实验性辐射屏蔽研究：氧化钬对GTB玻璃系统的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Experimental Radiation Shielding Investigation of the Holmium Oxide Effects on GTB Glass System

本研究采用熔淬法制备了新型钇掺杂硼酸盐-锗酸盐-碲酸盐-氧化镁玻璃，通过实验评估了其在0.662-1.332 MeV γ射线下的屏蔽性能，发现钇掺杂可显著提升玻璃密度和衰减系数，但屏蔽效率随能量升高而下降。

　　

Taha Yaseen Wais | Shams A.M. Issa | M.I. Sayyed | Laith Ahmed Najam | Abed Jawad Kadhim | Kawa M. Kaky | Berivan F. Namaq | Muntadher Alsabah

伊拉克摩苏尔大学理学院物理系

摘要

本研究提出了一种利用熔融淬火技术制造新型辐射屏蔽玻璃的方法，该方法具有成本效益。所制备的玻璃的组成分别为 (35-x)(B₂O₃)、(20-TeO₂),(10-GeO₂),(35-MgO) 和 (xHo₂O₃)，其中 x 的取值为 1.25、2.5 和 3.75 mol%。通过使用 ¹³⁷Cs-137 和 ⁶⁰Co-60 源以及 NaI(Tl) (2" x 2") 探测器，对这种玻璃的伽马辐射屏蔽性能进行了实验评估。结果表明，添加 Ho₂O₃ 可以显著提高玻璃的密度，并提升其辐射衰减效果。在低能量（0.662 MeV）下，三种玻璃的辐射防护效率 (G_RPE）达到最大值；但随着能量升高至 1.332 MeV，该效率显著下降。

引言

迄今为止，已有大量研究致力于开发各种辐射屏蔽材料，以保护人类免受电离辐射的伤害（AbuAlRoos 等，2019；Alsaiari 等，2025；Oto 等，2015；Pathania 等，2025；Shaaban 等，2023）。例如，伽马射线是高能电离辐射光子，它们会向周围细胞传递能量，从而破坏分子结构并损害活细胞（Al-Buriahi 等，2022, 2025a；Alawaideh 等，2024）。为此，人们提出了混凝土和铅等高密度材料来减少伽马射线的危害（Alrowaili 和 Al-Buriahi，2025；Kaur 等，2022；Lukovi? 等，2015；Sayyed 和 Kaky，2024）。然而，低密度材料通常需要增加厚度才能达到足够的屏蔽效果，而高密度材料在降低辐射强度方面更为有效。为了找到高效的辐射屏蔽材料，科学家们持续进行相关研究。富含重元素的材料被认为是理想的选择，因为光子与这些元素的相互作用会受到其原子序数和密度的影响（Al-Buriahi 等，2025c；Alzahrani 等，2022；Chang 等，2015；Di Giulio 和 García de Abajo，2023）。因此，使用这些材料可以显著减少光子的穿透能力，这主要通过提高吸收概率和能量转移效率来实现。高密度元素被视为辐射屏蔽的关键候选材料（Abualroos 等，2024；Al-Buriahi 等，2025b；Hanfi 等，2021；Sayyed 等，2024b）。 出于同样的目的，铅也被考虑作为辐射屏蔽材料。尽管铅具有优异的物理和机械性能，但研究表明其使用可能带来健康和环境风险（Garba 等，2024）。因此，亟需开发新型无铅材料，这些材料应具备更好的灵活性、安全性、更低密度、无毒性和更高的辐射屏蔽效率。为此，研究人员一直在寻找具有无毒、可加工、光学透明度和化学稳定性等优良特性的替代材料（Luo 等，2014；Mahdi 等，2025）。 玻璃材料作为一种有前景的替代品被引入，因为它们在物理和光学特性方面表现优异，且易于修改和制备（Ibrahim 等，2025）。通过添加高浓度重金属氧化物（如氧化锗 (GeO₂) 和氧化碲 (TeO₂)，可以提升玻璃的辐射屏蔽效率。这些氧化物还能通过增加原子序数和密度来增强玻璃的衰减能力，同时保持透明度、结构稳定性和易加工性等优良特性。这些优势使得玻璃材料成为辐射屏蔽的理想选择，尤其在医疗、核能和工业领域至关重要。 需要注意的是，大多数先前的研究仅将玻璃视为辐射屏蔽材料，重点关注金属氧化物对玻璃性能的改进作用。然而，纳米结构形式的氧化物在提高屏蔽效率方面具有巨大潜力。为了充分发挥纳米氧化物的潜力，需要对玻璃系统的结构和功能特性进行系统研究。本文通过研究一种改进型的透明碲酸盐玻璃来探讨辐射屏蔽性能。

玻璃制备

在实验的第一阶段，我们准备了用于测试辐射屏蔽特性的玻璃。首先称量了所需成分的化学粉末：(35MgO-10GeO₂-20TeO₂-(35-x)B₂O₃（x=1.25、2.5、3.75 mol%）。根据氧化钬的浓度，这些玻璃分别被命名为 Ho1.25、H2.5 和 Ho3.75。混合后充分搅拌以确保均匀性，然后放入...

结果与讨论

实验测得玻璃在 0.662、1.173 和 1.332 MeV 能量下的质量衰减系数 (G_MAC)，以评估 MgO-GeO₂-TeO₂-B₂O₃ Ho₂O₃ 材料的辐射屏蔽能力。验证实验得到的 G_MAC 值对于确保结果的可靠性至关重要。具体而言，我们将实验结果与 Phy-X/PSD（?akar 等，2020）提供的数据进行了比较。

结论

本研究提出了一种利用熔融淬火技术制备新型且成本效益高的辐射屏蔽玻璃的方法。所制备玻璃的组成公式为 (35-x)(B₂O₃),(20-TeO₂),(10-GeO₂),(35-MgO) 和 (xHo₂O₃)。实验使用了 NaI(Tl) (2" x 2") 探测器和能量范围为 (0.662 –1.332) MeV 的两个辐射源来评估这些玻璃的伽马辐射屏蔽性能。

作者贡献声明

M.I. Sayyed： 写作 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论、实验设计。 Shams A.M. Issa： 写作 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论、实验设计。 Laith Ahmed Najam： 写作 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论、实验设计。 Kawa M. Kaky： 写作 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论。 Abed Jawad Kadhim： 写作 – 审稿与编辑、原始稿撰写。 Muntadher Alsabah： 写作 – 审稿与编辑。

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的研究结果。