γ射线诱导La3?掺杂SrMnO?荧光粉热致发光的多方法辉光曲线动力学分析

《Applied Radiation and Isotopes》：Gamma-Ray Induced Thermoluminescence Kinetic Analysis of La3+ Doped SrMnO 3 Phosphor Using Multi-Method Glow Curve Analysis

　　

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  首次全面研究La³⁺掺杂SrMnO₃（LSMO）的热释光动力学。
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  计算机化发光曲线解卷积（CGCD）结合峰拟合程序法（PFP）、峰形状法（PSM）和变升温速率法（VHR），获得了可靠的动力学参数。
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  鉴定出七个具有层级热稳定性的陷阱中心。
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  确定峰4为主要的剂量计陷阱中心。
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  LSMO在被动伽马射线剂量测定中展现出巨大潜力。

引言

被动伽马射线剂量计在医疗、工业、环境和核应用领域的辐射监测中发挥着基础性作用，因为它们能够在无需外部电源的情况下记录长期累积的辐射剂量。在现有的被动辐射探测器中，热释光剂量计（TLD）因其高灵敏度、优异的重复性、宽剂量测量范围、紧凑的尺寸以及可重复使用性而广受认可。其性能主要取决于材料中陷阱中心和复合中心的特性，这些特性决定了发光曲线轮廓和热释光动力学参数 [1-3]。

具有通用化学组成ABO₃的钙钛矿氧化物引起了广泛关注，因为其晶体结构能够容纳多种阳离子，从而可以调节其电学、光学、磁学和缺陷相关性质 [4, 6]。钙钛矿的结构灵活性使其适用于发光和辐射传感应用；SrMnO₃尤其引人注目，因其具有优异稳定性、多种Mn价态以及丰富的缺陷，可提供热释光剂量测定所必需的电荷陷阱中心 [7– 11]。

掺入稀土离子是调节氧化物荧光材料发光行为的有效策略。当La³⁺离子取代SrMnO₃晶格中的Sr²⁺离子时，会产生晶格畸变和电荷失衡，促进氧空位及其他缺陷复合物的形成 [12-16]。这些缺陷可作为辐射诱导载流子的有效陷阱位点，从而提高热释光灵敏度、增强信号稳定性并改变陷阱特性 [17,18]。然而，关于La³⁺掺杂SrMnO₃动力学行为的详细研究——包括活化能、频率因子、动力学阶数及陷阱分布——在现有文献中仍十分有限 [19, 20]。

精确的热释光（TL）动力学参数对于理解电荷陷阱捕获、热释放及剂量测定材料稳定性至关重要 [1]。然而，复杂荧光材料的热释光发光曲线通常由来自不同陷阱状态的峰重叠而成，增加了可靠分析的难度 [2]。计算机化发光曲线解卷积（CGCD）可将此类复杂曲线分解为各个独立组分 [21]；而泛阶动力学（GOK）和单陷阱-单复合中心（OTOR）模型——通过如 PeakFitte 4.12、TLanal 和 Tgcd 等软件实现——也已被报道用于详细的动力学研究 [22- 24]。基于经验证的CGCD配合辅助分析对于初步表征仍然实用 [25, 26]。峰形状法（PSM）和变升温速率法（VHR）等辅助方法可实现对活化能（E）、频率因子（S）和动力学阶数（b）的比较评估 [27- 30]。多种独立方法可提供可靠的、可相互验证的动力学估计值。

从热释光（TL）发光曲线推导的动力学参数的可靠性取决于对解卷积过程进行严格的统计评估 [2, 21]。本研究中，系统性地使用多种统计指标评估拟合质量，包括R²、调整后R²、标准误差（SE）、方差分析（ANOVA）和优劣数（FOM） [31-33]。这些指标为评估拟合优度提供了客观的定量框架，减少了峰归属的歧义性，并验证了所提取动力学参数的可靠性 [32]。较低的FOM值（< 5%）和较高的R²系数证实了实验发光曲线与重构发光曲线之间的良好对应关系，支持了活化能（E）、频率因子（S）和动力学阶数（b）的可靠性 [26, 29]。多种统计标准的综合应用确保了动力学分析的稳健性，并增强了对热释光过程物理解释的信心。

尽管已有大量研究探讨了稀土掺杂氧化物荧光材料的热释光（TL）特性，但只有少数研究将计算机化发光曲线解卷积（CGCD）与多个独立的动力学方法相结合，并辅以严格的统计验证。这种综合方法对于面向被动伽马射线剂量测定的新型钙钛矿荧光材料尤为重要，因为准确确定陷阱参数直接影响探测器的灵敏度、稳定性和长期性能 [27–34]。

本研究系统地研究了经¹³⁷Cs伽马射线源以50 Gy剂量辐照的LSMO纳米粉末的热释光动力学行为。采用PeakFit软件（版本4.12）对热释光发光曲线进行计算机化发光曲线解卷积（CGCD），并通过峰拟合程序法（PFP）、峰形状法（PSM）和变升温速率法（VHR）确定动力学参数。所获参数的可靠性通过R²、调整后R²、ANOVA和优劣数（FOM）进行了验证。据我们所知，本研究首次全面且经统计验证地探讨了LSMO的热释光动力学行为，突显了LSMO作为有前景的被动伽马射线剂量计的潜力。

章节摘要

材料

分析纯试剂按原样使用，未进行进一步纯化。前驱体材料包括[La(NO₃)₃·6H₂O，≥ 99%]、[Sr(NO₃)₂，≥ 99%]、[Mn(CH₃COO)₂·4H₂O，≥99%]、柠檬酸、乙二醇以及作为主要溶剂的去离子水。

制备方法

2 wt% La³⁺掺杂SrMnO₃（LSMO）纳米粉末通过常规溶胶-凝胶法合成。将化学计量比的硝酸锶、硝酸镧和醋酸锰分别溶于去离子水中。

X射线衍射分析

图1展示了未经掺杂的SrMnO₃（SMO）粉末和经800°C煅烧的2 wt% La³⁺掺杂SrMnO₃（LSMO）纳米粉末的X射线衍射（XRD）图谱，以及相应的参考衍射图谱（SrMnO₃对应JCPDS No. 01-084-1612，JCPDS No. 01-089-4466）。未掺杂的SMO样品表现出宽而弱的衍射峰，表明结晶性较差。相比之下，煅烧后的LSMO样品显示出尖锐而强烈的衍射峰，表明其

结论

成功通过溶胶-凝胶法合成了LSMO纳米粉末。XRD确认形成了单相钙钛矿结构，而TEM显示近球形纳米颗粒，平均粒径为31.2 ± 6.8 nm。在50 Gy伽马辐照后记录的热释光发光曲线通过计算机化发光曲线解卷积（CGCD）成功解卷积为七个独立陷阱峰，揭示了复杂的陷阱中心分布。所提取的发光曲线

未引用参考文献

1.；3.；4.；5.；6.；7.；8.；9.；10.；11.；12.；13.；14.；15.；16.；17.；18.；19.；20.；21.；22.；23.；24.；25.；26.；27.；28.；29.；30.；31.；32.；33.；34.；35.；36.；37.；38.；39.；40.；41.。

数据可用性

本研究期间生成和/或分析的数据集可向通讯作者合理索取。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

利益声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

资金资助

本研究未获得外部资金资助。

竞争性利益声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

Muath Alkadi