铕铥共掺杂氧化钇(YET)纳米粉体的水热合成及EPR辐射剂量学特性研究

本研究针对辐射剂量学对新型材料的迫切需求，创新性地采用水热水解法成功制备了铕(Eu)、铥(Tm)共掺杂氧化钇(YET)纳米粉体。通过XRD、SEM和EPR等技术表征，证实所得YET粉体具有立方C型结构、片状形貌和148 nm平均粒径，其EPR谱在335.52mT处呈现g值为2.0094的特征峰。研究首次系统揭示了YET材料在1-20kGy60Co辐射下的剂量响应行为，为开发高灵敏度稀土基辐射剂量计提供了重要参数。

　　

在医疗放射治疗、食品辐照灭菌等应用场景中，精确测量辐射剂量是保障安全的核心环节。当前商用剂量材料如LiF:Mg,Ti存在灵敏度不足、制备工艺复杂等局限，而稀土掺杂氧化物因其独特的电子陷阱结构展现出巨大潜力。氧化钇(Y₂O₃)作为典型稀土基质材料，其晶格中天然的氧空位为掺杂改性提供了理想平台。巴西圣保罗能源与核研究所的S.C. Santos团队创新性地将Eu³⁺和Tm³⁺共掺杂策略引入Y₂O₃体系，通过精确调控合成工艺开发出新型辐射敏感材料，相关成果发表于《New Biotechnology》。

研究采用低温水热法（60°C）制备YET纳米粉体，结合X射线衍射（XRD）进行晶体结构解析，利用扫描电镜（SEM）观测形貌特征，通过光子相关光谱（PCS）测定粒径分布。关键创新在于采用X波段电子顺磁共振谱仪（EPR）系统研究了材料在⁶⁰Co源辐照（1-20kGy）下的自由基演化规律，所有测试均在环境温湿度条件下完成。

【晶体结构特征】

Rietveld精修证实产物主要为立方C型Y₂O₃（空间群Ia-3），含微量θ-Al₂O₃杂质相。电子密度图显示Y³⁺位点被Eu/Tm离子取代（离子半径分别为0.098nm/0.109nm），形成置换型固溶体。这种结构保留了Y₂O₃的氧空位特征，为后续辐射敏感位点的形成奠定基础。

【形貌与粒径控制】

SEM显示产物为尺寸<200nm的片状颗粒，PCS测得d₅₀=148nm且相对跨度仅0.5。这种窄分布纳米结构有利于后续成型加工，相比微米级粉体可提升烧结致密度约4%（文献对比数据）。

【EPR剂量响应机制】

未辐照样品的EPR谱在335.52mT处呈现强峰（P₁，g=2.0094），归属为间隙氧离子；343mT处的弱峰（P₂）对应单电子氧空位（F⁺中心）。随辐照剂量增加：1）P₁峰强度从5.6×10⁵a.u.单调递减，表明Eu³⁺/Tm³⁺诱导的缺陷发生复合；2）g值产生0.0083偏移（2.0094→2.0177），反映局域电子环境改变；3）峰宽从3.27mT缩窄至2.57mT，源于掺杂离子与基质自旋的偶极相互作用减弱。

该研究首次阐明Eu/Tm共掺杂Y₂O₃在高剂量区的反常响应行为：与传统稀土单掺体系不同，双稀土元素在晶格中的竞争占位导致辐射诱导缺陷浓度降低。这一发现为后续优化掺杂比例提供了方向——在低剂量区（<1kGy）可能呈现更优的线性响应。从应用角度看，YET材料的水热制备工艺环境友好，片状形貌利于流延成型，其EPR特征峰的高稳定性（Δg<0.01）特别适合作为辐照过程的原位监测探针。这项研究不仅拓展了稀土氧化物在辐射计量领域的应用场景，更为开发新一代纳米结构剂量计提供了理论依据和材料基础。