采用可持续纳米材料砂浆的黏土砌体棱柱的性能

《Next Materials》：Performance of clay masonry prism with sustainable nanomaterial mortar

塑料闪烁体UPS-923A的γ和电子辐照效应研究表明，低剂量γ辐照（≤10? rad）使p-terphenyl（pTP）荧光增强，而diphenyloxazole-benzene（POPOP）荧光减弱；高剂量时两者均降解。电子辐照（101?–101? e/cm2）更剧烈，导致pTP和POPOP荧光不可逆下降，且POPOP因氧唑环稳定性差受损更快。研究揭示了材料辐射抗性与分子结构的关系，pTP的芳香环更稳定，而POPOP的氧唑环易断裂，影响能量传递效率。

　　
该研究系统评估了塑料闪烁体UPS-923A在γ射线和电子辐照下的光学性能演变规律。材料由聚苯乙烯基质负载2% p-terphenyl（pTP）和0.03% diphenyloxazole-benzene（POPOP）组成，具有宽谱发射特性（300-500 nm）。实验采用60Co γ源（能量1.25 MeV）和2 MeV电子束进行辐照，剂量范围涵盖5×10?至10? rad（γ）及101?至101? e/cm2（电子）。通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析，揭示了不同辐射类型对发光机制的影响差异。

在γ射线辐照阶段（5×10?至10? rad），光谱行为呈现非线性特征。低剂量（≤10? rad）时，pTP（300-380 nm）发光强度提升，这源于π电子系统的辐射刺激效应，γ光子将苯环电子激发至激发态，通过荧光释放能量。而POPOP（380-500 nm）的发光强度同步下降，这与其分子结构中含氧杂环的化学不稳定性有关。当剂量超过10? rad时，聚苯乙烯基质与发光剂均出现降解，表现为吸收光谱在550 nm处出现非特征吸收带，说明辐照诱导了新的化学基团形成。值得注意的是，经10? rad γ辐照后，发光强度可逆恢复达初始值的75%（pTP）和65%（POPOP），这归因于聚苯乙烯链段运动导致的局部缺陷重组。

电子辐照展现出显著更强的破坏性。即使最低剂量（101? e/cm2）下，pTP和POPOP的发光强度分别骤降至25%和15%。对比发现，当γ剂量达10? rad（等效电子辐照3.28×10? rad）时，电子辐照仍能造成更严重的结构损伤。其机制在于高能电子束在材料中形成深部电离损伤区，产生局部电场强度高达10? V/m的"热点"，导致C-C、C-N和C-O键断裂（键能分别为518 kJ/mol、305 kJ/mol和358 kJ/mol）。这些非辐射跃迁中心通过电子-空穴复合产生热量，加速材料热降解。

分子结构分析显示，pTP的三苯基结构具有高度芳香性，其共轭π系统可吸收85%以上的入射能量（经Fano因子计算），且苯环的刚性结构能抵抗局部塑性变形。而POPOP的苯并氧唑环结构具有弱共轭性，其C-O键能比pTP的C-C键能低43%，在辐照下更易发生分子重排。光谱学监测发现，POPOP的激发态寿命从初始的2.1 ns缩短至10? rad后的0.8 ns，证实其光子发射效率下降37%。

能量传递机制研究显示，辐照损伤会破坏pTP-POPOP的能量传递链。正常情况下，pTP的350 nm发射带通过Fano共振将能量传递给POPOP的400 nm吸收带，实现波长位移。辐照后，POPOP分子断裂产生局部电荷积累，导致能量传递效率降低。当γ剂量超过10? rad时，聚苯乙烯基质中苯环链段运动受阻，光子传输路径被阻断，表现为吸收边向长波方向移动15 nm（从400 nm延伸至515 nm）。

实验数据表明，电子辐照的 LET值（2 MeV时约为3.1 MeV·cm2/g）是γ射线（0.5 MeV·cm2/g）的6倍，这解释了为何电子辐照能在更低的剂量（101? e/cm2）下引发不可逆损伤。材料表面出现了微米级放射致裂痕（经SEM观察），而γ辐照仅产生纳米级缺陷。

恢复动力学研究揭示，γ辐照后的发光恢复呈现三阶段特性：初期（<24 h）快速恢复（pTP达85%，POPOP达70%），中期（24-72 h）缓慢调整，后期（>72 h）趋于稳定。这种差异源于γ辐照产生的Frenkel缺陷具有更高的迁移能（1.5 eV），而电子辐照产生的双空穴陷阱能级较低（0.8 eV），导致缺陷难以通过热激活重组。

工程应用方面，研究建议采用梯度掺杂技术，在POPOP周围嵌入5-10 nm厚度的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）缓冲层，可降低电子辐照对POPOP的损伤率42%。同时，开发基于咔唑基的POPOP替代品，其C-N键能（约420 kJ/mol）较原结构提升38%，在101? e/cm2辐照下仍能保持68%的发光效率。

该成果为高能物理探测器（如LHC ATLAS）和医学成像设备（如J-PET系统）的辐射加固提供了理论依据。特别在电子辐照场景下，建议采用多层屏蔽结构：表面1-2 mm聚乙烯（PE）吸收电子束中的能量，中间3 mm聚苯乙烯作为主发光层，内层2 mm PMMA缓冲层保护POPOP掺杂区。这种设计可使电子辐照后的发光强度保留率从15%提升至58%，满足PET-CT设备对101? e/cm2剂量率的抗辐射要求。