[論文レビュー] Kinetic Parameters analysis of GdAlO$_3$ based on thermoluminescent phenomenon

D. Nolasco-Altamirano, C. S. Romero-Nuñez+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2024

Luminescence Properties of Advanced MaterialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、複数の脱結合法を用いて合成GdAlO₃ phosphorsの熱ルミネッセンス（TL）動力学的パラメータを分析し、重なり合うピークを解離するのに最も効果的であるとされるComputing Glow Curve Deconvolution（CGCD）法を同定した。結果として、連続的および離散的成分を有する複雑なトラップ分布が明らかとなり、線量計測応用に不可欠な詳細な活性化エネルギーおよび周波数因子が得られた。

ABSTRACT

{We herein report on the calculation of thermoluminescence (TL) kinetic parameters determined from the TL emission of synthetic GdAlO3 (GAO) phosphors prepared by the co-precipitation method. The sample, characterized by means of X-ray diffraction with an orthorhombic phase structure (space group Pnma (62), shows complex glow curves consisting of at least four groups of components peaked at 100, 140, 240, and 290 °C where the two lower overlapped temperature peaks are difficult to identify using the $T_M-T_{stop}$. The coexistence of a continuum in the trap distribution (linked to the lower temperature peaks) and a discrete trap system (associated with the components at temperatures higher than 200 °C) can be distinguished. The estimation of the TL kinetic parameters is performed using GlowFit, TLAnal, the spreadsheet Origin, Computing Glow Curve Deconvolution (CGCD), and various heating rate (VHR) methods. However, only CGCD appears as the suitable technique for such purpose since it provides information on the TL physical process supported by mathematical models based on a linear combination of functions related to the First Order Kinetic approach.

研究の動機と目的

• 共沈殿法で調製した合成GdAlO₃ phosphorsの熱ルミネッセンス（TL）動力学的パラメータを特定すること。
• 重なり合うピークを有する複雑なグロー曲線を分析することで、GdAlO₃内のトラッピング中心の性質を調査すること。
• GlowFit、TLAnal、Origin、VHR、CGCDの複数のTL解析手法が、動力学的パラメータを解離する性能を比較すること。
• ピーク形状および加熱速度依存性に基づき、連続的および離散的トラップ分布を区別すること。
• 将来の放射線線量計測応用を想定した、GdAlO₃におけるTL挙動の包括的特徴付けを提供すること。

提案手法

• 共沈殿法を用いてGdAlO₃ phosphorsを合成し、X線回折（XRD）で特性評価を行い、正交晶系（空間群Pnma、No. 62）の構造を確認した。
• 異なる加熱速度で熱ルミネッセンスグロー曲線を取得し、動力学的挙動およびピーク解離を検討した。
• 複数の解析手法を適用：GlowFitによる曲線フィッティング、TLAnalによる脱結合、Originによるデータ可視化、VHRによる動力学的パラメータ推定。
• グロー曲線を一次動力学関数の線形結合でモデル化する、Computing Glow Curve Deconvolution（CGCD）法を用いた。
• ピーク挙動を評価し、トラップ分布の種類（連続的 vs. 離散的）を推定するために、$T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 法を用いた。
• 複数の手法間で活性化エネルギー（$E_a$）、周波数因子（$s$）、および動力学的次数（$b$）を比較することで、結果の物理的整合性を評価した。

Figure 2: Thermoluminescence glow curves of GdAlO 3 after being exposed to 13.2 Gy beta radiation using different heating rate values (0.5 – 10 K/s).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GdAlO₃における熱ルミネッセンスグローピークの動力学的パラメータ（活性化エネルギー、周波数因子、動力学的次数）は何か？
• RQ2 GlowFit、TLAnal、Origin、VHR、CGCDといった異なる脱結合法は、GdAlO₃における重なり合うTLピークを解離する際に、どのように比較されるか？
• RQ3 GdAlO₃におけるトラップ分布の性質は連続的か離散的か。その特徴はグロー曲線の形状にどのように反映されるか？
• RQ4 加熱速度の変化がピーク位置および形状に与える影響はどの程度か。その影響は、背後にあるトラッピング機構をどのように示唆するか？
• RQ5 複雑なグロー曲線を有するGdAlO₃におけるTL過程を最も正確かつ物理的に整合性のある形で記述するのはどの手法か？

主な発見

• GdAlO₃のTLグロー曲線は、100 °C、140 °C、240 °C、290 °Cにピークを持つ少なくとも4つの成分を示し、最初の2つのピークは重なりを示し、$T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 法では解離が困難である。
• 低温ピーク（100 °Cおよび140 °C）は連続的トラップ分布に関連づけられ、高温ピーク（240 °Cおよび290 °C）は離散的トラップ系が支配的である。
• 検証された手法の中で、CGCDが最も正確かつ物理的に整合性のある動力学的パラメータの解離を提供した。一次動力学モデルとの整合性が裏付けられた。
• $T_{ ext{max}} - T_{ ext{stop}}$ 法は準連続的トラップ分布を示唆しており、停止温度が高くなるとピーク位置が上昇する傾向を示した。
• VHRおよびピーク形状法は、重なり合うピークに対して感受性が高く、特に最初の2成分に関して誤解釈を招く可能性がある。
• 本研究では、複数の手法を組み合わせることで動力学的パラメータ推定の信頼性が向上することを確認した。特に、複雑で重なりのあるグロー曲線に対してはCGCDが最適である。

Figure 3: X-ray diffraction pattern of GdAlO 3 powders. The diffraction peaks correspond to an orthorhombic crystal structure in the Pnma (62) space group, consistent with JPCDS Card No. 48-0310. The narrow and sharp (132) and (231) peaks indicate good crystallization characteristics.