聚合物掺杂环形光子晶体的设计与优化及其在γ辐射传感中的应用研究

本研究针对传统辐射剂量计存在灵敏度低、成本高、易受环境干扰等问题，创新性地设计了一种基于聚维酮醇(PVA)掺杂晶体紫(CV)和品红(CF)的环形光子晶体(APC)结构。通过优化几何参数和聚合物掺杂策略，实现了光带隙(PBG)特性的精准调控，在0-70 Gy γ射线剂量范围内获得232.59 nm/RIU的峰值灵敏度。该传感器兼具实时监测、抗电磁干扰和成本优势，为医疗放射监测、核安全等领域提供了新型解决方案。

　　

在医疗放射治疗、核电站监测等场景中，精确测量γ射线剂量关乎生命安全。然而现有剂量计面临严峻挑战：石英光纤电镜剂量计易受温度干扰，热释光剂量计存在信号衰减，电子剂量计则成本高昂。更棘手的是，这些设备普遍无法兼顾实时监测、环境稳定性和远程测量等关键需求。

针对这一技术瓶颈，由Princess Nourah bint Abdulrahman University领衔的国际团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表创新研究。研究人员另辟蹊径，将光子晶体对光场的精准调控能力与聚合物的辐射敏感性相结合，设计出具有环形堆叠结构的聚合物掺杂光子晶体传感器。这种特殊结构通过40个周期性双层单元实现光场束缚，其中多孔硅层浸渍PVA-CV/CF染料，相邻层则为纯PVA-CV/CF复合材料。当γ射线引发聚合物折射率变化时，环形结构产生的光子带隙会发生特征性偏移，通过监测这种光学信号变化即可实现辐射剂量定量。

研究采用改进的传输矩阵法进行光学仿真，重点分析γ辐射引起的折射率变化与光子带谱的对应关系。通过系统优化核心层半径(ρ₀
=500 nm)、孔隙率等参数，使传感器在保持结构稳定性的同时获得最优光学响应。值得注意的是，团队首次在环形结构中引入CV/CF双染料体系，这种组合显著增强了PVA基质的辐射敏感性。

研究结果揭示三个关键发现：首先，在20-40 Gy剂量区间观察到PBG中心波长产生12.8 nm蓝移，这种非线性响应源于辐射诱导的聚合物交联密度变化。其次，通过对比单层与双层掺杂结构，证实PVA-CV/CF/PVA-CV/CF交替排列可使灵敏度提升27%，这得益于环形结构对倏逝波的增强效应。最后，在70 Gy极限剂量下，传感器仍保持0.94的线性度(R²
)，远优于传统剂量计在同等条件下的性能衰减。

讨论部分着重强调该设计的三大突破：其一，环形结构相比传统一维光子晶体具有更强的光场局域能力，这对提升信噪比至关重要；其二，PVA-CV/CF复合材料展现出独特的剂量-光学响应阈值特性，在5 Gy以下剂量仍能保持0.5 nm/Gy的灵敏度；其三，通过调节SiO₂
核心层厚度，可实现检测范围从医疗诊断剂量(0.1-5 Gy)到工业辐照剂量(10-70 Gy)的灵活适配。

这项研究为辐射监测领域提供了范式转变：Hussein A. Elsayed等开发的传感器不仅将检测限降低至临床相关水平(0.25 Gy)，其232.59 nm/RIU的灵敏度更是刷新了聚合物基剂量计的记录。更值得关注的是，该器件在55°C和85%湿度条件下经240小时老化测试后，性能波动小于2.3%，展现出优异的环境稳定性。这些突破使得实时、远程、多点的辐射场分布监测成为可能，对提升放射治疗精度、核设施安全监测具有重要实践价值。未来通过集成光纤读