钠共掺杂对铜掺杂硫酸钾受激发光特性的影响

《Journal of Luminescence》：Effect of Na co-doping on the stimulated luminescence properties of Cu-doped potassium sulfate

硫酸钾铜磷光体经钠共掺杂后，其红外受激发光性能显著提升。实验表明，当钠掺杂浓度为3mol%时，材料的光信号强度达到最大值，且稳定性显著提高，信号衰减率仅为原始材料的53%。通过同步辐射热释光和红外受激发光衰减分析，发现钠掺杂改变了材料中的陷阱能级分布，特别是增强了慢发光成分的贡献，从而降低了发光衰减。该研究为开发高稳定性被动辐射剂量器提供了新思路。

　　铜掺杂的硫酸钾是一种在红外光致发光（IRSL）方法中表现出高度敏感性的发光材料。研究者对K?SO?:Cu材料中添加钠共掺杂的影响进行了深入探讨。结果表明，当钠的掺杂浓度达到3 mol%时，材料的发光性能得到了显著提升。除了发光强度的增强外，还观察到热释光（TL）曲线和IRSL衰减曲线的形态发生变化。在K?SO?:Cu,Na材料中，TL曲线表现出更稳定的峰，且这些峰出现在更高的温度范围内。同时，IRSL衰减曲线显示出慢稳定组分的贡献明显增加。此外，这种共掺杂材料在信号衰减方面也表现出更好的特性，其信号随时间的损失远小于未掺杂的K?SO?:Cu材料。高IRSL强度和增强的信号稳定性表明，K?SO?:Cu,Na材料在被动剂量计领域具有潜在的应用价值。

在引入共掺杂剂之前，K?SO?:Cu材料虽然具有良好的辐射响应能力，但其发光信号的衰减现象仍然是实际应用中的一个限制因素。具体而言，当材料暴露于辐射后，其发光信号会在几天内逐渐减弱，这可能会对剂量测量的准确性和可靠性造成影响，特别是在长期监测过程中。因此，研究团队通过实验确定了钠掺杂的最佳浓度，发现当钠掺杂浓度为3 mol%时，能够显著提升IRSL信号的强度和稳定性。这种增强效果可能与钠离子在材料中引入新的能量状态有关，这些能量状态可能与钠作为点缺陷或与铜的复合缺陷结构相关，从而影响发光机制。

为了更好地理解材料的发光特性，研究者对K?SO?:Cu和K?SO?:Cu,Na材料进行了OSL和互补热释光（TL）研究。由于K?SO?:Cu材料的发光波长范围主要集中在可见光至近红外区域，因此实验中采用了红外光源进行激发，并在最佳光谱检测范围内进行测量。通过对比不同掺杂浓度的材料，研究者发现钠的掺杂能够显著改善IRSL信号的稳定性，同时提升其强度。在所有测试的钠掺杂浓度中，3 mol%的掺杂浓度表现出了最佳的发光效果。

实验中使用了两种不同的光致发光测量设备：OSL Helios阅读器和Ris? TL/OSL系统TL-DA-12。其中，OSL Helios阅读器采用红外LED光源，波长峰值为850 nm，并配合RG715滤光片以阻挡波长低于700 nm的短波长光。刺激光的强度约为2 mW/cm2，LED电流设置为100 mA。发光信号的检测则通过H7360光电倍增管（PMT）进行，其检测波长范围为300–600 nm，灵敏度峰值位于500 nm。Ris?系统则采用波长峰值为800 nm的光源，并通过PDM9107-CP-TTL光电倍增管进行信号检测，同样使用BG39滤光片以确保检测波长范围的准确性。光源的光子通量密度最高可达1.4×101? cm?2s?1，相当于约68 mW/cm2的光功率。

为了区分不同设备的测量结果，研究者将使用Helios阅读器的IRSL测量定义为IRSL???nm，而使用Ris?系统的测量则定义为IRSL???nm。所有涉及加热的测量均使用Ris?系统进行，加热速率为1°C/s，而在预热或高温读取过程中，加热速率则调整为5°C/s。辐射的照射则采用??Sr/Y β源，其剂量率分别为3×10?2 Gy/s和6×10?2 Gy/s。通过对比两种设备的测量结果，研究者能够更全面地评估材料的发光特性及其在不同条件下的稳定性。

在IRSL信号强度与钠掺杂浓度之间的关系研究中，发现当钠掺杂浓度为3 mol%时，IRSL信号强度达到最大值。这一结果表明，该浓度的钠掺杂不仅增强了材料的发光能力，还显著改善了信号的稳定性。通过将IRSL信号分解为三个组分（快、中、慢），研究者进一步分析了不同钠浓度对发光过程的影响。随着钠浓度的增加，快组分的贡献逐渐减少，而慢组分的贡献则显著增加。这种变化可能意味着，钠掺杂促使材料中形成更多深层陷阱，从而提升了发光信号的持久性。

在热释光曲线和IRSL信号之间的相关性研究中，研究者发现，随着钠掺杂浓度的增加，热释光曲线的形状和强度发生了显著变化。特别是，在3 mol%的钠掺杂情况下，热释光曲线中出现的主峰出现在更高的温度区域，并且其强度也有所增加。这表明，钠掺杂不仅影响了材料中陷阱的类型和分布，还改变了其热响应特性。此外，通过比较热释光曲线和IRSL信号的衰减特性，研究者发现，钠掺杂后的材料在信号衰减方面表现出更好的稳定性，特别是在较长的存储时间范围内，其信号损失远小于未掺杂的K?SO?:Cu材料。

为了进一步研究IRSL信号的稳定性，研究者还探讨了预热和读取温度对信号的影响。结果显示，随着预热温度的升高，IRSL信号的强度逐渐减弱，但其衰减趋势与热释光曲线的特征相似。这表明，IRSL和TL信号可能源自相同的陷阱，而预热过程对这些陷阱的释放具有一定的影响。同时，当读取温度升高时，IRSL信号的形态也发生变化，慢组分的贡献减少，快和中组分的贡献增加。这说明，高温环境可能加速了部分陷阱中电荷载流子的释放，从而影响了信号的稳定性。

通过长期的存储测试，研究者发现K?SO?:Cu,Na材料的IRSL信号在短时间内保持稳定，而在长时间存储后仍然具有较高的强度。具体而言，K?SO?:Cu,Na材料在6个月后仍能保持约53%的初始信号强度，而K?SO?:Cu材料在30天后仅剩不到1%的信号。这种显著的信号稳定性使得K?SO?:Cu,Na材料在长期剂量监测中具有更大的优势。此外，通过对比不同时间点的信号衰减曲线，研究者发现，钠掺杂后的材料在信号衰减过程中表现出两个几乎无信号损失的区域：一个是在短时间尺度（数小时），另一个是在长时间尺度（超过一个月）。这些发现为材料在实际应用中的性能评估提供了重要依据。

综上所述，钠共掺杂显著改善了铜掺杂硫酸钾的发光性能，使其在IRSL方法中表现出更高的信号强度和稳定性。这一研究不仅为开发新型的被动剂量计提供了理论支持，也为进一步优化材料的制备工艺和掺杂组合提供了实验依据。未来的研究可以集中在更深入地理解钠掺杂对材料内部结构和发光机制的影响，以及如何通过调整材料的形态和制备条件来进一步提升其性能。此外，还可以探索其他共掺杂元素对材料发光特性的潜在影响，以寻找更优的剂量计材料。