得到了一定程度的研究和应用,由于SPR效应对不同的金属薄膜和介质界面的微小变化十分敏感,因此可以用来检测纳米级金属薄膜的厚度,而相较于其它的检测方法来说,SPR相位检测法的灵敏度更高。
因此,基于以上的分析和论述,本课题提出了一种基于SPR相位检测法的纳米级金属薄膜厚度检测方案。
具体完成的工作主要包括:一、建立了利用SPR相位检测法测量金属薄膜厚度的测量模型。
根据SPR检测的基本原理和方法,推导了基于Kretschmann多层结构的棱镜型SPR传感器的理论模型,选取了金膜和银膜作为本课题的主要研究对象,确定了采用测量TM偏振波和TE偏振波的反射相位差并结合数值计算、曲线拟合的方法计算金属薄膜厚度的测量模型。
二、搭建了利用SPR相位检测法测量金属薄膜厚度的测量系统。
根据已建立的测量模型,设计了利用干涉条纹图像计算TM偏振波和TE偏振波的反射相位差确定金属薄膜厚度的方法,选取了合适的实验器件,制备了具有Kretschmann结构的棱镜型SPR传感器,搭建了集成单色光偏振态调制模块、马赫-曾德尔干涉模块和干涉条纹图像采集模块等于一体的测量系统。
三、开展了利用SPR相位检测法测量金属薄膜厚度的实验研究。
根据已建立的测量模型和已搭建的测量系统,针对单层和双层金属薄膜结构的棱镜型SPR传感器分别开展了金属薄膜厚度的测量实验,利用AFM和椭偏仪验证了所得到的测量结果,分析了测量方案的特点与不足,为进一步改进测量模型和测量系统指明了方向。
一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法随着纳米技术的发展,纳米级薄膜在各个领域的应用越来越广泛。
但是,如何准确测量纳米级薄膜的厚度一直是一个难题。
本文将介绍一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法——椭偏仪法。
一、椭偏仪法的基本原理椭偏仪法是一种基于椭偏现象的测量方法。
当线偏振光照射到薄膜表面时,由于折射率的不同,光在薄膜内部和外部的传播速度不同,导致光的偏振状态发生变化。
通过测量反射光的偏振状态,可以计算出薄膜的厚度。
二、椭偏仪法的测量步骤1. 样品制备首先,需要制备一块平整的样品。
样品可以是单层或多层薄膜,但需要保证样品表面平整、干净、无氧化物等杂质。
2. 测量条件设置将样品放置在椭偏仪的样品台上,调整椭偏仪的测量条件。
需要设置光源的波长、入射角度、偏振方向等参数,以及控制样品台的旋转角度。
3. 测量数据采集启动椭偏仪,开始测量。
椭偏仪会自动采集反射光的偏振状态,并计算出薄膜的厚度。
可以通过软件将测量数据导出,进行后续处理和分析。
三、椭偏仪法的优缺点椭偏仪法作为一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法,具有以下优点:1. 非接触式测量,不会对样品造成损伤。
2. 可以测量极薄的薄膜,甚至可以测量单层原子薄膜。
3. 测量结果准确可靠,误差很小。
但是,椭偏仪法也存在一些缺点:1. 测量过程需要较长的时间,不能实时测量。
2. 对样品表面的平整度要求较高,对样品的制备和处理要求较严格。
3. 椭偏仪设备价格较高,不适合小型实验室使用。
四、椭偏仪法的应用举例椭偏仪法在纳米材料领域有着广泛的应用。
例如,在半导体器件制造中,椭偏仪法可以用于测量薄膜的厚度和折射率,以优化器件性能。
在生物医学领域,椭偏仪法可以用于测量纳米级生物材料的厚度和形态,以研究其生物学特性。
总之,椭偏仪法作为一种准确测量纳米级薄膜厚度的方法,具有一定的优点和缺点,但在纳米材料领域有着广泛的应用前景。