Детекторы на основе тетрабората магния для дозиметрии в тканеэквивалентных фантомах

Аннотация

Исследованы люминесцентные свойства тетрабората магния, легированного диспрозием и натрием. Синтез образцов происходил методом двухступенчатого введения примесей. Получен дозовый отклик материала MgB₄O₇:Dy,Na для доз облучения вплоть до 8 Гр. Продемонстрирована линейность дозового отклика для MgB₄O₇:Dy,Na. Спектральный состав термостимулированной люминесценции образца MgB₄O₇:Dy,Na соответствует спектру излучения Dy³⁺, но при этом фотолюминесценция при возбуждении на характерных для Dy³⁺ длинах волн, равно как и оптически стимулированная люминесценция Dy³⁺ зарегистрированы не были. Для этого материала обнаружен и проанализирован эффект оптического стирания кривых термовысвечивания с использованием различных источников света. Показано, что свет одинаково воздействует как на рабочий, так и на высокотемпературный пик термостимулированной люминесценции. Проведен анализ теоретических моделей люминесценции для материалов на основе тетраборатов. На основе известной модели найдены положения энергетических уровней редкоземельных элементов в матрице тетрабората. Определены подходящие редкоземельные элементы для использования в качестве примеси при создании материалов с оптическим считыванием дозовой информации. Аналогичным методом синтезирован MgB₄O₇:Tb,Li. Для этого образца получена характерная фотолюминесценция Tb в зарядовом состоянии 3+. На кривой термовысвечивания доминирует высокотемпературный пик около 300 °С. Спектральный состав свечения также соответствует Tb³⁺

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, научный проект 15.СИН.21.0008 (соглашение № 075-11-2021-086)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Захарчук И.А., Амброзевич C.А., Селюков А.С. и др. Детекторы на основе тетрабората магния для дозиметрии в тканеэквивалентных фантомах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 4 (115), с. 47--62. EDN: XUHFZM

Литература

[1] Hu M., Jiang L., Cui X., et al. Proton beam therapy for cancer in the era of precision medicine. J. Hematol. Oncol., 2018, vol. 11, no. 1, art. 136. DOI: https://doi.org/10.1186/s13045-018-0683-4

[2] Мамаева С.Н., Иванова С.М., Шутова В.В. и др. Исследование изменений состояния эритроцитов и плазмы крови обезьян при воздействии ионизирующего излучения. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 5 (104), с. 86--104. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-5-86-104

[3] Гержик А.А., Разницына И.А. Экспериментальное обоснование ряда требований к аппаратным и методическим средствам неконтактной фотоплетизмо-графии на основе анализа видеоизображений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2021, № 4 (137), с. 122--138. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2021-4-122-138

[4] Leblans P., Vandenbroucke D., Willems P. Storage phosphors for medical imaging. Materials, 2011, vol. 4, iss. 6, pp. 1034--1086. DOI: https://doi.org/10.3390/ma4061034

[5] Sadel M., Bilski P., Swakon J., et al. Comparative investigations of the relative thermoluminescent efficiency of LiF detectors to protons at different proton therapy facilities. Radiat. Meas., 2015, vol. 82, pp. 8--13. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2015.07.009

[6] Selvam T.P., Keshavkumar B. Monte Carlo investigation of energy response of various detector materials ¹²⁵I and ¹⁶⁹Yb brachytherapy dosimetry. J. Appl. Clin. Medical Phys., 2010, vol. 11, iss. 4, pp. 70--82. DOI: https://doi.org/10.1120/jacmp.v11i4.3282

[7] Yukihara E.G., Doull B.A., Gustafson T., et al. Optically stimulated luminescence of MgB₄O₇:Ce,Li for gamma and neutron dosimetry. J. Lumin., 2017, vol. 183, pp. 525--532. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.12.001

[8] Kitis G., Polymeris G.S., Sfampa I.K., et al. Prompt isothermal decay of thermoluminescence in MgB₄O₇:Dy, Na and LiB₄O₇:Cu, In dosimeters. Radiat. Meas., 2016, vol. 84, pp. 15--25. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2015.11.002

[9] Дайбаге Д.С., Амброзевич С.А., Перепелица А.С. и др. Спектральные и кинетические свойства квантовых точек сульфида серебра во внешнем электрическом поле. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2022, т. 22, № 6, с. 1098--1103. DOI: https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1098-1103

[10] Афанасьев B.Н., Бычков В.Б., Ларцев В.Д. и др. Параметры электронных пучков, генерируемых ускорителями РАДАН-220 и РАДАН-ЭКСПЕРТ. Приборы и техника эксперимента, 2005, № 5, с. 88--92. EDN: HSJNPH

[11] Furetta C., Prokic M., Salamon R., et al. Dosimetric characterisation of a new production of MgB₄O₇:Dy,Na thermoluminescent material. Appl. Radiat. Isot., 2000, vol. 52, iss. 2, pp. 243--250. DOI: https://doi.org/10.1016/S0969-8043(99)00124-4

[12] Danilkin M., Jaek I., Kerikmae M., et al. Storage mechanism and OSL-readout possibility of Li₂B₄O₇:Mn (TLD-800). Radiat. Meas., 2010, vol. 45, iss. 3-6, pp. 562--565. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2010.01.045

[13] Porwal N.K., Kadam R.M., Seshagiri T.K., et al. EPR and TSL studies on MgB₄O₇ doped with Tm: role of BO₃^2- in TSL glow peak at 470 K. Radiat. Meas., 2005, vol. 40, iss. 1, pp. 69--75. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2005.04.007

[14] Kumar M.V., Jamalaiah B.C., Gopal K.R., et al. Optical absorption and fluorescence studies of Dy³⁺-doped lead telluroborate glasses. J. Lumin., 2012, vol. 132, iss. 1, pp. 86--90. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2011.07.021

[15] Kawashima Y.S., Gugliotti C.F., Yee M., et al. Thermoluminescence features of MgB₄O₇:Tb phosphor. Radiat. Phys. Chem., 2014, vol. 95, pp. 91--93. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2012.12.033

[16] Gustafson T.D., Milliken E.D., Jacobsohn L.G., et al. Progress and challenges towards the development of a new optically stimulated luminescence (OSL) material based on MgB₄O₇:Ce,Li. J. Lumin., 2019, vol. 212, pp. 242--249. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.04.028

[17] Yukihara E.G., Milliken E.D., Doull B.A. Thermally stimulated and recombination processes in MgB₄O₇ investigated by systematic lanthanide doping. J. Lumin., 2014, vol. 154, pp. 251--259. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2014.04.038

[18] Souza L.F., Novais A.L., Antonio P.L., et al. Luminescent properties of MgB₄O₇:Ce,Li to be applied in radiation dosimetry. Radiat. Phys. Chem., 2019, vol. 164, art. 108353. DOI: https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2019.108353

[19] Palan C.B., Omanwar S.K. Synthesis and preliminary TL/OSL properties of MgB₄O₇:Tb³⁺ phosphor for radiation dosimetry. NC-RISE 17, 2017, vol. 5, no. 9, pp. 53--54.

[20] Dorenbos P. The 5d level positions of the trivalent lanthanides in inorganic compounds. J. Lumin., 2000, vol. 91, iss. 3-4, pp. 155--176. DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-2313(00)00229-5

[21] Dorenbos P. Locating lanthanide impurity levels in the forbidden band of host crystals. J. Lumin., 2004, vol. 108, iss. 1-4, pp. 301--305. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2004.01.064

[22] Dorenbos P. Modeling the chemical shift of lanthanide 4f electron binding energies. Phys. Rev. B, 2012, vol. 85, iss. 16, art. 165107. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.165107

[23] Dorenbos P. Valence stability of lanthanide ions in inorganic compounds. Chem. Mater., 2005, vol. 17, iss. 25, pp. 6452--6456. DOI: https://doi.org/10.1021/cm051456o

[24] Dorenbos P. A review on how lanthanide impurity levels change with chemistry and structure of inorganic compounds. J. Solid State Sci. Technol., 2012, vol. 2, no. 2, art. R3001. DOI: https://doi.org/10.1149/2.001302jss