Ce3?掺杂对镁硼酸盐玻璃结构、光学及辐射剂量学性能的影响研究

推荐 为提升辐射剂量测量的灵敏度与稳定性，研究人员针对Ce3?掺杂镁硼酸盐玻璃开展系统研究。通过熔融淬火法合成不同Ce3?浓度（0.10–0.90 wt%）的80MgB?O?–20MgB?O?（80MBO）和60MgB?O?–40MgB?O?（60MBO）玻璃，发现60MBO基质热稳定性更高，Ce3?掺杂后玻璃密度增加、光学带隙减小，且OSL剂量响应线性范围达0.02–5 Gy，其中60MBO对电离辐射的灵敏度显著优于80MBO。该研究为高精度辐射探测材料开发提供了新思路。

　　

论文解读
研究背景与意义
辐射探测材料在医学成像、放射治疗及环境监测中至关重要。传统闪烁体材料如Li?PO?Al(PO?)?玻璃虽具备高光产额，但其剂量响应线性范围受限。近年来，稀土掺杂硼酸盐玻璃因其优异的透明度、低制备成本及可调光学性能备受关注。Ce3?离子因其⁵d–⁴f跃迁特性，在紫外–可见光区发射宽谱带荧光，且衰减时间短，成为辐射探测材料的理想激活剂。然而，现有Ce3?掺杂玻璃在热稳定性和长期OSL信号稳定性方面仍存在不足。本研究针对上述问题，系统探究了Ce3?掺杂对镁硼酸盐玻璃结构、光学及辐射剂量学性能的影响机制。

研究方法
本研究采用熔融淬火法合成80MgB?O?–20MgB?O?:xCe3?和60MgB?O?–40MgB?O?:xCe3?（x=0.10–0.90 wt%）玻璃样品。通过X射线衍射（XRD）验证玻璃的非晶态特性，利用差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性，结合密度测量分析掺杂浓度对玻璃密度及摩尔体积的影响。光学性能通过紫外–可见吸收光谱和光致发光（PL）光谱表征，剂量学性能则采用光刺激发光（OSL）技术评估其在0.02–5 Gy范围内的线性响应。

研究结果
结构与热稳定性
XRD图谱证实所有样品均呈现非晶态特征，但未掺杂80MBO玻璃在2θ=26.6°处出现微弱结晶峰，表明Ce3?掺杂可抑制晶体析出。DSC结果显示，60MBO基质的热稳定性优于80MBO，其玻璃化转变温度（T_g）提高约15°C。

光学性能
随着Ce3?浓度增加，玻璃密度从2.65 g/cm3（x=0）增至2.82 g/cm3（x=0.90），摩尔体积相应减小。紫外吸收边红移与间接/直接光学带隙（E_g）降低趋势一致，表明Ce3?离子与基质网络间的相互作用改变了电子跃迁能级。

辐射剂量学性能
OSL测试表明，60MBO:Ce3?玻璃在0.02–5 Gy范围内呈现良好线性响应，灵敏度较80MBO提高约40%。然而，60MBO样品的OSL信号在辐照后数日内显著衰减，提示需优化掺杂浓度或基质组成以增强信号稳定性。

结论与意义
本研究证实Ce3?掺杂可有效调控镁硼酸盐玻璃的结构与性能：60MBO基质因其更高的热稳定性和更优的OSL灵敏度，更适合用于高剂量辐射探测；但其OSL信号的短期衰减问题需通过表面钝化或共掺杂策略进一步改善。该成果为开发兼具高灵敏度与长期稳定性的辐射探测材料提供了理论依据，有望推动核医学与放射防护领域的技术进步。

注：本文发表于《Applied Radiation and Isotopes》，研究单位为巴西国家辐射技术健康科学研究所（INTERAS），研究获FAPESP及CNPq等项目资助。