基于硅基底上氟化锂薄膜的荧光核径迹探测器对低能质子的特性研究

《Radiation Measurements》：Characterization of low-energy protons by fluorescent nuclear track detectors based on lithium fluoride films on silicon substrates

荧光核迹探测器在质子束诊断中的应用研究：基于LiF薄膜的低能和高能质子束检测，通过单轨迹记录和布拉格曲线分析，探讨了能量谱估计方法及介质特性对探测的影响。

　　LiF（锂氟化物）作为一种重要的材料，因其独特的光学、化学和热稳定性，以及离子导电性，长期以来被广泛应用于多个领域。特别是在辐射检测方面，LiF因其能够形成稳定的色心（Color Centers, CCs）而受到关注。色心是由于晶格中某些原子缺失或电子陷阱而产生的缺陷结构，这些结构在受到辐射照射后能够产生可见的光致发光现象。近年来，基于LiF中F?和F??色心的可见放射光致发光（Radiophotoluminescence, RPL）特性，LiF被开发为一种荧光核径迹探测器（Fluorescent Nuclear Track Detectors, FNTDs），用于记录和分析低能质子束的轨迹信息。

在实验中，研究人员利用热蒸发法在Si(100)基底上生长出光学透明的多晶LiF薄膜，并将其用于检测低能、近单色、准直的质子束。这些质子束的能量范围大约在1 MeV到6 MeV之间，是放射生物学实验中常见的能量区间。通过将LiF薄膜沿着质子束传播方向切割，并将薄膜边缘直接暴露在入射质子束中，研究人员成功记录了质子在LiF薄膜中的轨迹。在1 MeV能量下，单个质子轨迹可以清晰地被观察到，而在6 MeV能量下，由于多次库仑散射（Multiple Coulomb Scattering, MCS）的影响，轨迹主要集中在Bragg峰位置，即质子在Si基底中通常出现的深度。这一现象表明，LiF薄膜在不同能量下的响应特性有所不同，且基底材料对光致发光信号的增强具有重要作用。

为了提高检测的准确性和可靠性，研究人员采用两种不同的方法对实验数据进行分析。在1 MeV能量下，他们使用了一种随机优化算法，通过蒙特卡洛模拟生成不同能量下的Bragg曲线，并利用这些数据对实际测量的光致发光深度曲线进行拟合。这种方法能够有效提升能量谱的分辨率，从而更精确地估计质子束的能量分布。而在6 MeV能量下，由于MCS对质子迁移的影响显著，研究人员选择了FLUKA软件进行深度剂量曲线的模拟，以更真实地反映实验中观察到的光致发光特性。

LiF薄膜在质子束检测中的表现与其物理特性密切相关。首先，LiF的光学透明性使得其能够作为有效的探测材料，特别是在使用反射性Si(100)基底的情况下，光致发光信号得到了显著增强，甚至比使用玻璃基底时提高了50%。其次，LiF薄膜的厚度在1到2微米之间，这一范围内的薄膜能够有效减少背景干扰，提高图像对比度，从而有利于单个质子轨迹的记录。此外，LiF薄膜的均匀性和可重复性也得益于其在控制条件下生长的特性，特别是Si(100)基底的定向性，使得薄膜在结构和性能上更加一致。

在实验过程中，研究人员通过调整质子束的照射条件，如脉冲电荷和照射次数，来控制LiF薄膜的照射剂量。在1 MeV能量下，采用较低的照射剂量（约10? protons/cm2）可以清晰地记录单个质子轨迹，而在6 MeV能量下，较高的照射剂量（约101? protons/cm2）导致了轨迹的重叠，使得只能通过整体光致发光深度曲线来分析质子束的能量分布。通过对这些曲线的拟合，研究人员能够获得质子束的平均能量和能量展宽信息，这对于理解质子束在生物组织中的能量沉积具有重要意义。

此外，LiF薄膜的光致发光特性还与质子的线性能量传递（Linear Energy Transfer, LET）密切相关。在低能量下，质子的LET较高，导致其在LiF中的能量沉积更加集中，从而形成清晰的轨迹图像。而在高能量下，质子的LET较低，能量沉积分布更加广泛，使得轨迹主要集中在Bragg峰附近。这种特性使得LiF薄膜在不同能量下的应用具有灵活性，能够适应多种实验需求。

研究结果表明，LiF薄膜在质子束检测中展现出良好的性能，特别是在低能量范围内的应用。通过优化基底材料和薄膜厚度，研究人员能够有效提高光致发光信号的强度和对比度，从而实现更精确的质子轨迹记录和能量谱分析。同时，LiF薄膜的制备方法也得到了改进，使得其在实际应用中更加稳定和可靠。

总的来说，LiF薄膜作为一种新型的荧光核径迹探测器，在质子束检测中具有广阔的应用前景。其光学透明性、稳定的色心结构以及对基底材料的适应性，使其成为一种理想的探测材料。通过进一步的研究和优化，LiF薄膜有望在未来的放射生物学实验中发挥更大的作用，为质子治疗和相关研究提供更加精确和可靠的检测手段。