Cr3+掺杂CaSiO3荧光体的热释光与电子顺磁共振关联研究及其在辐射剂量测定中的应用价值

　　本刊推荐：研究人员针对辐射剂量检测材料灵敏度与稳定性不足的问题，开展了Cr3+掺杂CaSiO3荧光体的TL/EPR关联研究。通过合成β-CaSiO3多晶结构，发现120°C TL峰具线性剂量响应，247°C/299°C峰呈现超线性特征；EPR揭示g=1.978的F+中心与γ剂量呈指数关系。该材料在低剂量区表现优异灵敏度，为高精度辐射剂量计开发提供新方案。

　　

在辐射检测领域，开发高灵敏度、稳定可靠的剂量计材料始终是科研人员追求的目标。传统石英材料虽被广泛研究，但其性能局限促使科学家寻找新型替代材料。硅酸钙（CaSiO₃）作为一种具有优异化学稳定性和电学性能的合成晶体，近年来在辐射剂量测定领域展现出巨大潜力。然而，关于铬掺杂硅酸钙体系的热释光（Thermoluminescence, TL）与电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance, EPR）特性的系统性研究仍属空白，这限制了该材料在精密剂量测量中的应用。

为攻克这一难题，由Edy E. Cuevas-Arizaca领衔的研究团队开展了一项创新性研究，他们通过脱玻化法成功合成了Cr³⁺掺杂的CaSiO₃荧光体，并对其TL和EPR特性进行了深入表征。该研究不仅揭示了材料中缺陷中心与发光机制的内在关联，更证明了其在宽剂量范围内（从毫戈瑞到千戈瑞）的剂量测量潜力，为新型辐射剂量计的开发提供了重要理论依据和实践指导。

研究团队采用多项先进技术手段开展系统性研究：通过X射线衍射（XRD）确认材料为β-CaSiO₃多晶结构；利用Co-60 γ射线源进行梯度剂量辐照（0.2-1000 Gy）；采用Harshaw 4500 TL读数器记录热释光曲线；使用MiniScope MS-5000 EPR谱仪在X波段（9.45 GHz）检测顺磁信号；通过Rietveld精修进行定量相分析；并采用来自秘鲁的矿物原料制备实验样品。

3.1. X射线衍射分析

XRD图谱与Rietveld精修结果显示，掺杂与未掺杂样品均以伪硅灰石（β-CaSiO₃）为主相（94%），含少量低温方石英（6%）。Cr³⁺掺杂导致晶胞参数减小（从未掺杂的1593.246 ?3降至1589.784 ?3），证实Cr³⁺离子取代了Ca²⁺位点，这与Cr³⁺的八面体配位偏好及其与Ca²⁺相似的离子半径密切相关。

3.2. 热释光研究

TL glow曲线显示出三个特征峰：120°C、247°C和299°C。在低剂量区（0.2-1.0 Gy），120°C峰占主导；而高剂量时（500-1000 Gy），299°C峰成为主要响应。剂量响应分析表明，120°C峰呈现线性行为（k=1），而247°C和299°C峰则显示超线性特性（k=1.2）。 fading实验揭示120°C峰在19天内衰减86%，而247°C和297°C峰在27小时内仅衰减22%和11%，随后保持稳定，证明高温峰具有优异的热稳定性。

3.3. 电子顺磁共振研究

EPR谱显示未掺杂样品在g=4.213处存在杂质信号，而Cr³⁺掺杂样品在g=1.981处出现对称信号（线宽2 G），归属于Cr³⁺离子（中心I）。γ辐照后出现新的各向同性信号（中心II），g=1.978，线宽8 G，其强度随剂量增加呈指数增长，在696 Gy时达到饱和。该信号被指认为F⁺中心（氧空位捕获单电子形成的缺陷中心）。热退火实验显示中心II信号在70-250°C区间增强，250-450°C保持稳定，400°C后开始衰减，表明F中心（氧空位捕获双电子）是F⁺中心的前驱体，并与120°C TL峰相关联。

本研究通过TL与EPR技术的关联分析，揭示了Cr³⁺掺杂CaSiO₃荧光体的辐射响应机制。材料呈现三个特征TL峰，其中120°C峰具线性剂量响应但热稳定性较差，而247°C和299°C峰虽呈超线性但具有优异稳定性。EPR研究成功鉴定出Cr³⁺相关信号（g=1.981）和辐射诱导的F⁺中心（g=1.978），并建立了F⁺中心浓度与辐射剂量的指数关系。更重要的是，研究发现了F中心与120°C TL峰的对应关系，为理解电荷捕获与复合机制提供了直接证据。

该材料的创新价值在于其宽剂量响应范围（从mGy到kGy）和可定制的响应特性，使其既能满足低剂量环境监测需求，又可应用于高剂量工业辐照场景。特别是EPR信号与剂量的指数相关性，为发展新型电子顺磁共振剂量计奠定了坚实基础。此外，研究中建立的TL-EPR关联分析方法为其他荧光体材料的缺陷研究提供了可借鉴的研究范式。

这项研究不仅填补了Cr³⁺掺杂硅酸盐体系辐射特性研究的空白，更推动了多功能辐射剂量计材料的开发进程，在环境监测、医疗辐射剂量评估和工业辐照处理等领域具有广阔的应用前景。