用户前沿丨比利时根特大学AFM：荧光粉中辐照变价现象及其在X射线成像和计量方面的应用

研究背景

自从1895年德国科学家伦琴发现X射线以来，X射线在医学诊断、安全检查、工业无损探伤等众多领域得到广泛的应用。在这些应用中，具备高质量X射线成像和准确X射线计量特性的探测器扮演着重要角色。目前，用于X射线实时成像技术的数字化平板探测器主要包括两种：1）基于闪烁体的间接成像技术（利用闪烁体先将高能量X射线转换成低能量的紫外或可见光光子，再由光电探测器进行探测）；2）基于半导体的直接成像技术（利用半导体的光电导特性直接将X光光子转换成电荷）。数字化平板探测器凭借其探测下限低、灵敏度度高，辐射剂量低，分辨率高等优点在高能物理研究，机场安检和医学诊断等领域得到广泛应用，但其很难提供成像过程中的辐照剂量信息。此外，数字化平板探测器还存在设备复杂，价格昂贵和难以制备大尺寸等问题。基于热释光（TL）、光致荧光（OSL）和辐射光致荧光（RPL）的荧光剂量计在个人、环境、医疗、应急以及空间辐射剂量监测等多个领域得到广泛应用，但其通常只能提供某一点的剂量信息，很难应用于二维剂量信息探测或者X射线成像。然而，一些X射线应用场景需要探测器同时具有X射线成像和剂量性能。例如放射性治 疗，在治 疗之前需要预先确定X射线在病灶位置的剂量大小以及空间分布信息，但辐射源大的剂量范围和亚微米尺度的空间分布使目前的探测器很难满足要求。

成果简介

近日，比利时根特大学LumiLab课题组利用(Ba1-xSrx)SiO4:Eu荧光粉中Eu离子的辐照变价特性实现了X射线的同时成像和计量。其特点在于：1) Eu3+ → Eu2+的变价过程是辐照剂量线性依赖的而不依赖于辐照速率; 2) 在(Ba1-xSrx)SiO4基体中，Eu3+ 和Eu2+的发射峰具有明显的差异性，而且可以同时被紫外光激发; 3) 特别是Ba2SiO4基体，其中Eu2+和Eu3+离子的发光颜色分为绿色和红色，这与图像的红(R)和绿(G)两个颜色通道相匹配。其优势在于：1) 基于Ba2SiO4:Eu探测器的成像信息可以在紫外光激发下方便的通过肉眼或相机拍照的方式读取，而成像过程所用的辐照剂量可以通过图像的红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道信息反演得到; 2) 所获得的X射线图像具有很好的稳定性，可以反复读取，而且不依赖于激发光源强度。相关成果以" Realizing Simultaneous X-Ray Imaging and Dosimetry Using Phosphor-Based Detectors with High Memory Stability and Convenient Readout Process "为题发表在《Advanced Functional Materials》，（DOI: 10.1002/adfm.202201684）。

图文导读

图1. (Ba1-xSrx)SiO4:Eu 的a) XRD谱和b) 晶体结构。c) X射线辐照前和d) X射线辐照后 (Ba1-xSrx)SiO4:Eu 的激发谱和发射谱。e) Ba2SiO4:Eu 辐照前后以及在还原性气氛下烧结的样品的EPR谱。f) Ba2SiO4:Eu 辐照前后以及在还原性气氛下烧结的样品的发射谱。

图2. (a) - (c) 原位测试(Ba1-xSrx)SiO4:Eu的发射谱随辐照时间增加的变化过程。(d) - (i) Ba2SiO4:Eu 在不同剂量速率辐照下和不同激发光强度下的响应特性。

图3. (a) - (b) Ba2SiO4:Eu在不同X射线辐照时间下发光颜色的变化。(c) - (d) 构建绿和红两个颜色通道的比值和辐照剂量之间的关系。(e) - (g) Eu3+↔Eu2+ 辐照变价的稳定性和可逆特性。

图4. Ba2SiO4:Eu 基探测器用于同步X射线成像和剂量的应用展示。(a) X射线成像，(b)探测器不同位置在成像过程所受的辐照剂量。

仪器推荐

在本文中比利时根特大学LumiLab课题组团队利用爱丁堡荧光FLS920对(Ba1-xSrx)SiO4:Eu荧光粉中Eu离子变价行为进行了测试研究，并通过FLS920便捷的软件处理获得了稳态瞬态光谱数据。爱丁堡仪器新升级科研级稳态瞬态荧光光谱仪FLS1000，欢迎垂询。