BaO对B2O3-CaO-MgO-ZnO-La2O3玻璃物理、光学及辐射屏蔽性能的影响——用于伽马射线和中子防护应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Influence of BaO on the Physical, Optical, and Radiation-Shielding Properties of B 2O 3-CaO-MgO-ZnO-La 2O 3 Glasses for Gamma and Neutron Protection Applications

硼酸盐玻璃中BaO含量对物理光学及辐射屏蔽性能的影响研究表明，随着BaO负载量增加，玻璃密度和分子量显著提升，结构更致密，但光学带隙减小，Urbach能量增大，缺陷增多。在辐射防护方面，BCMZL18玻璃在低能（0.015 MeV）和高能（15 MeV）下均表现出优异的衰减性能，质量衰减系数达29.706 cm2/g，特别适合医疗屏蔽应用。

　　

M.I. Sayyed|Shrikant Biradar|Shams A.M. Issa

约旦安曼伊斯拉大学理学院物理系

摘要

本研究开发了一系列含有B₂O₃、CaO、MgO、ZnO、BaO和La₂O₃的玻璃，以探讨BaO对其物理、光学和辐射防护特性的影响。研究结果表明，随着BaO含量的增加，玻璃的密度从3.111±0.001 g/cm³增加到3.738±0.001 g/cm³，分子量从76.88±0.01 g/mol增加到86.93±0.01 g/mol，表明其结构更加致密。紫外-可见光吸收光谱显示吸收边缘发生红移，光学带隙值从3.83±0.01 eV下降到3.17±0.01 eV（直接跃迁），以及从3.27±0.01 eV下降到2.77±0.01 eV（间接跃迁），这表明形成了非桥接氧原子。此外，Urbach能量从0.252±0.001 eV增加到0.499±0.001 eV，表明玻璃中的缺陷增多。折射率和极化率也有所增加，而金属化值从0.40±0.01降低到0.37±0.01，表明这些玻璃具有非导电性。光学碱度从1.26±0.01增加到1.33±0.01，表明离子键合特性增强。使用Phy-X/PSD软件评估了辐射防护性能：随着光子能量从0.015 MeV增加到15 MeV，线性衰减系数（G_LAC）从62.51 cm^?1（BCMZL6）降低到0.074 cm^?1（BCMZL18），从111.042 cm^?1降低到0.106 cm^?1。在低能量（0.015 MeV）下，半值层厚度（G_HVL）从0.011 cm降低到0.006 cm；而在高能量（15 MeV）下，半值层厚度从9.415 cm增加到6.569 cm。对于带电粒子衰减，对质子和α粒子的评估表明BCMZL18具有更好的衰减性能。快速中子去除截面（Σ_R）的结果进一步证实BCMZL18是最有效的中子吸收剂。基于这些结果，BCMZL18在0.015 MeV（最低能量）时的质量衰减系数为29.706 cm²/g，在15 MeV（最高能量）时为0.028 cm²/g，使其适用于高级屏蔽应用，如放射治疗和核医学。

引言

在医疗保健等各个领域，辐射暴露是一个亟待解决的问题。因此，通过有效的屏蔽方法或材料来最小化辐射的危害至关重要（Chaiphaksa等人，2022年；Dong，2025年；Lakshminarayana等人，2020年；Manjunatha等人，2023年；Mhareb等人，2024年）。为此，识别能够最小化辐射暴露的合适材料或设备是必要的。

最近的研究集中在开发先进的材料上，这些材料既能提供高效的辐射屏蔽，又易于制造，且在减少辐射方面更有效，并适用于各种形状和应用。这些改进旨在提高防护性能，同时降低材料重量、环境影响和生产成本。玻璃是一种常用的辐射屏蔽材料，因为它具有透明度高和清晰度好的显著特性。这些特性使其在面罩、护目镜和玻璃板等应用中具有良好的可见性，同时提供良好的辐射屏蔽效果（Geidam等人，2022年；Kaewjaeng等人，2019年；Katubi等人，2024年；Pacheco等人，未注明日期；Zubair等人，2022年）。

掺杂重金属氧化物的硼酸盐玻璃具有理想的辐射屏蔽性能（Abouhaswa和Kavaz，2020a, 2020b；Katubi等人，2023年；Rajesh和Kavaz，2021年；M I Sayyed等人，2025e）。硼酸盐在低温下熔化，因此可以使用合适的熔炉快速制备玻璃，风险较低。硼酸盐玻璃具有广泛的成分灵活性、高光学透明度、高稀土溶解度、可调的机械耐用性、优异的电学性能以及成本效益高的原材料，促使研究人员探索其在各个领域的应用（Almuqrin等人，2024年；Alzahrani等人，2023年；Kaky等人，2025年；M I Sayyed等人，2025b；Sayyed等人，2024年）。值得注意的是，硼酸盐玻璃在放射治疗、核医学、辐射检测、核研究和废物管理等多个领域有着重要的应用。

除了氧化硼外，还可以添加重金属氧化物和稀土氧化物（REOs）来制备有效的、高质量的玻璃组合物，以提供辐射屏蔽性能。使用ZnO、BaO、PbO、Bi₂O₃和WO₃等重金属氧化物可以增加玻璃的密度。高密度玻璃（如含铅玻璃）由于具有更强的吸收有害电离辐射的能力，因此表现出良好的辐射屏蔽效果，这些辐射有多种形式，每种形式都有不同的物理特性和屏蔽要求。α粒子（4–9 MeV）具有高度电离性，但穿透范围较短。吸入或摄入后会对健康造成严重威胁。β粒子是高能电子或正电子，能量可达数MeV，可以穿透人体皮肤，但可以通过铝等低Z值材料阻挡。γ射线和X射线是高能光子（0.1-10 MeV），可以轻易穿透物体，因此需要使用铅、钨或定制的重金属氧化物等重屏蔽材料（Abdel-Gawad等人，2024年；Al-Buriahi等人，2025年；Basha等人，2023年；Mariselvam和Liu，2022年；Rao等人，2023年）。密度增加还增强了玻璃的衰减性能，多项研究分析了衰减参数（如质量衰减系数）以了解玻璃的辐射屏蔽行为（Alrowaili等人，2024年；Elsafi等人，2024年；Eskalen等人，2023年；Kaur等人，2023年；Zanganeh，2022年）。

此外，添加REOs（La₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃和Nd₂O₃）对促进玻璃的辐射屏蔽性能起着重要作用。这种效应归因于它们的高原子序数、增加的玻璃密度、增强的相互作用截面以及更高的有效原子序数。REOs还通过引入较重的阳离子（高原子量）和高度极化的稀土离子来提高玻璃的折射率。它们还降低了光学带隙，因为RE³⁺离子的强场强度扰乱了玻璃网络，降低了氧与形成网络的阳离子之间的键能，从而增强了紫外线吸收。REOs的低毒性使它们能够在多种应用中使用。REO掺杂的玻璃不仅保持透明性，还呈现出鲜艳的颜色，从而扩展了其应用范围，特别是在光学技术领域。基于这些特性，REO掺杂的玻璃在放射治疗、核医学、辐射检测、核研究和废物管理中得到了有效应用（Acikgoz等人，2024年；Al-Buriahi等人，2024年；Dogru等人，2024年；Yorulmaz等人，2024年）。

本研究开发的B₂O₃-CaO-MgO-ZnO-BaO-La₂O₃玻璃系统提供了一种新型的无铅组合物，具有可调的B₂O₃/BaO比例、高玻璃密度以及低摩尔体积和氧填充密度。此外，它还降低了直接和间接光学带隙。增加BaO含量可以提高线性衰减系数。高Z值氧化物（如BaO、ZnO和La₂O₃）在保持透明度和结构强度的同时增强了γ射线的衰减效果。该系统独特地结合了清晰度和屏蔽性能，适用于放射治疗和核医学。

部分内容

玻璃制备

根据以下化学组成，采用标准熔融-淬火方法制备了一系列含有不同BaO含量的B₂O₃基玻璃：(77-y)B₂O₃-5CaO-4MgO-13ZnO-yBaO-1La₂O₃；其中y = 6、10、14和18 mol%。制备的玻璃分别标记为BCMZL6、BCMZL10、BCMZL14和BCMZL18。高纯度的初始材料（包括H₃BO₃、CaO、MgO、ZnO和La₂O₃）按化学计量比精确称量并充分混合

物理特性分析

对制备的玻璃的物理特性进行了全面研究，相关数据列于表2中。随着玻璃配方中BaO的摩尔百分比从6%增加到18%，玻璃的密度（ρ）从3.111±0.001 g/cm³增加到3.738±0.001 g/cm³，分子量（M_W）从76.88±0.01 g/mol增加到86.93±0.01 g/mol，显示出明显的增加趋势。这种ρ和M_W的一致性提高主要归因于系统的替换

结论

在B₂O₃基玻璃系统中加入BaO显著影响了其物理、光学和辐射衰减特性。BaO含量的增加导致玻璃基体的结构更加致密，表现为密度增加和摩尔体积减小。这种结构致密化伴随着OPD（光学带隙）从60.301±0.001 eV降低到50.957±0.001 eV，表明形成了非桥接氧原子（NBOs），玻璃网络更加松弛。紫外-可见光分析证实了玻璃的非晶态特性

CRediT作者贡献声明

Shrikant Biradar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，实验研究，数据分析。M. I. Sayyed：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，实验研究，数据分析，概念构思。Shams A.M. Issa：撰写 – 原稿，验证，软件使用，实验研究，数据分析

未引用参考文献

Al-Taani和Hamad，2025年；Bashter，1997年；Ho?g?r等人，2025年；More等人，2025年；Ornketphon等人，2025年。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本手稿所介绍研究的已知财务冲突或个人利益关系。