通过碘化银改性技术调控锰铅硼酸盐玻璃的光学和辐射屏蔽性能

《Applied Radiation and Isotopes》：Tailoring Optical and Radiation Shielding Properties of Manganese Lead Borate Glasses via Silver Iodide Modification

本研究通过掺杂AgI于锰铅硼酸盐玻璃中，分析了结构、物理及辐射屏蔽性能的变化。实验表明，AgI的掺入提高了玻璃密度（3.12-3.36 g/cm3），降低了光学带隙（2.96-2.87 eV），并增强了对γ射线和中子的屏蔽能力，其中蒙特卡洛模拟显示AgI浓度增加显著提升中子去除截面。

　　

伊斯兰·M·纳比尔|阿什拉夫·A·阿布勒-马格德|赫沙姆·M·H·扎卡利|萨梅赫·A·埃尔哈米德|南希·N·埃莱瓦|沙阿班·M·沙阿班|伊斯兰·N·法提

埃及法尤姆大学理学院物理系

摘要

本研究探讨了将碘化银（AgI）掺入硼酸盐玻璃基体后所引起的结构和物理变化。合成了具有以下通用公式的玻璃系列：((75-x)B₂O₃ + 20PbO + 5MnO₂ + xAgI)，其中0 ≤ x ≤ 2.0摩尔%，以0.5摩尔%为增量。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、光学光谱、密度测量和其他分析工具对玻璃样品进行了研究。此外，还利用蒙特卡洛模拟和Phy-X软件评估了所研究玻璃系统的辐射屏蔽性能，重点关注了线性衰减系数（μ）、质量衰减系数（μ_m）、半值层（HV）等参数。实验结果表明，随着AgI含量从0增加到2.0摩尔%，密度线性增加了7.7%，从3.12克/立方厘米增加到3.36克/立方厘米，而摩尔体积从32.4立方厘米/摩尔减少到31.1立方厘米/摩尔。FT-IR分析表明，AgI作为晶格改性剂，促进了BO₄单元向BO₃单元的转化，从而增加了非桥接氧（NBOs）的浓度。这些结构变化以及内部晶格无序性的增加导致光学带隙从2.96电子伏特减少到2.87电子伏特，减少了3.04%。光学光谱进一步显示，Ag⁺离子影响了锰的配位，使得Mn²⁺离子从四面体位点转移到八面体位点。屏蔽分析确认线性衰减系数的顺序为：BPbMnAg0.0 < BPbMnAg0.5 < BPbMnAg1.0 < BPbMnAg1.5 < BPbMnAg2.0。此外，计算出的有效去除截面表明，增加AgI浓度显著增强了快中子的去除能力。这些发现表明，掺杂AgI的锰铅硼酸盐玻璃是先进光子和中子屏蔽应用的理想候选材料。

引言

技术进步使得人工电离辐射在工业、医疗和核领域得到广泛应用[1]。高能光子与人体组织相互作用时可以电离水分子，这可能导致细胞损伤和一系列不良健康影响，包括癌症、恶心、呕吐，甚至在严重情况下导致死亡[2]、[3]、[4]、[5]。为了减少辐射的危害，研究人员开发了改进的屏蔽和辐射衰减材料[6]、[7]。这些材料作为物理屏障，通过保护工作人员免受辐射源的伤害来减少职业辐射暴露。此类实验的主要目的是评估所研究材料在辐射屏蔽方面的有效性[10]、[8]、[9]。选择合适的屏蔽材料对于辐射防护至关重要。混凝土和铅被广泛使用，但它们存在缺点，如结构开裂和铅的毒性。其他材料如天然橡胶、聚合物、砖和金属也被提出进行研究[11]、[12]、[13]。工程师现在可以制造出以前在材料科学中无法实现的先进材料。用于屏蔽的建筑材料示例包括水泥、硼酸盐玻璃、纤维和聚合物。硼因其吸收中子的能力而被认为是良好的屏蔽材料[14]。纳米结构材料如氧化锌、氧化钨和氧化铋也被研究用于电离辐射的检测和测量[15]、[16]、[17]。在核工程中的许多屏蔽应用中，石膏、铅和玻璃尤为突出。这些材料在屏蔽应用中至关重要，甚至可用于建造核电站[18]、[19]。

玻璃材料因其出色的化学和结构特性而具有多种用途[20]、[21]。鉴于此，玻璃产品在各种行业中都极为重要。此外，辐射屏蔽玻璃在医疗行业（如诊断成像和放射治疗室）、核电站、世界各地的核反应堆以及各种企业的安全X射线控制室中也有广泛应用[22]、[23]。它们的主要功能是吸收中子、α粒子、质子、X/γ射线等粒子。与其他辐射屏蔽材料相比，玻璃的独特之处在于它们具有多种组成，提供透明度，并且制造过程更为简单[24]。为了提高玻璃的衰减性能，通常会在基体中加入重金属氧化物（HMOs）。

以B₂O₃为主要成分的硼酸盐玻璃的熔点明显低于硅酸盐玻璃。B₂O₃的熔点在450摄氏度到260摄氏度之间，而SiO₂的熔点在1100摄氏度到1728摄氏度之间。硼酸盐玻璃具有化学稳定性；然而，由于其相对溶解性，在长时间接触水的情况下功能较差[2526]。

硼酸盐玻璃对可见光具有高透明度，使其非常适合光学应用。它们成本低廉，粘度低，并具有出色的光学、机械、热学和电学性能。它们能有效防护放射性辐射，这增强了它们在核安全和医学成像中的应用；同时，其卓越的光学清晰度和透光能力使它们在先进光学技术中非常有价值[27。

菲丹及其同事研究了钒硼酸盐玻璃系统的光学、结构、物理和γ射线屏蔽性能[28₃和四面体BO₄结构单元之间的非线性转换[29₄单元的形成；然而，超过一定浓度后，进一步添加会导致网络解聚，BO₄重新转化为BO₃单元，并且非桥接氧（NBO）的含量逐渐增加。在这种情况下，Ag⁺离子由于其较大的离子半径和高电子极化率而成为有效的网络改性剂，它们削弱了B–O–B键并破坏了四面体硼酸盐结构[30⁺的掺入使BO₃/BO₄平衡向三角单元偏移，增强了结构无序性，并改变了玻璃基体的光学和物理性质。在本研究中观察到的掺AgI的锰铅硼酸盐玻璃系统的结构演变与改性剂诱导的硼酸盐网络转变的理论原理一致，为解释密度、光学带隙和辐射屏蔽性能的相关变化提供了连贯的框架[31。

在这项工作中，我们将研究掺杂碘化银后成分不同的玻璃系统。玻璃组成为(75-X)B₂O₃ + 20PbO + 5MnO₂ + XAgI，记为BPbMnAgX，其中X= 0.0、0.5、1、1.5和2摩尔%。通过FT-IR研究了样品的中子和γ射线衰减能力。此外，还使用Phy-X/PSD软件和Monte Carlo N-Particle（MCNP）代码从理论上研究了不同衰减因子下的样品屏蔽性能。MCNP代码进一步用于确定快中子的有效去除截面（FNRCS）、快中子的半值层（HVL_FNRCS）和松弛长度（λ_FNRCS）。采用MCNP和Phy-X/PSD的结合使用是为了提供对所研究玻璃系统辐射屏蔽行为的互补和相互验证的见解。MCNP能够在真实的几何和物理条件下进行高保真度的粒子传输模拟，而Phy-X/PSD则基于评估的核数据库计算标准屏蔽参数，作为一个独立的计算平台。这种双重方法策略通过交叉验证提高了结果的可靠性和稳健性。此外，还将所开发玻璃的屏蔽性能与文献中报道的几种常用玻璃和混凝土系统进行了对比评估。

部分摘录

合成与表征

使用高纯度原材料制备了玻璃系统(75-X)B₂O₃ + 20PbO + 5MnO₂ + XAgI，其中X= 0.0 – 2.0%，以0.5摩尔%为增量。表1显示了所制备玻璃系统的详细组成，代码为BPbMnAg。在将混合物细磨后，将其在1200摄氏度下熔化。随后，将熔体迅速在两块抛光钢板之间淬火，以确保生成玻璃样品

蒙特卡洛模拟（MCNP代码）

MCNP算法用于模拟基本粒子的传输和行为[32

结构参数

为了研究Ag⁺离子作为网络改性剂时的结构变化，测量了样品的密度$$以及一些相关参数。图2显示了掺银离子后不同组成的体积和密度变化。随着AgI含量的增加，密度从3.12克/立方厘米增加到3.36克/立方厘米。这种密度的增加归因于AgI，其分子量为234.7克/摩尔，密度为5.68克/立方厘米

结论

本研究探讨了锰铅硼酸盐玻璃的结构、光学和辐射屏蔽性能。研究了用碘化银（AgI）掺杂玻璃网络的效果，样品的名义组成为(75-X)B₂O₃ + 20PbO + 5MnO₂ + XAgI，其中X= 0.0 - 2.0%，以0.5摩尔%为增量，记为BPbMnAgX。本研究的主要发现总结如下：

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增加碘化银（AgI）含量导致

CRediT作者贡献声明

南希·N·埃莱瓦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证。沙阿班·M·沙阿班：监督，方法论，概念化。赫沙姆·扎卡利：撰写 – 原稿，验证，方法论。伊斯兰·N·纳比尔·法提：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源，方法论，数据管理。阿什拉夫·A·阿布勒-马格德：

同意参与

所有作者同意参与发表的手稿版本。

遵守伦理标准

作者声明没有利益冲突。

竞争利益

作者声明没有竞争利益。

数据可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。

伦理批准

本文不包含任何作者进行的动物实验，也不包含任何涉及人类参与者的实验。

出版同意

所有作者均已阅读并同意发表的手稿版本。

资金

不适用。

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所述的工作。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯阿拉尔北部边境大学科学研究系通过项目编号“NBU-FPEJ-2025-289-07”资助了这项研究工作。