Sm?O?和PbO在优化BaO-B?O?玻璃的机械性能、光学性能、结构性能以及辐射屏蔽性能方面的作用

《Applied Radiation and Isotopes》：The role of Sm 2O 3 and PbO in optimizing mechanical, optical, structural, and radiation shielding properties for BaO-B 2O 3 glasses

本研究采用熔融淬火法制备了TeO?-MoO?-SrO-BaO四组分玻璃（G1-G4），通过调整TeO?与MoO?的比例（0-20 mol%）探究其γ射线屏蔽性能。结果显示，玻璃密度随MoO?含量增加而降低（6.0992-5.7864 g/cm3），线性衰减系数（LAC）随能量升高而减小（0.459-0.303 cm?1），半价层（HVL）增大，辐射防护效率（RPE）为65%-82%。表明MoO?替代可优化玻璃的屏蔽效能与结构稳定性，为开发无铅透明辐射屏蔽材料提供新途径。

　　

Laith Ahmed Najam | Berivan F. Namq | Taha Yaseen Wais | Mohamed Y. Hanfi | Chaitali V. More | M.I. Sayyed

伊拉克摩苏尔大学科学学院物理系

摘要

本研究开发了一系列玻璃（G1-G4），具体为TeO₂-MoO₃-SrO-BaO玻璃，通过熔融淬火法评估其伽马射线屏蔽效果。在玻璃成分中，用MoO₃（0–20 mol%）替代TeO₂（60–40 mol%），同时保持SrO和BaO的含量分别为15 mol%和25 mol%。密度测量结果在6.0992至5.7864 g/cm³之间，随着MoO₃含量的增加，密度有所降低。随着光子能量（0.662–1.332 MeV）的增加，测量得到的线性衰减系数（LAC）从0.459 cm^-1下降到0.303 cm^-1，而半值层（HVL）从1.51 cm增加到2.29 cm，这表明在高能量下屏蔽效果减弱。辐射防护效率（RPE）在研究能量范围内为82%（G1）至65%（G4），这表明由于玻璃中的密度和有效原子序数，TeO₂的屏蔽特性得到增强。实验表明，所制备的TeO₂-MoO₃-SrO–BaO玻璃可能是无铅的、适用于伽马射线屏蔽的材料。

引言

高效且环保的伽马射线屏蔽材料因其在核医学、放射治疗和工业射线照相中的应用，以及在对电离辐射暴露时的安全性需求而受到广泛关注。多年来，唯一的屏蔽材料是铅及其合金。尽管这些材料由于铅的高密度和原子序数而具有良好的衰减能力，但由于其毒性、光学透明度低和机械柔韧性不足，现在限制了其使用。因此，开发无铅、透明且结构稳定的替代材料非常重要，这些材料应具备与铅基伽马射线屏蔽材料相同的性能（Boukhris等人，2021年；EL Azzaoui等人，2025年；Iliyasu等人，2025b年；Kavun等人，2024年；Naseer等人，2021a年，2021b年；Urtekin等人，2020年）。

重金属氧化物（HMO）玻璃作为有效的伽马射线屏蔽材料受到关注，因为它们具有高密度、化学和热稳定性、光学透明性，并且相对容易制造。在众多类型的HMO玻璃材料中，碲酸盐玻璃因其较高的密度（约5-6 g/cm³）、较高的有效原子序数、低声子能量以及出色的红外光和可见光透过率而被认为是最有前景的。因此，基于碲酸盐的HMO玻璃具有许多理想特性，适用于需要辐射阻挡的应用，以及同时需要透明性和保护的应用（ALMisned等人，2021年；Alrowaili等人，2026年；Boukhris等人，2021年；Singh等人，2014a年，2014b年；Tekin等人，2022年）。

将三氧化钼（MoO₃）引入碲酸盐玻璃网络中，通过生成新的MoO₄和MoO₆结构单元，提高了玻璃的成型能力以及机械稳定性和化学耐久性。用MoO₃替代TeO₂会影响玻璃的密度和有效原子序数，从而影响伽马射线的衰减效果。因此，为了实现最佳的辐射防护材料应用，需要在结构稳定性和屏蔽效率之间达到平衡（Abdel Wahab等人，2024年；Agar等人，2019年；Al-Buriahi等人，2024a年；Alsaiari等人，2025年；Fidan等人，2024年；Issa等人，2019年）。

网络改性氧化物，如氧化钡（BaO）和氧化锶（SrO），会影响玻璃基体的物理性质及其屏蔽伽马射线的能力。氧化钡（BaO）密度大且原子半径大，增加了光子与玻璃相互作用的机会（尤其是光电效应和康普顿散射过程）。氧化锶为玻璃基体提供了耐久性和稳定性。通过结合二氧化碲、三氧化钼、氧化钡和氧化锶，可以设计出具有多种伽马射线屏蔽效率的无铅玻璃（Alrebdi等人，2022年；Alrowaily等人，2025年；Altowyan等人，2024年；Chanthima等人，2017a年，2017b年；Narayanan和Shashikala，2016年；Ramesh Babu和Yusub，2020年；Sayyed等人，2021年）。

与以往主要研究二元或三元TeO₂-MoO₃或其他重金属氧化物-玻璃系统的不同，本研究提供了关于四组分玻璃基体系统（60-x）TeO₂-xMoO₃-15SrO-25BaO的信息，其中x = 0、5、10和20 mol%，采用熔融淬火法，并通过严格控制和系统的方法用MoO₃替代TeO₂，同时保持SrO和BaO的整体含量不变。这种结构/组成使得能够分别分析MoO₃融入TeO₂玻璃基体后的结构和放射学因素。此外，结果还对几种辐射屏蔽参数（如线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、平均自由路径（MFP）、透射系数（TF，%）和辐射防护效率（RPE，%）进行了广泛的实验分析，这些参数针对来自临床和工业重要源的铯137（Cs-137）和钴60（Co-60）的伽马射线，并将实验结果与PhyX/PSD软件的理论预测以及之前研究的高密度玻璃系统进行了比较。

样本制备

样品制备

玻璃样品（G1-G4）采用熔融淬火技术制备。高纯度氧化物（TeO₂、MoO₃、SrO、BaO ≥ 99.9%）精确称重（±0.1 mg），混合后用玛瑙研钵研磨2小时。将均匀混合物在铂坩埚中于950°C（±5°C）下加热2小时，然后在预热的黄铜模具（300°C）中迅速淬火以防止结晶。样品在300°C下退火3小时，冷却速度为1°C/分钟。

结果与讨论

密度研究表明，随着MoO₃含量的增加，密度呈下降趋势（见图3）。G1的密度最高（6.0992 g/cm³），其中含有最多的TeO₂（60 mol%）且不含MoO₃；而G4的密度最低（5.7864 g/cm³），其中20 mol%的TeO₂被MoO₃替代。这种行为首先可以用Te和Mo的摩尔质量和原子量来解释。碲（Te）的原子质量大于钼（Mo）。

结论

通过使用0.662、1.173和1.332 MeV的光子能量，系统地研究了TeO₂-MoO₃-SrO-BaO玻璃系统的伽马射线衰减效率。由于较重的TeO₂被较轻的MoO₃替代，玻璃密度从6.0992 g/cm³（G1）降至5.7864 g/cm³（G4）。线性衰减系数（LAC）从0.459 cm^-1（0.662 MeV）降至0.303 cm^-1（1.332 MeV），半值层（HVL）也相应变化。

CRediT作者贡献声明

Chaitali More：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论制定、研究实施、资金获取、数据分析、概念化。 M.I. Sayyed：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论制定、研究实施、资金获取、数据分析。

未引用参考文献

Al-Buriahi等人，2020年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

伦理批准声明

本研究未涉及人类参与者或动物实验。所有实验程序均符合机构和国际伦理标准。