新型Eu3+掺杂硼锗酸钆玻璃的X射线闪烁性能优化及成像应用研究

研究人员针对晶体闪烁体制备复杂、成本高昂的问题，开发了Eu3+掺杂硼锗酸钆玻璃(Eu:GdBGe)新型闪烁材料。通过系统调控Eu2O3浓度（0-9 mol%），发现5 mol%掺杂样品具有最优性能：密度/折射率提升，615 nm红光发射强度最高（衰减时间1.58 ms），X射线积分效率达BGO晶体的32%。该材料在静态X射线成像中展现出与YAG:Ce晶体相当的成像质量，为低成本辐射探测提供了新方案。

　　

在医学影像诊断和工业无损检测领域，X射线探测技术对闪烁体材料提出严苛要求。传统Bi₄Ge₃O₁₂（BGO）等晶体虽性能优异，但存在制备工艺复杂、成本高昂的瓶颈。相比之下，玻璃闪烁体因制备简单、可大尺寸成型等优势备受关注，但其发光效率与成像分辨率亟待提升。针对这一挑战，泰国那空帕农皇家大学（Nakhon Pathom Rajabhat University）联合清迈大学的研究团队创新性地设计了一系列Eu³⁺掺杂硼锗酸钆玻璃（25Gd₂O₃-35B₂O₃-(40-x)GeO₂-xEu₂O₃），系统探索了其结构-性能关系，相关成果发表于《Radiation Physics and Chemistry》。

研究采用熔融淬冷法制备玻璃样品，通过FTIR、XPS解析结构特征，结合密度/折射率测试、光致发光（PL）、阴极发光（CL）和X射线激发发光（XEL）等多模态光谱分析，并首次开展X射线成像实验验证。关键发现包括：1）5 mol% Eu₂O₃掺杂样品呈现最优性能，其615 nm红光发射源自⁵D₀→⁷F₂跃迁；2）Gd³⁺→Eu³⁺能量转移与O^2?→Eu³⁺电荷转移协同增强发光；3）X射线成像显示其分辨率接近YAG:Ce晶体，但需更长曝光时间。

玻璃制备：采用高纯原料（Gd₂O₃/H₃BO₃/GeO₂/Eu₂O₃）通过1500℃熔融淬冷获得透明玻璃，经退火消除内应力后加工成测试样品。

结构特性：FTIR证实玻璃网络以BO₃/BO₄为主要结构单元，XPS显示1-3 mol%样品具有更优的原子连接性。密度随Eu含量增至5.21 g/cm³（9Eu），折射率达1.78。

发光机制：三价铕离子的特征发射占主导，5Eu样品PL强度最高，衰减时间1.58 ms符合电偶极跃迁特征。Gd³⁺的⁶P_7/2→Eu³⁺能量转移效率达42.3%，显著提升XEL性能。

成像应用：积分效率达BGO的32%，成像实验证实其可清晰分辨0.5 mm铅缝，但对比度低于晶体闪烁体。

该研究开创性地将硼锗酸盐玻璃的低声子能量（～900 cm^-1）与Gd³⁺敏化效应相结合，解决了传统玻璃闪烁体效率低的关键问题。其开发的材料体系不仅为静态X射线成像提供了低成本替代方案，更通过组分-结构-性能的精准调控策略，为新型功能玻璃设计提供了范式。未来通过优化玻璃组分与制备工艺，有望在动态成像领域实现突破。