LyoScope：一种用于辐射剂量测定的便携式溶解发光读数器原型机的开发与性能评估

《Radiation Measurements》：LyoScope: a portable lyoluminescence reader prototype

本研究报道了便携式溶解发光（LL）读数器LyoScope的设计与性能测试。该设备解决了当前LL测量缺乏专用商用仪器的问题，通过模块化设计实现了对辐照材料溶解过程中发光信号的精确、可重复测量。研究表明，LyoScope对NaCl的最小可探测剂量（MDD）低至~5 mGy，对天然石盐的测量重复性变异系数仅为~2.4%，且证实LL信号在数周内衰减35-40%后趋于稳定。该设备为辐射剂量学和地质年代学研究提供了新的互补工具，其开源设计有利于技术推广和定制化应用。

　　

在辐射剂量测定和地球科学研究中，准确测量材料吸收的辐射剂量至关重要，无论是用于评估意外辐射暴露，还是用于地质年代学研究中追踪干旱环境的气候变化，甚至是在探测中微子和暗物质等前沿领域。然而，目前广泛使用的光激发光（OSL）和热释光（TL）技术主要针对石英和长石等矿物，对于蒸发盐矿物（如石盐）等材料的测年能力有限。此外，一种被称为溶解发光（Lyoluminescence， LL）的现象——即先前受辐照的离子晶体在溶解于合适溶剂时发光的现象——虽然早在1895年就被发现，并在20世纪70年代被系统研究，但由于缺乏专用、商业化的测量仪器，其应用潜力一直未能充分发挥。LL测量受颗粒尺寸、溶剂化学性质和溶解动力学影响显著，且信号在数小时内至数周内会出现衰减，这些问题都阻碍了其成为可靠的分析工具。

为了克服这些挑战，来自德国海德堡大学地理研究所的Magdalena Biernacka、Krzysztof Maternicki、Micha? S?del和Sebastian Kreutzer在《Radiation Measurements》上发表了他们的研究成果，介绍了一款名为LyoScope的便携式、紧凑型LL读数器原型机。该设备采用模块化设计，旨在实现实验室和有限野外环境下的可重复LL测量。

研究人员开发LyoScope的核心目标是创建一个可控溶剂输送和光学检测的系统。该设备的关键组件包括光电倍增管（PMT）探测器、一个具有高反射性内表面的不锈钢样品室（样品碗）、以及可控的溶剂注入系统（可使用注射器、移液器或蠕动泵）。样品室的设计优化了光收集效率，其不透明的外壳确保了良好的光屏蔽，无需快门。设备组件可通过3D打印制造，强调了其可自组装和低成本的特点。性能测试使用了高纯度NaCl试剂和天然蓝色石盐样本。样品经过研磨、筛分、干燥和实验室β源辐照后，在LyoScope中使用CuCl₂溶液进行溶解，并通过PMT在30秒内积分计数来测量LL强度。数据分析包括剂量响应曲线拟合、最小可探测剂量（MDD）计算、重复性评估和信号衰减（ fading ）研究。

1. 引言

研究背景指出，可靠测量被动探测器吸收剂量方法需求旺盛，LL作为一种补充性测年“时钟”，反映了矿物最后一次结晶或溶解事件，而非最后一次曝光于光或热。碱金属卤化物（如NaCl及其矿物石盐）是研究LL最有前途的材料。然而，LL的应用长期受限于缺乏专用仪器和信号不稳定性。本研究旨在通过开发LyoScope来解决这些问题。

2. LyoScope - 设计和工作原理

研究人员设计了模块化的LyoScope设备。其核心是抛物线形的不锈钢样品室，容积约9毫升，适用于1毫克至数百毫克的样品，内表面高光抛光以最大化反射LL发射光。溶剂通过医用针头注入，注入速度和体积可精确控制以保障结果可重复性。探测器（PMT）前方装有熔融石英窗以防蒸汽侵蚀。设备外壳为光密设计，可选配磁力搅拌器。测试了两种PMT（ET Enterprise和Hamamatsu型号），均可通过USB或RS-232接口由电脑控制，并开发了基于R语言的控制软件。

3. 灵敏度、重复性和稳定性测试

灵敏度测试表明，NaCl的LL剂量响应可用单指数函数拟合，特征剂量D₀约为21.0 Gy。基于PMT本底噪声（均值185 counts/30s）计算出的最小可探测剂量（MDD）为~5.22 mGy（95%置信区间~2.0–9.6 mGy），与NaCl的OSL测定的MDD处于同一数量级。重复性测试使用德国Morsleben的天然蓝色石盐，9个等分样本的LL信号相对变异仅为~2.4%，证明了设备对异质性天然材料测量的稳健性。稳定性（衰减）测试显示，NaCl的LL信号在储存初期数周内快速衰减约35-40%，随后稳定在初始信号的35-60%，表明LL信号包含快速衰减和相对稳定的组分。衰减行为在对数时间尺度上近似线性，与经验衰减模型一致，且未观察到明显的剂量依赖性。

4. 使用EM-CCD相机进行LL可视化

研究还演示了将LyoScope与EM-CCD相机联用，实现了对辐照岩盐溶解过程中LL发射的空间分布可视化。这为定性观察溶解过程和发光信号分布提供了可能，尽管本研究中的定量分析仍基于PMT数据。

5. 结论与展望

LyoScope被证明是一种性能可靠的便携式LL测量设备。其对NaCl的MDD低至~5 mGy，对天然石盐的测量重复性高（~2.4%变异），且明确了LL信号的衰减特性。其模块化、开源设计便于定制和功能扩展（如连接CCD相机）。LL技术，借助LyoScope，有潜力成为个人、事故、环境或食品监测剂量学的有用工具。在地质年代学方面，LL为蒸发盐矿物（如石盐）的测年提供了互补于OSL/TL的方法，其剂量响应范围（从~5 mGy至~50 Gy以上）暗示其可测时间尺度从几十年到超过10⁵年。虽然信号衰减仍是挑战，但可通过校准程序或校正因子进行修正。LyoScope的便携性为原位测量提供了前景，有助于更真实地保存地质背景。总之，LyoScope使得可重复的LL测量成为可能，并支持LL作为剂量学和地质年代学互补工具的潜力。