閃爍材料是一種可以被特種射線如X射線、γ射線、中子等激發(fā)產(chǎn)生紫外或可見光的功能材料，因其出色的輻射探測(cè)能力可以用到石油資源勘探、醫(yī)學(xué)影像、毒 品以及危險(xiǎn)物品安全檢查、工業(yè)探傷等領(lǐng)域中。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所特種影像材料與技術(shù)研究中心孫承華團(tuán)隊(duì)聚焦于鈣鈦礦等閃爍材料的合成、發(fā)光性能調(diào)控及其在X射線、γ射線、中子、質(zhì)子成像領(lǐng)域的研究，并取得系列成果(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21302; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300607; ACS Nano, 2024, 18, 16715-16725; Rare Met. 2024, 43, 175–185)。其中，快中子射線具有更高的能量和極強(qiáng)的穿透能力，使其在檢測(cè)大型和高密度設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和低密度缺陷方面具有不可替代的作用，但快中子照相技術(shù)（FNR）的分辨率難以提升，是阻礙快中子成像技術(shù)推廣應(yīng)用的主要瓶頸。

近日，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一步無(wú)溶劑熔融淬火方法開發(fā)了一種混合金屬鹵化物高透明玻璃態(tài)閃爍屏(BTPP)1.8(HTPP)0.2MnBr4，將快中子成像的空間分辨率由2.56 lp mm^-1提高到5 lp mm^-1的空間分辨率，為目前報(bào)道的世界最高數(shù)值。研制的閃爍屏的透過(guò)率超過(guò)70%（500-800 nm），光致發(fā)光量子產(chǎn)率高達(dá)85.54%，光輸出是同等厚度ZnS(Ag): PP商用閃爍屏的三倍。溫度依賴的X射線衍射、光致發(fā)光和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算揭示了不透明多晶態(tài)和透明玻璃態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換機(jī)制，并明晰了玻璃態(tài)的形成機(jī)制歸因于三苯基鏻的高空間位阻以及快速淬滅處理導(dǎo)致的分子隨機(jī)排列凍結(jié)的共同作用。該制備策略易于制備大面積閃爍屏，且形狀可控、韌性良好，為替代傳統(tǒng)快中子閃爍屏提供了基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作顯著提高了快中子成像的適用性，并將進(jìn)一步推進(jìn)快中子成像在大型設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

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圖1.替代常規(guī)FNR策略的設(shè)計(jì)

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圖2.混合金屬鹵化物透明閃爍屏的制備和表征

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圖3.玻璃態(tài)和多晶態(tài)閃爍屏的AIMD模擬和透明發(fā)光示意圖

相關(guān)成果以Research Article的形式發(fā)表在Nature Communications期刊上，文章的第一作者為理化所博士生周子安，通訊作者為理化所孫承華研究員和鄭金曉特別研究助理、中國(guó)原子能科學(xué)研究院賀林峰研究員。不來(lái)梅大學(xué)李勇博士、理化所康雷研究員和李云飛博士在第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方面、四川輕化工大學(xué)王琦標(biāo)教授和楊洪超博士在快中子物理過(guò)程模擬計(jì)算方面做出了重要貢獻(xiàn)。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)委員會(huì)聯(lián)合基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)研究啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的資助。

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