利用伽马放射性、总阿尔法放射性和总贝塔放射性对本地开采的原油炼油厂产生的普通废物（NORM Waste）进行辐射危害评估

《Radiation Physics and Chemistry》：Radiation Hazard Evaluation of NORM Waste produced by locally extracted Crude Oil Refinery using Gamma Activity, Gross-Alpha Activity, and Gross-Beta Activity

TeO2-Bi2O3-Li2O-ZnO-WO3玻璃经熔融淬火法制备，系统研究其结构、光学及辐射屏蔽性能。XRD和FTIR表明5-20 mol% WO3掺杂使网络致密化，非桥氧含量提升。UV-Vis光谱显示带隙收窄至2.95 eV，折射率随WO3含量增加而上升。MCNP与Phy-X/PSD模拟验证，20% WO3时玻璃对0.015-15 MeV光子的线性衰减系数达481.946 cm?1，中子有效去除截面0.116 cm?1，性能优异。

　　

乌斯曼·伊利亚苏（Usman Iliyasu）| M.S. 阿尔-布里亚希（M.S. Al-Buriahi）| 阿里·埃尔-雷耶斯（Ali El-Rayyes）| 纳达·阿尔弗里扬（Nada Alfryyan）| 阿纳斯·谢胡（Anas Shehu）| M. 巴图雷（M. Bature）

尼日利亚索科托州立大学物理系

摘要

具有辐射屏蔽能力的透明玻璃的制备在辐射防护领域引起了广泛关注。本研究探讨了通过传统熔融淬火技术制备的WO₃改性TeO₂+10Bi₂O₃+15Li₂O+10ZnO玻璃的结构、光学和辐射屏蔽性能。随着WO₃添加量的增加（5%和20%），玻璃密度从5.812 g/cm³增加到6.352 g/cm³，摩尔体积从28.66 cm³/mol降低到27.93 cm³/mol，这表明玻璃网络发生了变化，自由体积减少，结构更加致密。XRD分析显示其非晶态特性，FTIR分析证实了结构的稳定性，表明WO₃的添加通过破坏[TeO₄]中的T-O键合，将其转化为额外的[TeO₃]单元，从而增加了非桥接氧（NBO）的含量。紫外-可见光谱分析显示WO₃的添加提高了电子极化率，并在带隙中产生了局域态，使带隙从3.05 eV缩小到2.95 eV，同时折射率随着WO₃含量的增加而上升（5%和20%）。通过MCNP和Phy-X/PSD模拟的辐射屏蔽性能显示出良好的一致性，偏差小于3%，在0.015至15 MeV的光子能量范围内。掺有20% WO₃的玻璃获得了最高的LAC（光子吸收系数）为481.946 cm^-1和快速中子的有效去除截面为0.116 cm^-1

引言

伽马射线主要用于放射治疗以瞄准癌性肿瘤。相比之下，X射线是医学诊断中用于无创成像的重要电磁辐射成分，可用于检测癌症和骨折。然而，由于X射线具有使原子电离的能力，因此在工业和医疗环境中使用会带来风险，因为它们可以穿透组织，干扰细胞过程，从而增加长期暴露或组织损伤导致癌症的风险（Saha, 2023）。国际辐射防护委员会（ICRP）于1977年制定了“尽可能低的合理可达到水平”（ALARA）原则，为电离辐射防护提供了策略（Nzivulu, Hashim, Musila, Otieno, & Wanjala, 2024）。该策略包括设定与辐射环境的最大距离、限制在该环境中的工作时间以及使用辐射屏蔽材料防止电离辐射进入不希望的位置（Abou Hussein & Madbouly, 2024）。由于辐射衰减材料是防护电离辐射的最佳选择，因此已经研究并提出了多种材料来保护人类和环境免受意外辐射暴露。屏蔽材料受多种因素影响，如成分、屏蔽效率、厚度、电离辐射的强度以及材料的有效原子序数（Zhang & Zhang, 2025）。

传统的屏蔽材料，如混凝土、地质聚合物、合金和铅，对光子和中子辐射的屏蔽效果各不相同（Al-Buriahi, K?rkb?nar等人，2024；Echeweozo, Alomairy, Alsaiari, & Al-Buriahi, 2024）。尽管铅由于其高密度和原子序数（ρ = 11.34 g/cm³, Z = 82）仍是一种出色的屏蔽材料（Iliyasu, Sanusi, & Ahmad, 2023；Mwakuna, Manepalli, & Laxmikanth, 2024；Sayyed, 2024b），但其毒性和较差的机械强度限制了其实际应用。此外，混凝土的缺点，如重量大、不透明、产生CO₂排放以及需要大量空间，加剧了对能够有效衰减高能光子的替代透明材料的探索（Al-Ghamdi等人，2021；Fathy等人，2024；Ihsani, Gareso, & Tahir, 2024；Iliyasu等人，2023；Sayyed, Abdo, Ali, Ahmed, & Sadeq, 2023；Wang等人，2024）。

玻璃是一种非晶材料，通过熔化玻璃形成剂和改性剂并迅速冷却熔体以防止结晶而制成。这一过程产生了一种透明且坚硬的物质（Kurtulus, 2024）。玻璃具有可调的化学、结构和机械性能，使其适用于光子学和光电子学应用，通过掺入重金属氧化物（如WO₃、Bi₂O₃和CdO）可以增强其衰减光子的能力（Abouhaswa, Sayyed, Altowyan, Al-Hadeethi, & Mahmoud, 2020；Al-Buriahi, 2023；Iliyasu, Sanusi, Ahmad, Al-Buriahi, Thabit, Bature等人，2025）。

可以使用TeO₂作为主要玻璃形成剂来制备辐射屏蔽玻璃。在这种系统中，TeO₂中的三角双锥形[TeO₄]单元通过共享顶点连接在一起，形成连续的网络。引入网络改性剂（如碱金属（AM）和碱土金属（AEM）会破坏[TeO₄]单元内的Te-O-Te键合（Li等人，2022）。TeO₂的高密度显著提高了玻璃的整体密度，从而增强了其对电离辐射的抵抗能力（Sayyed, Biradar, & Maghrbi, 2025）。将Bi₂O₃掺入TeO₂结构中可以增强光学非线性响应，并提高光子吸收性能，这在B₂O₃-ZrO₂-Na₂O–K₂O-SiO₂-Al₂O₃-ZnO-CaO玻璃陶瓷（Alsaiari, Iliyasu, Ibrahimoglu, & Al-Buriahi, 2025）、B₂O₃-ZnO-Pb₃O₄-Bi₂O₃玻璃（Iliyasu, Sanusi, Ahmad, Al-Buriahi, Thabit, & Sifawa, 2025）和Na₂O–BaO-Fe₂O₃-Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂-CaO（Alrowaili等人，2025）中得到了证实。Li₂O和ZnO作为玻璃改性剂，通过破坏Te-O-Te键合降低了网络的刚性并降低了玻璃的转变温度（Algradee, Elbashar, Alwany, Hassan, & El-Mallawany, 2022；Ghosh, Biswas, Mondal, & Adhikari, 2025）。钨是一种硬质过渡金属，密度为（ρ = 19.250 g/cm³），WO₃因其光致变色行为而闻名，可以实现光学调制，同时提高玻璃的密度和辐射衰减性能（Elqahtani, Iliyasu, Shehu, El-Rayyes, & Al-Buriahi, 2025；Usman, Sanusi, Ahmad, & bin Shaharin, 2023）。因此，含有WO₃的玻璃具有出色的光学清晰度和更高的光子屏蔽能力。例如，向锑玻璃中添加40%的WO₃可以提高线性衰减系数，这表明WO₃的高密度使其具有优异的辐射屏蔽效果（AlMisned等人，2023）。B₂O₃-TeO₂-GeO₂-MgO-WO₃玻璃的折射率从2.32139增加到2.47026，LAC从147.27 cm^{-1-1（Hamad, 2025）。同样，添加25%的WO₃后，TeO₂-La₂O₃-WO₃玻璃的密度增加到6.130 g/cm3，质量衰减系数为0.154 cm2/g（Sayyed, 2024a）。最近，B₂O₃-Li₂O-ZnO-WO₃玻璃成分中加入了Bi₂O₃，结果表明屏蔽能力有所提高，但随着Bi₂O₃含量的增加，不透明度也增加了（Usman, Sanusi, Ahmad, & Thabit, 2024）。由于WO₃可以提高玻璃的光学清晰度，而TeO₂具有更高的原子质量、更高的折射率，并且能容纳更多的重金属氧化物，本研究旨在通过成分优化来实现更优的无铅光学和辐射屏蔽玻璃系统。}

材料与方法

玻璃的组成为TeO₂+10Bi₂O₃+15Li₂O+10ZnO+WO₃，其中WO₃的添加量在5%到20%之间，采用传统的熔融淬火技术制备。所使用的化学纯度为99.9%的TeO₂、99.8%的Bi₂O₃、99.9%的Li₂O和99.9%的ZnO以及99.9%的WO₃，均来自Sigma Aldrich公司，无需进一步纯化。将15克的粉末按比例混合后研磨15分钟，以获得均匀的粉末。

TW玻璃的物理性质

如图2所示，随着WO₃浓度的增加，合成玻璃的物理属性（如密度）提高，摩尔体积减小。TW5样品的密度最低为5.812 g/cm³，TW20样品的密度最高为6.325 g/cm³。随着WO₃含量的增加，摩尔体积从28.66 cm³/mol降低到27.93 cm³/mol，表明玻璃网络更加紧密。

结论

基于TeO₂+10Bi₂O₃+Li₂O+ZnO+WO₃组成的玻璃通过熔融淬火方法成功制备，可用于屏蔽光子辐射。由于玻璃基质中WO₃浓度的增加，玻璃的物理、结构、光学和辐射衰减性能发生了变化。WO₃含量的增加使得单位体积内的质量更加紧密，密度从5.812 g/cm³（TW5）增加到6.352 g/cm³（TW20）。

作者贡献声明

阿里·埃尔-雷耶斯（Ali El-Rayyes）：资金获取、数据管理。M.S. 阿尔-布里亚希（M.S. Al-Buriahi）：软件、方法论。阿纳斯·谢胡（Anas Shehu）：验证、研究。纳达·阿尔弗里扬（Nada Alfryyan）：写作——审稿与编辑、监督、资金获取。M. 巴图雷（M. Bature）：可视化、项目管理、概念化。乌斯曼·伊利亚苏（Usman Iliyasu）：写作——初稿、正式分析

未引用的参考文献

Al-Buriahi等人，2024；Al-Buriahi等人，2024；Al-Buriahi等人，2020；Al-Buriahi等人，2024；Al-Buriahi等人，2024；Iliyasu等人，2025；Sayyed等人，2025；Zhou等人。

利益冲突声明

无

致谢

作者感谢沙特阿拉伯的北方边境大学通过项目编号（NBU-CRP-2025-2985）对这项工作的财务支持。此外，作者还要感谢利雅得沙特阿拉伯的努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学（Princess Nourah bint Abdulrahman University）的研究人员通过项目编号（PNURSP2025R291）提供的财务支持。