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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

【摘要】介绍了热释光剂量计和热释光的基本原理.通过测量长余辉发光材料的热

释光谱,并采用一阶动力学近似,可以量化分析长余辉发光材料中的陷阱能级的深度、

电荷密度等参数,并可以讨论陷阱能级与长余辉性能的关系,深入理解长余辉过程.

【期刊名称】《大学物理实验》

【年(卷),期】2013(026)004

【总页数】3页(P11-12,20)

【关键词】热释光剂量计;长余辉;陷阱能级

【作者】谢伟;李华炳;梁枫

【作者单位】湛江师范学院,广东湛江524048;湛江师范学院,广东湛江524048;湛

江师范学院,广东湛江524048

【正文语种】中文

【中图分类】O431

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2Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：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1Sr0.6Ba0.4Al2O4：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样品δτωμgTm／Kn0（t＝0）Et

／eVSr0.6Ba0.4Al2O4：Eu2＋，Dy3＋2531560.4463744.25×1060.509

Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋3228600.5333658.18×1060.609

从中看出，Sr0.6Ba0.2Ca0.2Al2O4：Eu2＋，Dy3＋的陷阱深度约