The Innovation | GFO:Ce闪烁玻璃：迈向多模态辐射探测的新路径

高性能低成本的闪烁玻璃在核辐射探测领域具有显著应用潜力。然而，传统玻璃材料中载流子输运效率较低，制约了射线能量转变为闪烁发光的效率，是该类材料难以获得应用的关键瓶颈问题。本研究通过构筑高效的Gd3+Ce3+能量传递路径，有效提升了Ce3+掺杂高钆氟氧玻璃（GFO:Ce）的载流子输运与能量传递效率，从而突破了其闪烁性能限制。多项实验表明：GFO:Ce对X射线、γ射线、中子及高能带电粒子等多种辐射均表现出有效响应，为未来多模态辐射探测应用提供了一种有前景的材料选择。

导 读

闪烁材料是人类观测高能射线、微观粒子的“探测眼睛”，广泛用于医疗成像、高能物理等领域。然而，高性能闪烁体往往成本高昂、制备困难，难以大规模普及。本研究另辟蹊径，在Ce3+掺杂高钆氟氧玻璃（GFO:Ce）中构筑了效率突破85%的Gd3+Ce3+能量传递路径，使这一低成本、易加工的玻璃材料成功突破性能瓶颈，实现对X射线、γ射线、中子及高能带电粒子的有效探测，为多模态辐射探测提供了兼具经济性与可靠性的新选择。

图1 图文摘要

辐射探测技术是维系现代核安全、支撑精准医疗成像、推动前沿高能物理探索的核心基石。从医院中的PET肿瘤显像设备到大型粒子对撞机中的量能器，闪烁体作为将高能射线或粒子转化为可见光的核心材料，始终扮演着不可替代的角色。由于低成本、易大面积/批量制备等优势，玻璃材料一直是未来应用的潜在候选。如何研发高密度、强发光、快衰减的新型闪烁玻璃，成为该领域亟待突破的前沿问题。针对这一挑战，高密度闪烁玻璃联合研发团队长期致力于玻璃体系的探索与开发。研究发现钆元素（Gd）同时具备高密度、耐强辐射、Gd3+Ce3+能量传递、低放射性本底以及对热中子极高的俘获截面等优势，是玻璃基质的关键。研发团队在玻璃中引入GdF3，搭建硼硅酸盐网络实现双重性能突破：F⁻和[BO3]3⁻单元降低了网络连通性，形成更开放的结构以容纳更高浓度的稀土离子；同时F⁻降低声子能量并抑制非辐射弛豫。这些协同作用提升了能量传递效率和荧光发射截面，使得铈掺杂高钆硼硅氧氟闪烁玻璃（GFO:Ce）的综合性能超越了传统玻璃材料的局限。

在X射线成像中，GFO:Ce玻璃的空间分辨率高达29.8 lp/mm，是目前玻璃及微晶玻璃材料中已报道的最高值之一。γ射线能谱学中，玻璃实现了2076±51 ph/MeV的光产额和22.4±0.5%@662keV的能量分辨率。而且，GFO:Ce玻璃对热中子和快中子均表现出有效响应，在80 keV和180 keV处观测到明确的中子特征峰。在高能μ子和π子束流测试中，单个闪烁玻璃探测器的最小电离粒子（MIP）响应超过100 p.e.，满足了强子量能器（HCAL）的基本要求。对于不同粒子的相互作用（图2），GFO:Ce玻璃性能都有不俗的表现，为低成本多模态探测的发展提供了可靠的材料基础。

图2 不同粒子下GFO:Ce闪烁玻璃的响应 γ射线下的(A) 能谱，(B) 闪烁衰减曲线和(C) 动力学特性参数；中子束流下的(D) 未解卷积与(E) 解卷积后的二维飞行时间（TOF）分布，(F) 二维中子响应分布图，(G) 快中子能谱；(H) 在缪子、介子束流下的最小电离粒子（MIP）响应，(I) 对应的能量沉积。

GFO:Ce玻璃优异的闪烁性能主要源于其高效的能量传递与辐射复合。玻璃中大量[GdOxFy]多面体的局部聚集倾向，通过Gd3+Ce3+偶极-偶极相互作用，实现了高达85.5%的能量传递效率。同时，Ce离子以稳定的+3价态存在，确保了高效共振能量传递，光致发光量子产率达到80.4%。尽管载流子迁移过程中大量激子间的非辐射俄歇猝灭从根本上限制了玻璃材料的本征光产额，GFO:Ce玻璃仍凭借优异的能量沉积和光子吸收能力，在密度、空间分辨率和光产额方面展现出全面均衡的性能优势。

这项研究不仅仅是开发了一种新型闪烁材料，而是代表了探测器研发思路的转变：从对单一粒子/射线的“特异性探测”走向覆盖X射线、γ射线、中子及带电粒子的多模态集成；从昂贵复杂的人工晶体生长走向低成本、易加工、可大规模制备的玻璃闪烁体。本研究深度融合了稀土发光物理、局域结构解析与能量传递理论三大前沿，为医疗影像、高能物理实验、中子探测等领域开启了新的技术路径。未来，我们或许仅凭一块小小的玻璃屏，就能在毫秒间同时捕捉多种高能粒子的信息，实现真正意义上的便携、高效、多维辐射探测。

总结与展望

本研究成功开发了Ce3+掺杂高钆硼硅氟氧（GFO:Ce）闪烁玻璃，实现了对X射线、γ射线、热/快中子及带电粒子的有效探测。该玻璃兼具高密度、强发光、快衰减的性能优势，在医疗成像、高能物理实验、中子探测等领域展现出广阔的应用前景。

GFO:Ce玻璃的多模态探测能力源于其独特的能量传递机制：Gd3+Ce3+能量传递效率突破85%，而[GdOₓFᵧ]多面体的局域团簇结构为这一高效传递提供了结构基础。这一发现不仅为实际应用提供了兼具低成本与高性能的候选材料，也为理解稀土掺杂玻璃中"无序结构-能量传递-闪烁性能"之间的构效关系开辟了新视角。

展望未来，研究团队期望以此为基础，进一步拓展至更多闪烁材料体系，深化对玻璃闪烁体物理机制的认识，推动新一代低成本、高性能闪烁体的研发，为辐射探测系统的升级换代提供新的材料策略与技术路径。

相关文章

Glass scintillator: A window to future high-energy radiation detection

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.100878

Ce3+掺杂闪烁玻璃的研究进展

https://doi.org/10.12086/oee.2023.220247

无机闪烁体性能测试方案研究

https://doi.org/10.12086/oee.2023.220247

An evaluation method for nuclear radiation detection performance of glass scintillator

http://rdtm.ihep.ac.cn/article/doi/10.1007/s41605-024-00453-0

X射线成像用玻璃闪烁体的制备与研究进展

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20250015/

CEPC Technical Design Report -- Reference Detector

https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.05260

责任编辑

申建雷  山西师范大学