掺 Dysprosium（镝）的磷酸锌剂量计在伽马辐射下的热释光特性

《Applied Radiation and Isotopes》：Thermoluminescence properties of dysprosium-doped zinc phosphate dosimeter at gamma irradiation

　　

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  通过化学沉淀方法成功合成了纳米级Zn₃(PO₄)₂:Dy³⁺（晶粒尺寸为23纳米）
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  该材料的热释光响应在宽剂量范围内（3–500 Gy）呈线性
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  测得其活化能为1.59 eV（CGCD）和1.27 eV（初始上升阶段）
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  通过T_m–T_stop和CGCD分析确认了其连续的陷阱分布
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  变异性系数为6.33%，表明重复性好
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  该光致发光体具有适合高剂量伽马辐射测量的特性

引言

具有更高灵敏度和优化性能的辐射剂量计的开发显著推动了电离性和非电离性辐射监测领域的发展。在各种技术中，热释光剂量测量（TLD）仍然是应用最广泛的方法之一。在TLD材料中，伽马射线、X射线或紫外线等辐射会激发电子从价带跃迁到导带。在这一激发过程中，部分载流子会被捕获在带隙内的缺陷能级上，从而在材料中储存能量。当受到热刺激时，这些被捕获的电子会释放出来并与发光中心重新结合，产生热释光现象[1],[2],[3],[4]。

晶体材料中陷阱中心的形成需要晶格缺陷或杂质离子的存在。由于稀土（RE）三价离子独特的光学和电子特性，它们在激光器、光学传感器、光致发光体和发光设备中得到了广泛关注。特别是镝（Dy³⁺）被认为是一种高效的光致发光激活剂。将Dy³⁺离子可控地掺入宿主晶格中可以抑制颗粒过度生长，从而减小晶粒尺寸[5]。晶粒尺寸的减小增加了表面态的数量，提高了载流子复合的概率[6]。当Dy³⁺离子被引入合适的宿主晶格时，可以显著提高热释光灵敏度，这一现象已在多种光致发光体系统中得到验证，其中Dy的激活作用增强了TLD的发光效率[7],[8]。此外，Dy³⁺激活的玻璃和光致发光体还表现出较高的机械稳定性、增强的灵敏度以及显著的热中子吸收能力[9]。

用稀土离子激活的磷酸锌（Zn₃(PO₄)₂表现出良好的光学性能，并提供了适合剂量测量的电子捕获中心[10]。此外，纳米结构材料由于其独特的光学、物理、化学和磁学性质而在辐射剂量测量领域引起了越来越多的关注[11]。以往对纳米光致发光体的研究表明，它们的TLD灵敏度得到了提升，线性剂量响应区域也得到了扩展[12],[13]。进一步的研究表明，像ZnGa₂O₄:Dy³⁺这样的Dy³⁺激活的锌基纳米光致发光体能够在较大的剂量范围内建立TLD强度与吸收剂量之间的线性关系，同时提高了信号稳定性和重复性——这是伽马和贝塔辐射测量的关键要求。

尽管取得了这些进展，但关于Dy³⁺激活的磷酸锌纳米光致发光体在辐射剂量测量方面的全面研究仍然有限。已经有许多研究致力于不同Dy³⁺激活光致发光体的剂量测量应用。例如，通过硝酸法合成的ZnB₂O₄:Dy³⁺光致发光体在贝塔辐射下大约在180°C处显示出主要发光峰，其捕获参数已通过计算机化发光曲线反卷积（CGCD）等多种方法进行了评估[14]。在另一项研究中，用²⁵²Cf源辐照的MgB₄O₇:Dy光致发光体表现出比商用TLD-600和TLD-700剂量计更高的灵敏度，使其成为中子和伽马辐射测量的有希望的候选材料[15]。另外，La₂CaB₁₀O₁₉:Dy³⁺光致发光体在132°C和295°C处呈现出两个明显的发光峰，并且其动态参数通过初始上升（IR）方法和CGCD分析得到了可靠的估算[16]。最近，通过利用生物废弃物合成的一种绿色路线制备的Dy³⁺掺杂羟基磷灰石（HAp）纳米颗粒也被视为热释光测量的有前景的材料[17]。宿主晶格和合成途径的多样性凸显了基质结构和制备方法在决定最终光致发光体的剂量测量性能和陷阱特性方面的重要性。因此，研究Dy³⁺激活的纳米磷酸锌的热释光行为可以提供宝贵的见解，并有助于推动高剂量伽马辐射测量的发展。

近年来，人们探索了多种用于热释光测量的宿主材料。其中，掺杂了稀土离子的氟钙钛矿NaMgF₃展示了 promising 的结果。例如，Guckan等人通过水热法合成了NaMgF₃:Dy,Eu，并评估了其TLD和OSL性能。发光曲线显示了四个重叠的峰，动态参数通过CGCD和VHR技术确定[18]。另一方面，晶粒尺寸对TLD响应的影响也是一个研究重点。Tsoutsoumanos等人利用峰形分析和CGCD方法研究了晶粒尺寸对几种纳米结构TLD（包括BeO、LiF、CaSO₄以及更复杂的系统如NaLi₂PO₄和K₂Ca₂(SO₄)₃的发光曲线形状和捕获参数的影响[19]。

因此，本研究旨在探讨纳米级Zn₃(PO₄)₂:Dy³⁺的结构特性、热释光行为和剂量测量响应，并将其性能与文献中报道的其他稀土激活光致发光体系统进行比较。实验步骤有详细描述，随后对所得结果进行了深入讨论。

章节片段

材料与方法

通过化学沉淀方法合成了不同Dy³⁺浓度（0.1、0.5、1和4摩尔%）的Zn₃(PO₄)₂:Dy³⁺纳米颗粒[20],[21],[22]。在典型的实验过程中，将9.2克Zn(CH₃COO)₂·2H₂O二水合物溶解在100毫升去离子水中，并在40°C下进行连续磁力搅拌。随后加入0.7克预先溶解在10毫升丙酮中的Brij-35作为表面活性剂以控制颗粒生长。

褪色研究

在实际的剂量测量应用中，评估热释光（TL）信号的时间稳定性至关重要。褪色的主要原因是存在浅层陷阱，这些陷阱在室温下会释放载流子，导致重组而不贡献于记录的TL信号[42]。首先将一个受到500 Gy伽马辐射的Zn₃(PO₄)₂:Dy³⁺剂量计在辐照后24小时读取数据，然后将其储存在一个暗室中。之后进行后续的TL测量。

重复性

只有当剂量计的灵敏度在反复的退火、辐照和读出循环中保持稳定时，它才能实际重复使用。为了评估制备的Zn₃(PO₄)₂:Dy³⁺剂量计的重复性，样品经历了10次连续的退火、伽马辐照和TL读出循环。重复性测试使用500 Gy的伽马辐射进行。每次循环之间，样品在600°C下退火1小时（如第2节所述）。

结论

CRediT作者贡献声明

Ehsan Sadeghi：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。Zahra Golshahri：撰写 – 原初草稿，方法学，研究，形式分析

利益冲突声明

资助

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

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