通过蒙特卡洛GEANT4和MCNP核代码对新型纳米复合材料MgO@PbO对光子的屏蔽性能进行合成与评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Synthesis and assessment of shielding features of the novel nanocomposite of MgO@PbO against photons via the Monte Carlo GEANT4 and MCNP nuclear codes

纳米复合材料MgO@PbO的合成及其对0.662MeV光子辐射的屏蔽性能通过实验与模拟方法评估。采用溶胶-凝胶法合成不同PbO含量的样品，利用XRD、SEM和FT-IR表征结构，计算线性衰减系数（LAC）等参数并与GEANT4、MCNP等模拟结果对比，证实Pb36样品屏蔽效果最佳。

　　

法尔扎德·伊萨扎德（Farzad Isazadeh）| 阿巴斯·尼库（Abbas Nikoo）| 阿克巴尔·阿卜迪·萨拉伊（Akbar Abdi Saray）

伊朗乌尔米亚大学物理系

摘要

本研究通过实验测量、模拟方法（使用GEANT4和MCNP代码）以及理论方法（使用Phy-X/PSD、XCOM、EpiXS和NGCal程序）评估了MgO@PbO纳米复合材料的屏蔽性能。首先合成了MgO@PbO纳米复合材料，然后通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对其结构进行了分析。计算了线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）、十分值层（TVL）、平均自由路径（MFP）、有效原子序数（Z_eff）和有效电子密度（N_eff）等屏蔽参数。实验测量和使用GEANT4、MCNP、Phy-X/PSD、XCOM、EpiXS及NGCal程序进行的模拟结果显示，Pb0、Pb5、Pb10、Pb15、Pb20和Pb36样品的LAC值分别为（0.0795?±?0.002、0.0761?±?0.001、0.0756、0.0773、0.0773、0.0772、0.0772?cm^{?1?1?1?1?1?13）和最大LAC值的Pb36样品是六种样品中最有效的屏蔽材料。}

引言

随着核辐射技术在医疗保健、工业、医学物理和空间应用等各个科学领域的进步，保护人类、动物、植物和环境免受带电和不带电核粒子辐射的有害影响已成为研究人员的重要课题（Sayyed, 2024a, 2024b; Sadeq et al., 2022）。近年来，人们合成了多种材料和复合材料用于核辐射屏蔽。由于不带电粒子的特性，保护环境免受光子和中子的影响更为困难。光子穿过材料时，根据其能量，可能发生五种类型的相互作用：光电吸收、康普顿散射、对产生、光核相互作用和瑞利散射（Arya et al., 2025; Braccini et al., 2024; Upmanyu et al., 2017）。含有高原子序数元素的材料和复合材料会增加这些相互作用的发生概率，因此这些材料可能是有效的光子屏蔽材料。过去几十年中，包括玻璃、混凝土、聚合物和合金在内的多种材料与Pb、Dy、Bi、W、Sn和Ti等高原子序数元素结合使用以屏蔽光子（Gaafar et al., 2021; ALMisned et al., 2024a; Y?lmaz and Akman, 2023; Niksarl?o?lu et al., 2024; ALMisned et al., 2024b）。例如，2022年Akman等人研究了聚酯/铌聚合物复合材料的光子屏蔽特性（Akman et al., 2022）。此外，Sayyed等人评估了Al₂O₃-PbO-SiO₂-B₂O₃-BaO玻璃系统的光子屏蔽性能（Sayyed et al., 2024）。同年，Sayyed等人还研究了能量在0.284至0.662?MeV之间的TeO₂-La₂O₃-WO₃玻璃系统的光子屏蔽特性（Sayyed, 2024c）。2024年，Aldawood等人评估了添加聚合物复合材料的钛合金的伽马辐射屏蔽性能。同年，Marashdeh和Mahmoud研究了CaO对聚酯光子屏蔽性能的影响（Marashdeh and Mahmoud, 2024）。Bijanu等人合成了用于伽马和中子屏蔽的铋/钨基聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮复合材料（Bijanu et al., 2024）。Ramadan等人研究了多种波特兰水泥复合材料对伽马源的屏蔽特性（Ramadan et al., 2024）。过去十年中，各种纳米复合材料在屏蔽应用中的使用引起了研究人员的关注（Al-Ghamdi et al., 2024; Khalil et al., 2024; Asgari et al., 2021; ?zdemir et al., 2018; Sabri et al., 2019）。将材料与纳米颗粒结合使用可以提高韧性、稳定性、耐热性和防止气体渗透的能力（Kassim et al., 2024, 2025）。2018年，Mahmoud等人通过添加氧化铅纳米和微颗粒增强了聚乙烯的屏蔽性能（Mahmoud et al., 2018）。2023年，通过添加重质纳米铁氧体改善了硬化水泥浆体的伽马射线屏蔽性能（Gharieb et al., 2023）。Negm等人使用纳米镉和纳米镍氧化物增强了粘土复合材料的光子屏蔽性能（Negm et al., 2024）。2025年，Khirade等人研究了钛酸盐纳米陶瓷的伽马射线屏蔽性能（Khirade et al., 2025）。Eskalen等人评估了掺铜氧化物纳米颗粒的钡硼酸盐玻璃的光学、机械、热和辐射屏蔽性能（Eskalen et al., 2025）。So?uksu等人评估了采用层压制造技术制备的ZnO掺杂薄膜的结构和辐射屏蔽性能（So?uksu et al., 2025）。最近，使用微/纳米碳化钨、SnO₂、CdO、SiO₂、纳米蜡/膨润土/g-C₃N₄-活性炭和纳米赤铁矿改善了聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、二甲基聚硅氧烷、重质混凝土、聚乙烯和粘土的防护性能（El-Khatib et al., 2024; Mourad et al., 2024; Gouda and Zard, 2024; Khan et al., 2024; El-Toony et al., 2025; Allam et al., 2025）。由于MgO纳米颗粒具有较大的表面积、高反应性、生物相容性、化学稳定性、生物降解性以及产生活性氧（ROS）的能力，因此具有抗菌和抗癌活性。这些特性使MgO成为医疗应用（如外科手术、牙科治疗和骨骼修复）中一种有前景的无毒纳米颗粒（Saberi et al., 2024; Gnanam et al., 2024; Thamizharasan et al., 2024; Almaghamsi, 2025; Imani et al., 2025）。作为全球最丰富的金属氧化物之一，MgO还可用于工业领域，特别是在电气和电子设备以及耐火材料中（Chinthala et al., 2021）。本研究中合成了MgO@PbO纳米复合材料，以研究其对能量为0.662?MeV的¹³⁷Cs源光子的屏蔽性能。使用高度稳定且环保的基底制备了MgO@PbO，采用自燃溶胶-凝胶法合成该复合材料。该方法显著降低了MgO的制备温度，废气仅包含CO₂、H₂O和N₂，证明了这是一种环保的合成方法。MgO的吸附能力使得制备出的纳米复合材料具有最大的活性物质含量。MgO@PbO在高温和反应条件下表现出结构稳定性，适用于多种工业应用。然而，PbO是一种有毒物质，会对环境和人类及动物健康造成危害，因此必须使用复合材料防止PbO泄漏到环境中。为了解决这些问题，采用了复合材料而非纯铅或PbO。此外，含有高原子序数元素Pb的PbO可以提高样品的屏蔽性能。实验计算了线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）、十分值层（TVL）、平均自由路径（MFP）、有效原子序数（Z_eff）和有效电子密度（N_eff），并与使用GEANT4和MCNP蒙特卡罗核代码以及在线程序Phy-X/PSD、XCOM、EpiXS和NGCal得到的模拟结果进行了比较。

样品制备

尿素（Urea）、Mg(NO₃)₂·6H₂O和Pb(OAc)₂·3H₂O从信誉良好的公司购买，未经纯化直接使用。使用D500型衍射仪（Siemens）对颗粒进行了X射线衍射（XRD）分析。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱在400–4000?cm^?1范围内进行，使用KBr盘在Thermo AVATAR光谱仪上进行。

傅里叶变换红外（FT-IR）光谱

图6显示了MgO和MgO@PbO（5-36%）纳米颗粒的FT-IR光谱。3696?cm^?1和3698?cm^?1处的峰对应于未结合氢键的O–H伸缩振动。3434–3450?cm^?1范围内的宽峰与吸收的水分子的伸缩有关（表3）。这些伸缩振动表明合成样品中存在氢键。

1417–1449?cm^?1处检测到的峰是弯曲振动

结论

合成了六种MgO@PbO纳米样品（Pb0–Pb36），并评估了它们的光子屏蔽性能（0.01–15?MeV）。使用XRD、SEM和FT-IR技术进行了结构表征。样品用¹³⁷Cs源（0.662?MeV）辐照，以实验测量MAC、LAC、HVL、TVL、MFP、Zeff和Neff参数。使用GEANT4、MCNP、Phy-X/PSD、XCOM、EpiXS和NGCal进行了模拟和理论计算。

资金声明

未收到任何资金、资助或其他支持。

CRediT作者贡献声明

法尔扎德·伊萨扎德（Farzad Isazadeh）：研究、软件开发、初稿撰写、审稿与编辑。阿巴斯·尼库（Abbas Nikoo）：数据分析、方法论、审稿与编辑。阿克巴尔·阿卜迪·萨拉伊（Akbar Abdi Saray）：数据分析、方法论、监督、验证、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们衷心感谢研究所负责人及全体工作人员考虑我们的论文并抽出时间进行研究。