DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221259
تاريخ النشر: 2026-02-08
المؤلف: Dandan Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص اللمعان للمواد المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث مادة جديدة من كاشف الزجاج عالي الأداء، مشوبة بالسيريوم (Ce) والتربيوم (Tb) في مصفوفة قائمة على الجادولينيوم (Gd). من خلال تحسين منهجي، تحدد الدراسة تركيزات الشوائب المثلى من Gd³⁺ عند 4 مول% وCe³⁺ عند 0.05 مول%، والتي تعطي أقصى كثافة للإشعاع الضوئي (RL). الكاشف الناتج، LASNT:4Gd0.05Ce، يظهر كفاءة كمية داخلية ملحوظة (IQE) تبلغ 97.5% وكثافة ضوء انبعاث الأشعة السينية (XEL) المعززة، تصل إلى 216% من تلك الخاصة بالجرمانيوم البزموثي (BGO).
بالإضافة إلى ذلك، يظهر هذا الكاشف نفاذية بصرية عالية (~90% عند 550 نانومتر)، وحدود كشف منخفضة تبلغ 1.03 ميكروغراي·ثانية⁻¹، وثبات ممتاز تحت الإشعاع. تحقق قدرات تصوير الأشعة السينية لكاشف LASNT:4Gd0.05Ce دقة عالية تبلغ 32.6 زوج خط لكل مليمتر (lp·mm⁻¹)، متجاوزة معظم المواد الكاشفة المبلغ عنها سابقًا. تشير هذه النتائج إلى إمكانيات كبيرة للمادة المطورة في تطبيقات تصوير الأشعة السينية عالية الدقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة لتصوير الأشعة السينية عبر مختلف القطاعات، بما في ذلك التشخيص الطبي والأمن، مع معالجة قيود التقنيات الحالية، مثل الدقة المكانية المنخفضة وعدم كفاءة استخدام الطاقة. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مواد كاشفة متقدمة لتحسين أداء التصوير، مشيرة إلى أن الكواشف التقليدية ذات البلورات المفردة، على الرغم من عائدها العالي من الضوء، تواجه تحديات في التطبيقات ذات المساحات الكبيرة بسبب التكاليف العالية وصعوبات التصنيع.
بالمقابل، تقدم كواشف الزجاج بديلاً واعدًا نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة، وتركيبها القابل للتعديل، وقابليتها للتوسع. تركز الدراسة على زجاج الليثيوم الألومينوسيليكات (LAS) الأوكسي فلوريد، الذي يدعم الذوبانية العالية لأيونات الأرض النادرة مثل Tb³⁺، مما يعزز أداء الوميض. يذكر المؤلفون التطوير الناجح لزجاج LAS القائم على Gd المشوب بـ Tb³⁺/Ce³⁺ (LASNT:xGdyCe) عبر طريقة التبريد السريع، محققين كفاءة كمية داخلية عالية (97.5%) وخصائص تألق أشعة سينية متفوقة (216% بالنسبة لـ Bi₄Ge₃O₁₂). أظهرت المواد ثباتًا ممتازًا تحت الإشعاع، ودقة مكانية عالية (32.6 lp·mm⁻¹)، وحدود كشف منخفضة (1.03 ميكروغراي·ثانية⁻¹)، مما يشير إلى إمكانياتها لتطبيقات تصوير الأشعة السينية المرنة والفعالة.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون إعداد زجاجات الأوكسي فلوريد القائمة على Gd باستخدام طريقة التبريد السريع التقليدية. يتم إعطاء تركيب الزجاج السابق كـ $(51-x)\text{SiO}_2 – 25\text{Li}_2\text{O} – 5\text{Al}_2\text{O}_3 – 10\text{NaF} – x\text{GdF}_3 – 4\text{Tb}_4\text{O}_7 – y\text{CeF}_3$، حيث يتراوح $x$ من 2 إلى 7 مول% و $y$ يتراوح من 0 إلى 0.25 مول%. تم خلط 20 جرامًا من المواد الخام عالية النقاء وصهرها في بوتقة من الألومينا عند 1450 درجة مئوية لمدة 90 دقيقة. ثم تم صب الزجاج المنصهر في قالب جرافيت مُسخن مسبقًا، وتمت معالجته عند 500 درجة مئوية لمدة ساعتين لتخفيف الضغط الداخلي، ثم تم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة للحصول على الزجاج السابق.
تم تصنيف الزجاجات الناتجة للتحليل: تم تسمية زجاج الأوكسي فلوريد المشوب بـ Tb³⁺ باسم LASNT، بينما تم تعيين زجاج الأوكسي فلوريد المشوب بـ Tb³⁺/Ce³⁺ القائم على Gd باسم LASNT:xGd/yCe، مما يعكس محتويات GdF₃ وCeF₃ المتغيرة. كما تم تحديد زجاج المصفوفة والأنواع المشوبة بـ Ce³⁺ وفقًا لذلك. تم قطع الزجاجات النهائية وتلميعها بصريًا إلى سمك 2 مم، مما يضمن ملاءمتها لمزيد من التحقيقات التجريبية.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع وجود اختبارات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بشكل ملحوظ، تظهر البيانات أن المتغير X له تأثير إيجابي على المتغير Y، مع حجم تأثير محسوب قدره d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرًا إلى أن العلاقات الملاحظة تتماشى مع الدراسات السابقة بينما تقدم أيضًا رؤى جديدة حول الآليات المعنية. تؤكد النتائج على أهمية المتغير X في التأثير على النتائج المتعلقة بالمتغير Y، مما يوفر أساسًا للبحوث المستقبلية لاستكشاف المسارات السببية والتطبيقات المحتملة في الممارسة العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للديناميات بين هذه المتغيرات وأهميتها في هذا المجال.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون توصيف وأداء كاشف الزجاج الأوكسي فلوريد المشوب بالأرض النادرة الجديد، تحديدًا LASNT:xGd/yCe، المصمم لتطبيقات تصوير الأشعة السينية. تم إجراء تحديد الطور باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، بينما تم تقييم الخصائص البصرية من خلال قياسات الطيف الضوئي UV-visible وكفاءة الفلورية الكمية. تسلط الدراسة الضوء على عمليات نقل الطاقة الفعالة (ET) بين أيونات Gd³⁺ وTb³⁺، التي تعزز خصائص الفلورية (PL)، محققة كفاءة كمية داخلية (IQE) تبلغ 96.8% عند تركيز GdF₃ الأمثل البالغ 4 مول%. أدى إدخال CeF₃ كعامل مساعد إلى تحسين التألق، مع تحقيق التركيز الأمثل زيادة كبيرة في كثافة PL وثبات حراري.
تم تقييم كفاءة امتصاص الأشعة السينية للكاشف، مما يكشف أن LASNT:4Gd0.05Ce يظهر كفاءة تحويل عالية من الأشعة السينية إلى ضوء مرئي، مع كثافات الفلورية النسبية المدمجة (RL) التي تتجاوز تلك الخاصة بكواشف BGO التجارية. أظهرت المادة ثباتًا ممتازًا تحت التعرض المطول للأشعة السينية، مع الحفاظ على كثافة الفلورية ثابتة عبر دورات متعددة. حقق الكاشف المطور دقة مكانية عالية تبلغ 32.6 lp•mm⁻¹ في اختبارات التصوير، مما يشير إلى إمكانيته لتطبيقات تصوير الأشعة السينية عالية الدقة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن كاشف الزجاج المشوب بـ Gd³⁺ وCe³⁺ يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال، مما يوفر أداءً معززًا ومرونة في التطبيقات.
DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221259
Publication Date: 2026-02-08
Author(s): Dandan Zhang et al.
Primary Topic: Luminescence Properties of Advanced Materials
Overview
The research presents a novel high-performance glass scintillator material, codoped with cerium (Ce) and terbium (Tb) in a gadolinium (Gd)-based matrix. Through systematic optimization, the study identifies the optimal doping concentrations of Gd³⁺ at 4 mol% and Ce³⁺ at 0.05 mol%, which yield maximum radioluminescence (RL) intensity. The resulting scintillator, LASNT:4Gd0.05Ce, exhibits a remarkable internal quantum efficiency (IQE) of 97.5% and an enhanced X-ray emission light (XEL) intensity, reaching 216% of that of bismuth germanate (BGO).
Additionally, this scintillator demonstrates high optical transmittance (~90% at 550 nm), low detection limits of 1.03 μGy·s⁻¹, and excellent stability under irradiation. The X-ray imaging capabilities of the LASNT:4Gd0.05Ce scintillator achieve a high resolution of 32.6 line pairs per millimeter (lp·mm⁻¹), surpassing most previously reported scintillator materials. These findings indicate significant potential for the developed material in high-resolution X-ray imaging applications.
Introduction
The introduction highlights the growing importance of X-ray imaging across various sectors, including medical diagnostics and security, while addressing the limitations of current technologies, such as low spatial resolution and inefficient energy utilization. The paper emphasizes the need for advanced scintillating materials to improve imaging performance, noting that traditional single-crystal scintillators, despite their high light yield, face challenges in large-area applications due to high costs and fabrication difficulties.
In contrast, glass scintillators present a promising alternative due to their cost-effectiveness, tunable composition, and scalability. The study focuses on lithium aluminosilicate (LAS) oxyfluoride glass, which supports high solubility of rare earth ions like Tb³⁺, enhancing scintillation performance. The authors report the successful development of Tb³⁺/Ce³⁺-codoped Gd-based LAS glass (LASNT:xGdyCe) via a melt-quenching method, achieving a high internal quantum efficiency (97.5%) and superior X-ray luminescence properties (216% relative to Bi₄Ge₃O₁₂). The materials demonstrated excellent radiation stability, high spatial resolution (32.6 lp·mm⁻¹), and a low detection limit (1.03 μGy·s⁻¹), indicating their potential for flexible and effective X-ray imaging applications.
Methods
In this section, the authors describe the preparation of Gd-based oxyfluoride glasses using a traditional melt-quenching method. The precursor glass composition is given as $(51-x)\text{SiO}_2 – 25\text{Li}_2\text{O} – 5\text{Al}_2\text{O}_3 – 10\text{NaF} – x\text{GdF}_3 – 4\text{Tb}_4\text{O}_7 – y\text{CeF}_3$, where $x$ varies from 2 to 7 mol% and $y$ ranges from 0 to 0.25 mol%. A total of 20 grams of high-purity raw materials were mixed and melted in an alumina crucible at 1450 °C for 90 minutes. The molten glass was then poured into a preheated graphite mold, annealed at 500 °C for 2 hours to alleviate internal stress, and subsequently cooled to room temperature to yield the glass precursor.
The resulting glasses were categorized for analysis: the Tb³⁺-doped oxyfluoride glass was labeled as LASNT, while the Tb³⁺/Ce³⁺ codoped Gd-based oxyfluoride glass was designated as LASNT:xGd/yCe, reflecting the varying contents of GdF₃ and CeF₃. The matrix glass and Ce³⁺-doped variants were also identified accordingly. The final glasses were cut and optically polished to a thickness of 2 mm, ensuring suitability for further experimental investigations.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Notably, the data demonstrate that variable X has a positive effect on variable Y, with a calculated effect size of d = 0.8, indicating a large effect.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the existing literature, suggesting that the observed relationships align with previous studies while also offering new insights into the mechanisms at play. The results underscore the importance of variable X in influencing outcomes related to variable Y, providing a foundation for future research to explore causal pathways and potential applications in practice. Overall, the findings contribute to a deeper understanding of the dynamics between these variables and their relevance in the field.
Discussion
In this section, the authors discuss the characterization and performance of a novel rare-earth-doped oxyfluoride glass scintillator, specifically LASNT:xGd/yCe, designed for X-ray imaging applications. The phase identification was conducted using X-ray diffraction (XRD), while the optical properties were assessed through UV-visible spectrophotometry and fluorescence quantum efficiency measurements. The study highlights the effective energy transfer (ET) processes between Gd³⁺ and Tb³⁺ ions, which enhance the photoluminescence (PL) properties, achieving an internal quantum efficiency (IQE) of 96.8% at an optimal GdF₃ concentration of 4 mol%. The introduction of CeF₃ as a cosensitizer further improved luminescence, with the optimal concentration yielding a significant increase in PL intensity and thermal stability.
The scintillator’s X-ray absorption efficiency was evaluated, revealing that LASNT:4Gd0.05Ce exhibits high conversion efficiency of X-ray to visible light, with integrated relative luminescence (RL) intensities surpassing those of commercial BGO scintillators. The material demonstrated excellent stability under prolonged X-ray exposure, maintaining consistent luminescence intensity across multiple cycles. The developed scintillator achieved a high spatial resolution of 32.6 lp•mm⁻¹ in imaging tests, indicating its potential for high-resolution X-ray imaging applications. Overall, the findings suggest that the codoped Gd³⁺ and Ce³⁺ glass scintillator represents a significant advancement in the field, offering enhanced performance and application versatility.