GOS 閃爍陣列在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用與加工工藝研究

范榮華， 劉 斌

（公安部第一研究所 安檢產(chǎn)品制造部， 北京 102200）

0 引言

閃爍材料是一種在X 射線或原子核粒子作用下產(chǎn)生脈沖光現(xiàn)象的材料。 由閃爍材料制成的探測器可用于安檢、工業(yè)探傷、油井勘探、核物理及高能物理等方面，目前這一類探測器用的主要是無機閃爍晶體[1-3]。 相比無機閃爍晶體， 陶瓷閃爍晶體由于在其粉體制備過程中可以較容易地實現(xiàn)摻雜離子分子級別的均勻混合、 制備工藝簡單、成本低及良好的機械加工性能等，成為了近年來新型閃爍材料研究的熱點和前沿。

GOS 是一種氧化物透明陶瓷閃爍晶體，它具有約為60 的有效原子序數(shù)、1.8 倍于CdWO4的光輸出、＜0.01%的余輝值、與硅光電二極管匹配的峰值波長、安全無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定、 不易潮解、 機械加工性能好等一系列特性，是非常一種優(yōu)秀的新型閃爍材料[4-5]。 在具體應(yīng)用中，GOS 材料在晶體生長成為坯件之后，為滿足下一步的具體應(yīng)用領(lǐng)域，需對其進行外形深加工。 在安檢領(lǐng)域中，由于圖像處理的特殊性，GOS 閃爍陣列中需保證16 個獨立像素的加工精度，其加工工藝十分復雜，效率較低。

1 在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用

應(yīng)用在安檢領(lǐng)域時，需將GOS 晶體坯件加工成擁有16個獨立像素位置的長條狀GOS 陣列。 應(yīng)用時GOS 陣列需與硅光電二極管配合組成探測器模塊，X 射線首先使GOS閃爍陣列發(fā)光，之后硅光電二極管將其轉(zhuǎn)化成微弱的電流信號，經(jīng)過積分放大處理，得到A/D 轉(zhuǎn)換電路可以處理的模擬電壓信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，這些表征著圖像信息的數(shù)字信號被引入FPGA 芯片，進而傳輸給工控機，經(jīng)過圖像軟件的處理就可以顯示出來了[6-8]。 其工作流程，見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作流程Fig.1 System workflow

現(xiàn)階段隨著反恐形勢的嚴峻，安檢領(lǐng)域?qū)Π矙z機的需求量不斷增大，同時也對安檢機的穿透能力、分辨能力等技術(shù)指標的要求也不斷提高[9]。 GOS 閃爍陣列大量應(yīng)用與安檢機之中， 且其性能直接影響到安檢機的核心指標[10]。為了高效的生產(chǎn)安檢機， 安檢機探測器中GOS 閃爍陣列的加工工藝成為制約生產(chǎn)效率的一大難點。

2 加工工藝研究

為進一步提高GOS 閃爍陣列的生產(chǎn)效率，現(xiàn)提出改進加工工藝，在保證加工精度同時，提高生產(chǎn)效率、且整個加工工藝簡單易行。

以某款需加工成陣列的矩形GOS 坯件為例，其外形尺寸為25.5mm×3mm×3mm。首先將待加工的GOS 坯件通過工裝和UV 膠精確固定在玻璃板的指定位置上。GOS 坯件的間距為兩邊晶體反射膠的厚度加上一個加工刀具的刀厚，X 代表GOS 坯件短邊反射膠厚度，Y 代表刀厚，Z 代表GOS 坯件長邊反射膠厚度。排列的數(shù)量以劃片機的可用工作范圍確定，一般可以以8 個為一組排布，見圖2。最大可排列每排30 個共5 排， 共計150 個，見圖3。

圖2 一組GOS 坯件排布Fig.2 A set of GOS blanks

圖3 最大加工排布Fig.3 Maximum machining layout

經(jīng)反復試驗，GOS閃爍陣列改進加工工藝流程分為以下步驟。

2.1 切出獨立像素

先將GOS 晶體坯件一個一個擺放并粘貼到定位工裝里， 然后在坯件頂面涂敷適量的UV 膠，把底托板壓放到定位工裝里并與GOS陶瓷坯件進行粘貼，待整個粘貼組件固化后，通過劃片機切出16 個獨立像素。 劃片機在GOS 上的切深為2.9mm，留出一個0.1mm 的梳子背，之后通過清洗機清洗。

2.2 灌封坯件

將玻璃板上加工好的一組GOS 坯件，通過工裝灌封反射膠，形成一個GOS 和反射膠的矩形塊，若使用浸入式灌封工裝，則需要先將定量的反射膠倒入工裝內(nèi)，然后開槽組件的底托板在上面、將晶體緩慢的放入灌封工裝內(nèi)，待反射膠有溢出時停下待固化，固化后拆下灌封工裝。 若使用框封式灌封工裝，則需將開槽組件與工裝組裝，檢查底托板面是否密封好，然后將反射膠倒入灌封腔體內(nèi)。灌封的厚度約3.6～3.8mm，即GOS 的上表面留有0.6～0.8mm 厚的反射膠，灌封的長寬為晶體尺寸加上四周所需的白膠厚度。 灌封后的一組GOSS 灌封坯件，見圖4。

圖4 一組GOS 灌封坯件Fig.4 A group of GOS potting blank

2.3 銑磨上表面

將GOS 矩形塊從灌封工裝中取出，通過銑磨機加工GOS 大整塊的上表面，保證其平面度＜0.05，加工后GOS大整塊的厚度從3.6～3.8mm 減為3.5mm。

2.4 分離GOS 矩形塊

通過LED 燈或烘箱加熱到130℃以上，使UV 膠失去粘性，之后停止加熱。 待溫度下降到80℃時，將GOS 矩形塊與粘接的玻璃板分離。

2.5 銑磨下表面

通過銑磨機加工GOS 矩形塊的下表面， 磨去0.1mm厚的梳子背，使GOS 晶體的厚度為2.9mm，GOS 矩形塊的厚度為3.4mm。

2.6 切割成獨立陣列

依照圖紙，使用劃片機將GOS 矩形塊切割開。 再切成獨立的一個一個GOS 閃爍陣列。

3 結(jié)論

目前GOS 閃爍陣列已經(jīng)安檢領(lǐng)域中的高端安檢機、CT 和平板探測器中廣泛應(yīng)用。 未來隨著技術(shù)不斷成熟、GOS 閃爍陣列的制備成本將不斷下降。 同時隨著加工工藝的改進， 其加工成本也將下降， 進而可以代替CsI 材料，應(yīng)用于低端安檢領(lǐng)域，占有更大市場份額。

GOS 閃爍陣列改進加工工藝， 將現(xiàn)有工藝中每一個GOS 獨立進行開槽、灌封、切割等加工工藝，改進為先形成一個GOS 矩形塊，再以組為單位進行加工，生產(chǎn)效率提高了2 倍以上。通過光學影像儀檢測，該改進工藝加工的GOS 閃爍陣列精度滿足要求。 同時，該工藝也適用于加工CsI、GAGG、CdWO4等應(yīng)用于安檢領(lǐng)域的閃爍陣列。