质子辐照下Yb3+掺杂晶体/玻璃复合材料的辐射诱导发光及其在实时剂量测定中的应用

《Materials Today Communications》：Recrystallization and grain growth evolution in selective laser melted CoCrNi medium-entropy alloy: temperature-dependent mechanisms and texture development

本研究针对实时质子剂量监测需求，开发了Yb3+掺杂晶体/磷酸盐玻璃复合材料。研究人员通过系统研究质子辐照对材料结构和光谱特性的影响，发现Yb3+掺杂玻璃具有最优的辐射诱导发光(RIL)响应线性度（R2≥0.9954），而Yb2Si2O7复合材料展现出卓越的辐射耐受性。该研究为FLASH质子治疗等高端医疗和航天领域的实时剂量监测提供了新材料解决方案。

　　

在当今的放射治疗和空间辐射监测领域，精确的实时剂量测定技术面临着严峻挑战。特别是在新兴的FLASH质子治疗（一种超高剂量率放射治疗技术）等高端应用中，传统剂量计往往难以满足快速响应和高精度的双重要求。稀土离子掺杂材料因其独特的发光特性在辐射探测领域展现出巨大潜力，其中三价镱离子(Yb³⁺)掺杂的玻璃和晶体材料更是备受关注。然而，这些材料在承受高剂量质子辐照时的结构稳定性和发光效率问题，一直是制约其实际应用的关键瓶颈。

为了突破这一技术难题，来自塔尔图大学等机构的研究团队在《Materials Today Communications》上发表了创新性研究成果。该研究系统探讨了质子辐照对Yb³⁺掺杂磷酸盐玻璃及其与三种晶体（Yb₂Si₂O₇、LiNbO₃:Yb³⁺和CaWO₄:Yb³⁺）复合材料的影响，为开发新型实时剂量监测材料提供了重要理论依据和实践指导。

研究人员采用了一系列精密的实验技术来开展这项研究。他们通过固态反应法合成了三种Yb^{3+掺杂晶体，并利用熔融淬火技术制备了相应的玻璃复合材料。使用3.5 MeV质子束在TANDETRON设施上进行辐照实验，通过高灵敏度光谱仪实时监测辐射诱导发光(RIL)信号。结合扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、显微拉曼光谱和光致发光光谱等多重表征手段，系统分析了材料在辐照前后的结构和光谱变化。}

材料制备与表征研究显示，研究团队成功制备了四种不同类型的样品：Yb³⁺掺杂玻璃、Yb₂Si₂O₇ DDM玻璃、LiNbO₃:Yb³⁺ DDM玻璃和CaWO₄:Yb³⁺ DDM玻璃。通过微观结构分析发现，质子辐照导致晶体-玻璃界面发生显著变化，部分晶体出现溶解现象，同时伴随有Sr₂P₂O₇等新晶相的形成。这些结构变化直接影响Yb³⁺离子的局域环境，进而改变其发光特性。

光谱特性演变规律研究表明，质子辐照对材料的光学性能产生了深远影响。辐照后，所有样品在975 nm附近与Yb³⁺离子的²F_5/2→²F_7/2跃迁相关的发射带均出现明显变化，特别是位于1050 nm处的发射肩峰强度减弱，表明Yb³⁺离子可能从晶体基质向玻璃相迁移。这种离子重分布现象在CaWO₄:Yb³⁺复合材料中尤为显著，其发射光谱特征更接近典型的Yb³⁺掺杂玻璃。

辐射诱导发光响应性能评估是本研究的核心内容。研究人员发现，在固定剂量率(100 Gy/s)条件下，所有样品均表现出优异的RIL信号线性响应，决定系数R2均高于0.9785。其中Yb³⁺掺杂玻璃的灵敏度系数最高(1963.739±23.633)，而Yb₂Si₂O₇ DDM玻璃则展现出最佳的线性度(R2=0.9989)。在剂量率依赖性研究中，经校正的RIL信号仍保持良好的线性关系，证实这些材料在10-1000 Gy/s的宽范围剂量率下均能提供可靠的剂量监测。

实时剂量监测应用潜力分析表明，Yb³⁺掺杂玻璃因其高灵敏度和快速响应特性(约50秒恢复时间)，特别适用于FLASH质子治疗等需要瞬时高剂量率监测的场景。而Yb₂Si₂O₇ DDM玻璃则凭借其卓越的辐射耐受性和响应稳定性，在空间辐射监测等长期应用场景中展现出独特优势。

这项研究的重要意义在于首次系统揭示了质子辐照对Yb³⁺掺杂晶体/玻璃复合材料结构与性能的调控规律，为设计新型辐射探测材料提供了重要理论基础。研究证实通过合理的材料设计，可以实现在保持辐射耐受性的同时优化发光性能，这一发现对开发下一代实时剂量监测系统具有重要指导价值。特别是Yb₂Si₂O₇复合材料展现出的优异综合性能，为在极端辐射环境下工作的剂量计材料设计提供了新思路。

未来研究可进一步探索不同稀土离子掺杂组合的协同效应，以及纳米尺度结构调控对材料辐射耐受性的影响机制。同时，将这些材料集成为光纤传感器件，实现原位、实时的辐射场分布监测，将是推动其实际应用的关键步骤。这项研究不仅深化了我们对辐射与物质相互作用机理的理解，更为先进辐射探测技术的发展开辟了新的道路。