对基于钚和镅的中子源所获得的光谱测量结果进行比较分析

《Applied Radiation and Isotopes》：Comparative analysis of spectrometry results obtained for plutonium and americium-based neutron sources

本研究采用熔融淬火法制备了TeO2-MoO3-SrO-BaO系列玻璃，系统评估了其γ射线屏蔽性能。通过将TeO2以0-20 mol%比例替换为MoO3，发现玻璃密度从6.0992 g/cm3降至5.7864 g/cm3，而线性衰减系数（LAC）随能量升高呈下降趋势（0.459-0.303 cm?1），半值层（HVL）增加0.78 cm。实验表明，该玻璃体系在0.662-1.332 MeV能区具有82%-65%的辐射防护效率（RPE），证实钼氧化物替代可优化铅-free玻璃的屏蔽特性，兼具透明性和结构稳定性。

　　

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

伊拉克摩苏尔大学理学院物理系

摘要

本文研究开发了一系列玻璃（G1-G4），具体为TeO₂-MoO₃-SrO-BaO玻璃，采用熔融淬火法评估其伽马射线屏蔽效果。在玻璃配方中，通过用MoO₃（0–20 mol%）替代TeO₂（60–40 mol%）来制备这些玻璃，同时保持SrO和BaO的含量分别为15 mol%和25 mol%。测得的玻璃密度范围为6.0992至5.7864 g/cm³，随着MoO₃含量的增加，密度有所下降。随着光子能量（0.662–1.332 MeV）的增加，线性衰减系数（LAC）从0.459 cm^-1降至0.303 cm^-1，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）在所研究的能量范围内为82%（G1）至65%（G4），这表明由于TeO₂的密度和有效原子序数，其屏蔽特性得到提升。实验表明，所制备的TeO₂-MoO₃-SrO–BaO玻璃可能是无铅的、具有优异伽马射线屏蔽性能的材料。

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防止电离辐射暴露的安全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差，现在已限制了其使用。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；EL Azzaoui等人，2025；Iliyasu等人，2025b；Kavun等人，2024；Naseer等人，2021a, 2021b；Urtekin等人，2020）。

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。在多种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、较低的光子能量以及出色的红外光和可见光透过率而备受青睐。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要求透明性和保护的应用（ALMisned等人，2021；Alrowaili等人，2026；Boukhris等人，2021；Singh等人，2014a, 2014b；Tekin等人，2022）。

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，实现碲酸盐-钼酸盐系统的结构稳定性和屏蔽效率之间的平衡对于作为辐射防护材料的最佳应用至关重要（Abdel Wahab等人，2024；Agar等人，2019；Al-Buriahi等人，2024a；Alsaiari等人，2025；Fidan等人，2024；Issa等人，2019）。

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）密度高且原子半径大，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；Alrowaily等人，2025；Altowyan等人，2024；Chanthima等人，2017a, 2017b；Narayanan和Shashikala，2016；Ramesh Babu和Yusub，2020；Sayyed等人，2021）。

与以往主要研究二元或三元TeO₂-MoO₃或其他重金属氧化物-玻璃系统不同，本研究采用熔融淬火法，对四组分玻璃基体（60-x）TeO₂-xMoO₃-15SrO-25BaO（其中x = 0, 5, 10, 20 mol%）进行了系统研究，严格控制和系统地用MoO₃替代TeO₂，同时保持SrO和BaO的恒定含量。这种结构/成分使得可以分别分析MoO₃掺入TeO₂玻璃基体后的结构和辐射学特性。此外，还对多种辐射屏蔽参数（如线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、平均自由路径（MFP）、透射率（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来源的铯137（Cs-137）和钴60（Co-60）的伽马射线，并将实验结果与PhyX/PSD软件的理论预测进行了比较。

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，并控制冷却速度（1°C/min）。

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），因为其中含有最多的TeO₂（60 mol%）且不含MoO₃；而G4的密度最低（5.7864 g/cm³），因为其中20 mol%的TeO₂被MoO₃替代。这种行为首先可以通过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、项目统筹、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构建。 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、项目统筹、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析。

未引用参考文献

Al-Buriahi等人，2020。

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。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。