硼铅碲玻璃陶瓷在不同伽马射线能量下的衰减特性：一项实验研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Various gamma-ray energies attenuation features of boro-lead-telluride glass-ceramic: An experimental study

研究了TeO?-B?O?-ZnO-BaO-Bi?O?-PbO玻璃陶瓷的γ射线屏蔽性能，发现增加PbO含量（12.5-20 mol%）显著提升屏蔽效果，Pb20在0.662 MeV时LAC为0.702 cm?1，HVL为0.987 cm，与XCOM结果一致，验证了可靠性，该材料适用于医疗和核屏蔽。

　　

Kawa M. Kaky|Mohamed Y. Hanfi|Taha Yaseen Wais|M.I. Sayyed|Israa Abed Jawad|Berivan F. Namaq|Muntadher Alsabah

伊拉克巴格达Al-Nisour大学学院，邮编10012

摘要

本文研究了TeO₂-B₂O₃-ZnO-BaO-Bi₂O₃-PbO玻璃陶瓷的伽马射线屏蔽性能。样品采用熔融淬火法制备。PbO的含量在12.5%到20%之间变化，以研究不同PbO含量（0.662、1.173和1.332 MeV能量水平）对伽马射线屏蔽效果的影响，使用校准的NaI(Tl)探测器系统测量这些玻璃陶瓷材料的衰减程度。结果表明，PbO含量的增加可以提高屏蔽效果。其中，Pb20表现出最佳的屏蔽性能，在0.662 MeV时线性衰减系数（LAC）为0.702 cm^-1，半值层（HVL）为0.987 cm。在1.332 MeV时，Pb20仍具有良好的屏蔽效果，LAC为0.391 cm^-1。此外，实验得到的LAC/ρ值与XCOM数据库中的结果高度吻合，证实了数据的可靠性。优化的富含PbO的玻璃陶瓷系统是一种有效的、透明的辐射屏蔽材料，由于其较低的第十值层（TVL）和铅当量厚度，非常适合用于医疗和核领域。

引言

电离辐射是指具有足够能量从原子结构中剥离电子的电磁波，近年来受到了广泛关注。这类辐射会破坏生物组织、物理结构和细胞结构，从而对人类健康造成严重威胁。电离辐射的健康风险包括慢性疲劳、致癌作用和遗传突变，主要源于其对人类DNA的损伤，因此需要采取相应措施。

伽马射线是各类电离辐射中穿透能力最强的，由于没有质量和电荷且呈电中性，能够在材料中几乎不受衰减地传播。因此，寻找能够有效屏蔽伽马射线的材料至关重要。

鉴于上述健康风险，大量研究致力于探索可用于屏蔽电离辐射的材料。高密度材料（如铅和混凝土）被证明能有效屏蔽伽马射线，但它们也存在便携性和灵活性方面的局限性。因此，需要更安全、更环保的替代材料。

基于这些挑战，近年来人们对玻璃材料作为辐射屏蔽材料的研究日益增多，认为玻璃具有优异的屏蔽性能。特别是含有重金属氧化物的玻璃，在保持透明度的同时，能够实现较高的机械强度和化学稳定性。

本研究选用了特定的玻璃陶瓷配方（20TeO₂+(25-x) B₂O₃+10ZnO+10BaO+25Bi₂O₃+(10+x)PbO），旨在平衡结构稳定性和伽马射线屏蔽效果。

结果与讨论

实验测得Pb12.5、Pb15、Pb17.5和Pb20组成的玻璃样品在0.662、1.173和1.332 MeV光子能量下的线性衰减系数（LAC）。结果显示，随着PbO含量的增加，伽马射线衰减程度也随之增强，这表明伽马射线屏蔽效果与玻璃密度密切相关。

结论

本研究评估了采用多组分TeO₂-B₂O₃-ZnO-BaO-PbO系统设计的玻璃和玻璃陶瓷的伽马射线屏蔽能力。结果表明，PbO含量的增加显著提升了屏蔽效果。

未来展望

未来研究将优化重金属氧化物的用量，以提高能量屏蔽（包括伽马射线和中子射线）效果。同时，还需评估材料长期使用的机械耐久性、热稳定性和抗辐射损伤能力，以确保其可靠性。

作者贡献声明

作者共同参与了论文的撰写、审稿、编辑、方法论设计及实验研究。

声明

在论文撰写过程中，作者使用了Grammarly等在线工具来提升语言表达和可读性，并对内容进行了最终审核。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。