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《东北师范大学》 2017年
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铽掺杂C12A7基X射线影像存储荧光粉的制备及其发光机理研究

李胜男  
【摘要】:X射线影像存储荧光粉材料(也称为光激励发光材料)在计算机X线摄影术(Computed Radiography,CR)、可擦/写光存储媒介、辐射剂量测定和生物医学等领域有广泛的应用前景。这类荧光粉在受到外界辐照(X射线、紫外光、可见光)时,会产生大量的电子空穴对,电子(或空穴)被陷阱俘获使其处于一个相对稳定的状态几天甚至几个月。当用较长波长的光(红外光)激励样品时,陷阱中的电子(空穴)以发光的形式被释放。其中,CR技术就是利用光激励发光材料将X射线透过人体后形成的潜像存储起来,然后用较长波长的红外激光进行扫描,将被存储的潜像以光的形式释放出来。目前,CR技术由于成本低、兼容性和便携性好(可以在手术室临床使用),在医学诊断方面仍有广泛应用。其中,均匀悬涂在成像板中的X射线影像存储荧光粉是CR系统的核心部分之一。在临床上使用的商用荧光粉主要是BaFX:Eu2+(X=Br,Cl)材料,它们具有光激励发光强、灵敏度高和响应速度快、转换效率(conversion efficiency,CE)高等优点。然而,在高能射线轰击下,它们的化学稳定性和热稳定性较差,而且成像分辨率较低,进而限制了成像板的发展。此外,氟卤化物分解后会产生有毒物质,造成环境污染。为克服上述问题,稀土掺杂氧化物基X射线影像存储荧光粉的制备、设计和光激励发光机理的研究成为当前的热点领域之一。最近的主流研究工作是通过阳离子取代或者不同条件下热处理来改善氧化物基荧光粉的存储特性,但一直没有实现X射线影像存储成像。因此,寻求和设计出一种新型高效稀土掺杂氧化物基X射线影像存储荧光粉是实现X射线影像存储成像的挑战。12CaO·7Al2O3(C12A7)作为一种具有特殊纳米笼腔结构(也可被看做“反沸石结构”)的宽带隙氧化物基质材料,具有良好的热稳定性和化学稳定性。C12A7的每个单胞由12个具有亚纳米尺寸的笼子构成,其中两个笼中被O2-离子随机占据来保持电中性。通过对C12A7在不同条件下进行热处理,可实现笼中的自由氧离子基团被多种不同阴离子替换,例如OH-,H-,O-,e-,F-和Cl-等,从而具有不同的光学和电学特性。尤其,平均每个笼子所带静电荷量为+1/3(+4个正电荷/12个笼子),因此每个带正电的笼子都可以看做是一个类F+色心,可俘获一个电子。此外,Eu2+离子掺杂C12A7荧光粉呈现出较好的长余辉和光激励发光特性,故稀土掺杂的C12A7荧光粉有可能是一种高效X射线影像存储荧光粉候选材料。本论文采用自蔓延燃烧法结合后期热处理策略合成了可用于X射线影像存储成像的C12A7:Tb3+荧光粉,研究了C12A7:Tb3+荧光粉的存储特性和光激励发光机理,探讨了笼中阴离子基团(O2-,H-,OH-和e-)对光激励发光的影响和陷阱的调控。利用碱土金属阳离子取代策略制备了Mg2+或Sr2+离子掺杂C12A7:Tb3+荧光粉,研究Mg2+,Sr2+掺杂对其存储性能的影响及高原子序数替代(Sr2+)对X射线剂量吸收和转换效率的影响,获得了提高X射线剂量吸收能力和转换效率的有效途径。通过实验分析得到如下研究成果:一、采用自蔓延燃烧法在700-900 oC范围点火合成了具有立方晶系的C12A7:Tb3+荧光粉。当点火温度为700 oC时,可以获得亚微米晶粒尺寸的样品。在239 nm紫外光激发下可以观察到较强的绿光发射,光激励发光和热释发光分析表明C12A7:Tb3+中的确存在深陷阱,通过计算得出其陷阱深度约为0.7-0.9 eV。通过光激励发光光谱和光电导测试发现样品的存储时间可长达48小时。基于光电导和ESR的测试结果给出了C12A7:Tb3+荧光粉的光激励发光机理模型。光激励发光强度与X射线辐照时间的关系说明,辐照时间低于40分钟时,样品光激励发光强度与X射线动态响应呈线性,达到60分钟后,样品光激励发光强度与X射线的动态响应达到饱和。结合X射线辐照后的光激励衰减曲线,得出了C12A7:Tb3+荧光粉的转换效率,约为1.28 pJ/mm2/mR。C12A7:Tb3+荧光粉的空间分辨能力可达到30?m,相当于15 lp/mm,优于现存的BaFBr:Eu2+荧光粉(5 lp/mm)。以上结果表明,具有亚微米尺寸、立方晶系结构以及转换效率较高的C12A7:0.5%Tb3+荧光粉可以作为X射线影像存储荧光粉的候选材料应用于医疗诊断领域。二、采用自蔓延燃烧法结合不同条件下热处理得到了具有不同笼中阴离子基团的C12A7:Tb3+粉末样品,研究了笼中阴离子基团(O2-,H-,OH-和e-)对X射线影像存储特性的影响。通过对ESR和FTIR谱的分析,确认了不同条件热处理的C12A7:Tb3+荧光粉中的确存在笼中电子,O2-(O2-的存在说明了笼中O2-离子的存在)和OH-基团。具有不同笼中阴离子基团样品的光激励发光和热释发光数据表明,C12A7中存在越多的笼中OH-离子,得到的光激励发光越弱,陷阱深度越浅,陷阱2与陷阱1的对应的热释发光强度比值(Itrap2/Itrap1)越小。实验结果表明X射线影像存储成像质量的提高和存储时间的增长可以通过热处理减少笼中OH-的策略来实现。三、通过碱土离子取代Ca离子格位策略,采用自蔓延燃烧法结合热处理方法制备了C12A7:0.5%Tb3+,C12A7:0.5%Tb3+,1%Mg2+和C12A7:0.5%Tb3+,1%Sr2+光激励发光荧光粉,研究了碱土离子掺杂对C12A7:0.5%Tb3+荧光粉的X射线影像存储特性的影响。XRD和EDS分析表明Sr和Mg元素已经取代了C12A7的Ca格位。光激励发光和热释发光实验结果表明C12A7:0.5%Tb3+,1%Mg2+荧光粉更适合应用于光存储器件,而C12A7:0.5%Tb3+,1%Sr2+荧光粉更适合应用于在X射线影像存储领域。采用燃烧法制备了不同Sr2+掺杂浓度的C12A7:0.5%Tb3+荧光粉(C12A7:0.5%Tb3+,x%Sr2+(x=1,3,5)),研究了掺杂浓度对X射线吸收能力的影响。光激励光谱中可以发现,光激励发光强度正比于Sr2+的掺杂浓度,其X射线动态响应的线性范围也远远大于C12A7:0.5%Tb3+荧光粉,呈现线性增长。当掺杂浓度为x=5时,光激励发光信号最强;通过计算样品的转化效率发现,相比于未掺Sr2+离子的荧光粉的转换效率(~1.28 pJ/mm2/mR),Sr2+掺杂将其转换效率进一步提高到~1.42 pJ/mm2/mR。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O482.31

【参考文献】
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