Y3+/Tb3+共掺杂NaGd(WO4)2纳米闪烁体的制备及其光学特性研究

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近年来,数字化X射线成像技术(DR技术)由于具有图像分辨率高、信噪比好、操作简单和成像速度快等优点,已成为医学成像领域中的主流技术之一。作为DR技术系统中成像屏的组成部分,闪烁体材料性能的高低对成像质量的好坏起着至关重要的作用。目前,用于临床的商用闪烁体材料多为稀土离子掺杂卤化物,但这类材料在实际应用中仍存在发光中心浓度低、易潮解、制备过程繁琐、与CMOS等光电探测器最佳响应波长匹配度不高和污染环境等问题。因此,开发具备发光中心浓度高、不易潮解、与CMOS光电探测器最佳响应波长匹配度高等优点的新型氧化物基闪烁体材料具有重要的实际意义。本文采用水热法制备了Y3+/Tb3+共掺杂NaGd1-x-yTbxYy(WO4)2纳米闪烁体材料,利用X射线衍射、扫描电子显微镜成像、激发和发射光谱等测试手段研究了样品的微结构和光学性质,讨论了NaGd(WO4)2与Tb3+之间的能量传递机理,探索了该纳米闪烁体的X射线成像应用。主要研究结果如下:1.采用水热法180℃加热20小时的条件下制备了具有微米尺寸的不同Tb3+掺杂浓度的NaGd1-xTbx(WO4)2(x=0,0.05,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1)粉末样品。监测未掺杂Tb3+样品位于480 nm的光发射,在220-350 nm范围内可观察到一个宽带激发峰(归属于WO42-的~1A1-~1T2和~1A1-~1T1的跃迁)。在254 nm紫外光及X射线激发下,在350-650 nm范围内可得到一个峰值位于480 nm的宽带发射峰(归属于WO42-的~3T2-~1A1和~3T1-~1A1的跃迁)。对于掺杂Tb3+的样品,SEM测试表明,随着Tb3+掺杂浓度的增加,样品的表面形貌呈均匀四方盘形,粒子平均尺寸在1.5μm左右。光谱测试表明:当监测波长为543 nm时,在220-500 nm之间可以观察到两部分明显的激发峰。其中位于220-315nm范围较宽的激发峰,来源WO42-的~1A1-~1T2/~1T1的跃迁和Tb3+的4f-5d跃迁的叠加。而位于315-500 nm范围由一系列窄峰组成的激发峰,则来源于Tb3+的4f-4f跃迁。由于Tb3+的激发谱与NaGd(WO4)2的发射谱存在光谱重叠,故可观察到NaGd(WO4)2基质到Tb3+离子的能量传递过程。实验发现,在254 nm紫外光及X射线激发下,当Tb3+离子掺杂浓度为x=0.5,均可观察到位于543 nm左右处最强的绿光发射,能与绿光CMOS传感器灵敏波长较好匹配。2.选取Tb3+离子最优掺杂浓度x=0.5,在180℃加热20小时的条件下,采用水热法制备了不同Y3+掺杂浓度的NaGd0.5-yTb0.5Yy(WO4)2(y=0,0.05,0.07,0.09,0.11)粉末样品。通过SEM表征分析可以发现,随着Y3+掺杂浓度的增加,粒子尺寸显著减小。当Y3+离子掺杂浓度为y=0.09,粒子平均尺寸减小到220 nm。光谱测试发现,Tb3+和Y3+共掺杂样品的激发和发射光谱的峰位归属情况与单掺Tb3+的完全一致。X射线激发下,当Y3+离子掺杂浓度为y=0.07,发光强度最大。可见,Y3+掺杂不仅导致了粒子尺寸的显著变小,同时也增强了X射线激发下的发光强度。最后,我们将NaGd0.43Tb0.5Y0.07纳米粉末与有机溶剂混合制成了有机无机复合闪烁体薄膜。在X射线辐照剂量均为1478μGys-1的条件下,其X射线成像的分辨率可达2.2 lp/mm(高于由微米尺寸NaGd0.5Tb0.5(WO4)2粉末制备的复合薄膜分辨率)。我们的实验结果表明,Tb3+/Y3+共掺杂NaGd(WO4)2纳米闪烁体材料在医学成像中具有潜在的应用前景。
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