硅基氟化锂薄膜中低能质子径迹的荧光探测及其在辐射成像中的应用

研究人员针对低能质子束的精确探测需求，利用热蒸发法制备硅基氟化锂(LiF)薄膜作为荧光核径迹探测器(FNTD)，首次实现了~1 MeV质子单径迹的荧光成像，并通过FLUKA模拟成功重建布拉格曲线。该研究揭示了F2/F3+色心(CCs)的激发功率依赖性差异，为质子治疗等领域的辐射剂量监测提供了新型高灵敏度探测器。

　　

在辐射探测领域，如何实现低能带电粒子的高灵敏度、高分辨率检测一直是重大挑战。传统探测器难以兼顾单粒子径迹成像与剂量定量分析，而氟化锂(LiF)晶体中稳定的F₂和F₃⁺色心（由辐射诱导的原子尺度缺陷）的辐射发光(RPL)特性，为这一难题提供了创新解决方案。意大利ENEA研究所的Massimo Piccinini团队在《Journal of Luminescence》发表的研究，首次将硅基LiF薄膜成功应用于~1 MeV质子径迹的荧光成像，并实现了从单径迹观察到布拉格曲线重建的全尺度探测。

研究采用热蒸发法在300°C硅衬底上制备1 μm厚LiF薄膜，通过垂直引出式TOP-IMPLART直线加速器产生质子束进行边缘照射。关键技术包括：1）利用荧光显微镜（100×物镜，0.7 W/cm²蓝光激发）捕获质子径迹；2）FLUKA蒙特卡罗模拟能量沉积；3）椭圆偏振光谱测定薄膜密度；4）多反射干涉模型校正RPL光谱畸变。

【结果与讨论】

1. 1.

   质子径迹成像：在5×10⁷ protons/cm²注量下获得清晰单径迹图像（最小间距1 μm），2.5×10⁸ protons/cm²时观察到径迹叠加现象。硅衬底的反射增强效应使15 μm长径迹的信噪比显著提升。

2. 2.

   布拉格曲线重建：通过1.9×10¹⁰ protons/cm²高注量照射获得叠加径迹图像，经FLUKA模拟优化参数（1.08 MeV平均能量，82 keV能散），首次在低能区实现实验与模拟曲线的完美匹配（R²>0.998）。

3. 3.

   色心发光机制：功率依赖实验显示，F₂色心的RPL强度与激发功率呈线性关系，而F₃⁺因三重态存在呈现双曲线增长。在0.7 W/cm²激发下，F₃⁺贡献不足5%，证实观测信号主要来自F₂色心。

该研究突破了传统FNTD材料限制，通过LiF薄膜的纳米级厚度控制与硅衬底光学增强效应，实现了低能质子径迹从单粒子到宏观剂量分布的全尺度探测。特别值得注意的是，研究者创新性地采用薄膜多界面干涉模型校正光谱畸变，为精确解析色心发光动力学奠定了基础。这项技术有望推动质子治疗、空间辐射监测等领域的实时剂量成像发展，其建立的FLUKA模拟框架更为加速器束流诊断提供了标准化分析工具。