掺钕（Nd）的2O3玻璃在辐射屏蔽性能上的提升：结构、剂量学及衰减特性分析

《Materials Chemistry and Physics》：Enhanced Radiation Shielding Performance of Nd 2O 3-Doped Glasses: Structural, Dosimetric, and Attenuation Insights

本研究通过熔融淬火法制备了钕掺杂硼硅酸盐玻璃，利用XRD证实其非晶态结构。实验表明，添加Nd?O?使线性衰减系数提升至0.71158 cm?1，半值层降低至2.1 cm，能量吸收效率提高9%。该材料在核安全、医学成像等领域具有潜在应用价值。

　　

M. Khalid | Emad A.M. Farrag

基础科学系，社会与基础科学学院，Al Hussein 技术大学，King Abdullah II St 242，安曼，11831，约旦

摘要

本研究探讨了掺杂Nd₂O₃的硼硅酸盐玻璃的结构、剂量学特性以及电离辐射衰减特性。通过熔融淬火技术制备了四种不同的玻璃样品，并利用X射线衍射（XRD）进行了分析，确认了这些样品的非晶态特性，即不存在任何晶体结构。在Bi₂O₃组分中添加Nd₂O₃后，线性衰减系数（LAC）从ABSNd0样品的0.66873 cm^-1提高到了ABSNd3样品的0.71158 cm^{-1（光子能量为0.5 MeV）。这一改进使得半值层（HVL）从2.3 cm降低到了2.1 cm（光子能量为0.1 MeV），表明其具有更强的屏蔽能力。相对于母体样品（ABSNd0），单位质量释放的相对动能（KERMA）和特定伽马射线常数（Γ）分别提高了8%和9%，显示出潜在的9%的能量吸收效率提升。这些发现表明，掺杂Nd₂O₃的硼硅酸盐玻璃在核安全、医学成像和工业过程中的高级辐射屏蔽应用中具有很大的潜力。}

引言

电离辐射可能导致基因损伤、皮肤伤害和肿瘤[1, 2, 3]。因此，辐射防护已成为研究重点，旨在确保在核反应堆相关环境中工作的人员、放射治疗操作员以及核废物管理人员的安全[1, 2, 4]。选择合适的屏蔽材料（无论是均匀材料还是由多种成分组成的材料）对于有效吸收电离辐射至关重要。例如，混凝土因其出色的电离辐射衰减能力、经济性和灵活性而成为光子衰减应用的首选材料[1, 2]。然而，混凝土也存在一些缺点，如光学透明度低、稳定性有限、防水性能差以及易开裂等问题。相比之下，铅和重金属氧化物由于其较大的分子量和高密度而被广泛使用。铅被认为是理想的伽马射线屏蔽材料，因为它能在较宽的能量范围内有效衰减光子[5]。然而，含铅产品对人类健康和环境存在显著危害，因此需要严格监管[5]。合金、花岗岩、陶瓷和玻璃陶瓷也已在电离辐射屏蔽应用中进行了测试[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]。最近对玻璃材料的研究表明，玻璃是混凝土的优越替代品。玻璃具有生产方便、均匀性好、经济实惠、耐热和耐化学腐蚀、可见光谱光学透明度高等优点，并且适用于多种应用[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]。例如，硼酸盐玻璃具有优异的光学性能、热稳定性、低熔点以及可溶解其他元素的特点[24, 25, 26, 27, 28]。通过结合两种类型的玻璃来开发具有增强性能的先进玻璃系统越来越受到关注。由SiO₂和B₂O₃组成的硼硅酸盐玻璃因其更高的稳定性、机械强度和抗温度变化能力而受到认可[4, 28, 29]。Mhareb等人[30]报道了掺杂Nd(III)离子的三种硼碲酸盐锗酸盐玻璃样品，发现添加Nd₂O₃后，这些样品的辐射屏蔽性能（如HVL、TVL、MFP和Z_eff）得到了改善。Kaky等人[31]使用传统的熔炼和退火工艺制备了四种玻璃，发现用Bi₂O₃替代B₂O₃可以提高玻璃的透明度和屏蔽性能；例如，在0.015 MeV能量下，MAC值从34.75 cm²/g提高到了73.81 cm²/g，同时玻璃透明度从62%提高到了72%。然而，机械和结构分析显示，添加Bi₂O₃会降低玻璃的稳定性。Mhareb等人[32]研究了经过氧化钛和不同比例氧化钡处理的硼硅酸盐玻璃-陶瓷系统的屏蔽性能，并使用Phy-X软件进行了理论计算。结果显示，含有BaO的GC30样品具有最佳的屏蔽性能。蒙特卡洛N粒子模拟结果与XCOM软件的结果高度一致。增加BaO的比例有助于改善晶相和屏蔽性能。

在本研究中，我们探讨了Nd₂O₃对硼硅酸盐玻璃系统的结构、剂量学和衰减特性的影响。主要目的是评估在Bi₂O₃组分中掺入Nd₂O₃稀土氧化物对玻璃网络及其在电离辐射屏蔽等应用中的效果。本研究通过XRD对制备的玻璃样品进行了表征，以证明其非晶态特性。与许多研究类似，本研究的目的是合成具有高密度、化学稳定性、耐用性、经济性和易于制备等理想特性的玻璃基体。结果表明，本研究制备的玻璃样品在辐射屏蔽应用中具有很好的潜力。

研究片段

玻璃样品的制备与表征

采用熔融淬火技术制备了四种玻璃样品，在Bi₂O₃组分中掺入了不同浓度的Nd₂O₃。为确保高质量的结果，使用了高纯度（4N）的氧化铝（Al₂O₃）、Bi₂O₃、二氧化硅（SiO₂、三氧化硼（B₂O₃）、氧化钡（BaO）和Nd₂O₃。具体成分见表1。这些成分经过精确称量后，混合30至45分钟。

结果与分析

图1显示了本研究中制备样品的XRD图谱。所有样品的图谱都显示出宽峰，没有明显的衍射线条，这证实了玻璃网络的非晶态特性。这种行为在玻璃系统中很常见，因为缺乏长程有序结构导致无法形成晶体峰。此外，随着Nd₂O₃含量的增加（从0 mol%到2 mol%），峰形或位置没有显著变化。

结论

对掺杂Nd₂O₃的硼硅酸盐玻璃系统的研究显示，其辐射屏蔽效果有显著提升。XRD结构分析证实了玻璃的非晶态特性，这对于均匀的辐射衰减至关重要。Nd₂O₃的掺入使样品的密度从未掺杂样品（ABSNd0）的5.02 g/cm³增加到最高掺杂样品（ABSNd3）的5.436 g/cm³。这一变化显著提高了玻璃的屏蔽性能。

作者贡献声明

Emad Ahmad Mustafa Farrag：撰写、审稿与编辑、可视化处理、监督、软件选择、方法论设计。 Morad Hamad：软件选择、方法论设计、实验实施、数据整理

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究由Jouf大学研究生院和科学研究处资助，资助编号为（DGSSR-2024-02-02212）。