热释光谱研究长余辉发光材料的陷阱能级

谢 伟，李华炳，梁 枫

（湛江师范学院，广东 湛江 524048）

1 长余辉发光材料及其机理

长余辉发光材料是一种特殊的新型能源材料，它能够吸收太阳光和紫外光的能量，并储存起来，在撤去外界光源激励后，仍然能在较长时间持续对外发光。正由于这种蓄光放光的特点，使得长余辉材料得到广泛的研究[1－5]。现阶段，长余辉发光材料主要集中在稀土掺杂铝酸盐和硅酸盐体系，这两种体系的余辉时间可达到10多个小时。目前，对材料长余辉性能的内在机理解释，主要认为是在外界光照下，发光中心的电子被激发到激发态后，部分电子从导带中转移到陷阱能级中，然后在外界的热扰动下，陷阱能级中的电子逐渐释放出来，回到激发态，跃迁发光，陷阱能级逐渐释放电子并跃迁发光的过程就是长余辉过程[4－6]。很显然，陷阱能级的深度及浓度决定了长余辉性能的优劣，故而对长余辉材料中陷阱能级的研究有着重要意义。

2 热释光剂量计基本原理

热释光剂量计是一种用在放射防护中的计量仪器，用来检测在放射场所工作一段时间后，工作人员受到射线照射的剂量，可用于如射线事故处理、倒源剂量监测、个人剂量监测和环境累积剂量监测等方面。热释光剂量计的基本实验原理如图1所示。

图1 热释光剂量计的基本实验原理

样品在加热过程中释放的光子被收集到光电倍增管（PMT）的阴极，然后通过电流－频率（I／F）变换器转换成脉冲频率，通过计数器处理后再送入计算机，记录热释光谱，中央处理器CPU负责整个计量系统的运行，包括按软件设定程序加热样品和控制各电路工作。由于加热时释放光的强度与样品所接受的能量（照射量）成正比，所以通过对样品热释光谱所包含面积进行拟合计算，就可以确定其所受照射剂量的大小，这就是热释光剂量计的基本原理[7－9]。

3 热释光谱研究长余辉材料的陷阱能级

对于长余辉发光材料，若将样品加热，可以加快释放出陷阱能级中的电子，同样可以测得热释光谱。例如，将高温固相反应制备的Sr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋和 Sr”0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋长余辉发光粉体压成薄片，经紫外灯激发后，按照1℃／s的加热速率加热至200℃，测得热释光谱如图2所示。

图2 Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋和Sr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋的热释光谱

在一级动力学近似下，热释光谱的强度是温度的函数[5－6，8－9]，且有如下关系式：

其中：s是逃逸频率因子，n0是时间t＝0时的陷入陷阱的电荷密度，kB是波尔兹曼常量，β是热比率（实验中为1℃／s），l是动力学级数，Et是陷阱能级深度。Et和n0是描述陷阱物理特性的重要参量。利用热释光谱的形状参数可以经过数学演算可得到Et和n0的表达式：

其中：ω、μg均为峰形参数，可根据热释峰的不对称性获得，ω＝δ＋τ，δ为峰值温度距高温半高宽时的宽度，τ为峰值温度距低温半高宽时的宽度。Im为热释光峰强度，ω表示整个热释光峰的半高宽，μg＝δ／ω。经计算，结果如表1所示。

表1 Sr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋和Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋长余辉发光粉体的陷阱能级分析结果

从中看出，Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋的陷阱深度约为0.609eV，大于Sr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋的陷阱深度0.509eV，且前者陷阱中的电荷浓度n0也较大。这是由于Dy3＋（0.908nm）离子半径与 Ca2＋（0.100nm）离子半径较为接近，所以Dy3＋对Ca2＋的取代较为容易，容易在Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4基质材料中形成生成较多的缺陷，加深陷阱深度，从而增加陷阱中俘获的电荷数量，这与Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋样品有着较高的余辉初始强度和更长的余辉时间（图3）相符合。

图3 Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋和Sr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋的余辉特性

4 结 论

采用热释光剂量计测试长余辉材料的热释光谱，通过热释光一阶动力学近似计算，可得到材料中陷阱能级的相关参数，继而分析长余辉材料余辉性能差异的内在机理。

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