掺杂SrO的Gd2O3硼碲玻璃在无铅伽马射线屏蔽应用中的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：SrO-Substituted Gd2O3-Doped Boro-Tellurite Glasses for Lead-Free Gamma-Ray Shielding Applications

　　

Aljawhara H. Almuqrin|Saman Q. Mawlud|Ahmed A. Ahmed|K.A. Mahmoud|M.I. Sayyed

沙特阿拉伯利雅得Princess Nourah Bint Abdulrahman大学科学学院物理系，邮政信箱84428，11671

摘要

基于化学式20TeO₂ + (64-x) B₂O₃ + (15+x) SrO + 1Gd₂O₃（其中x = 0、3、6、9摩尔%），制备了一系列用于γ射线防护的硼碲酸盐玻璃。研究了部分用SrO替代B₂O₃化合物对制备玻璃的物理、机械、光学和辐射屏蔽性能的影响。在玻璃网络中部分替换Sr²⁺离子为B³⁺离子后，其密度增加了约19%。此外，对制备玻璃的光学性质进行分析发现，随着Sr²⁺离子取代B³⁺离子，折射率有所提高。相反，利用Makishima-Makinze理论研究玻璃的机械性质发现，随着Sr²⁺离子浓度的增加，硬度降低。蒙特卡洛模拟数据证实，当SrO浓度从15%增加到24%时，玻璃在0.08、0.8和8 MeV下的线性衰减系数分别提高了约26%、19%和22%。在所研究的玻璃中，用SrO替代B₂O₃化合物可以提高其Pb等效厚度和辐射防护效率。

引言

辐射是一种高能电磁波，可能自然地从太空传到地球表面，形成各种形式的辐射，如α和β粒子以及X射线和γ射线；或者由直线加速器或X射线管等设备产生的医疗辐射。医疗辐射可用于医院中拍摄内部器官和组织的图像。医疗辐射也可用于放射治疗中心治疗癌症，其中入射辐射可以杀死癌细胞。来自铀和其他燃料的核辐射可用于裂变，产生蒸汽，驱动涡轮机发电（Dogru等人，2024年；Ulanowski等人，2021年）。

在工业领域，来自伽马射线和X射线等设备的辐射可用于检测焊接材料或流体，以进行质量控制。来自天然来源（如Co-60）的辐射也用于食品、医疗设备等产品的灭菌（IAEA，2014年）。

尽管辐射在许多应用领域具有优势，但其潜在的危害不容忽视。在医院中，过度或长期暴露于辐射会增加患癌症的风险。过量暴露可能导致皮肤问题、疲劳、白内障、急性辐射综合征（如呕吐）和体温升高。不受控制的辐射暴露对孕妇或哺乳期妇女可能非常不利。工业中与辐射相关的两个主要问题是辐射工作人员在处理不当时的伤害以及放射性废物的管理挑战，如果管理不善，可能导致辐射事故或泄漏。在极端严重的情况下，辐射甚至可能导致死亡（Aktas等人，2019年；Kaky等人，2025年；Maghrbi等人，2024年；Rasul等人，2025年）。

鉴于这些负面影响，研究人员建议采用屏蔽措施来减轻可能的失控和过度暴露于电离辐射的风险。辐射屏蔽包括设置屏障，以保护辐射工作人员或无辜人群免受辐射源的伤害（Avc?o?lu等人，2023年；Azman等人，2023年；Esawii等人，2022年；Gomaa等人，2022年）。由于辐射的电离性质及其对人类的极大危害，寻找更好的屏蔽材料是一个亟待关注的问题（Abdalsalam等人，2020年；Dong等人，2017年、2016年；Kanagaraj等人，2023年；Mahmoud等人，2020年；Tyagi等人，2021年）。据报道，选择具有高密度和较高原子序数（Z）的材料是实现有效屏蔽的关键，因为这两个因素决定了材料屏蔽γ射线的能力（Aygün等人，2021年、2020年；Sharma等人，2020年）。

除了寻找高密度或高原子序数（Z）的材料外，在评估用于γ射线屏蔽的材料时，还应考虑其光学特性。特别是在需要透明监测辐射的场合，具有优良光学特性的材料比传统材料更具优势。在这种情况下，引入玻璃材料作为屏蔽材料具有更大的优势，因为玻璃材料可以根据不同的应用需求具有不同的化学成分和性能（Fidan等人，2022年；Kozlovskiy和Zdorovets，2021年；Pacheco等人，2023年；Ulas等人，2025年；Usman等人，2024年；Y?lmaz等人，2020年）。

由B₂O₃、TeO₂和SrO等化学物质组成的玻璃是很好的辐射屏蔽材料。这是因为TeO₂和SrO具有较高的密度，可以提供更好的屏蔽性能，而B₂O₃有助于形成玻璃网络，并提高玻璃的光学透明度，从而在光学特性和辐射屏蔽性能之间取得平衡（Mhareb等人，2025年）。为了提高玻璃密度，可以在成分中添加Gd₂O₃以部分替代B₂O₃，这样Gd₂O₃的高Z值可以提高玻璃材料的整体有效原子序数（Z_eff），进而提高整体密度，从而增强屏蔽能力（Naderi等人，2024年）。

使用蒙特卡洛模拟等工具进行理论计算是一种非常有用的方法，可以计算或模拟辐射与物质之间的复杂相互作用，预测粒子的行为并估算工业和医疗领域的剂量。为了使用蒙特卡洛模拟计算屏蔽参数，需要定义问题的几何形状（如辐射源的位置和屏蔽材料的尺寸、材料的方向和位置、伽马能量源以及相互作用类型），然后计算衰减因子，以便进一步解释和分析（Ak?al?等人，2020年；Aktas等人，2022年；Bagheri等人，2017年；Zubair等人，2022年）。

尽管已经研究了多种含有稀土氧化物的碲酸盐和硼酸盐玻璃的辐射屏蔽应用，但关于SrO替代和Gd₂O₃掺入硼碲酸盐玻璃系统中的综合影响的研究仍然有限。在本研究中，系统地用SrO替代了B₂O₃，以评估其对结构、物理和光学性能的影响。TeO₂、SrO和Gd₂O₃的同时存在预计会提高光子衰减能力，同时保持无铅玻璃材料的优点。因此，所研究的玻璃系统是环保辐射屏蔽应用的有希望的候选材料。本研究旨在制备无铅的硼碲酸盐玻璃系列，以支持双重光学和辐射屏蔽应用，并深入研究氧化锶（SrO）对光学和光子衰减特性的影响。

章节摘录

硼碲酸盐玻璃的制备

采用传统的熔融-淬火方法制备了所需的硼碲酸盐玻璃系列，其配方为20TeO₂ + (64-x) B₂O₃ + (15+x) SrO + 1Gd₂O₃（x的范围为0至9摩尔%，步长为3%）。原料化合物二氧化碲（TeO₂）、三氧化硼（B₂O₃）、氧化锶（SrO）和氧化钆（Gd₂O₃）的纯度很高（≥99%）。对于每个样品，精确地确定了所需化合物的质量。

光学带隙

图3显示了TGSr样品的吸收光谱。计算出的光学参数列在表2中。图4绘制了直接和间接光学带隙随SrO摩尔百分比的变化。如表2所示，直接和间接光学带隙分别降低了3.665至3.502 eV和3.088至2.972 eV。当SrO浓度增加时，硼酸盐玻璃网络会发生结构变化

结论

物理性质数据显示，随着SrO含量从15%增加到24%，离子浓度从2.887×10²³离子/厘米²增加到5.331×10²³离子/厘米²，离子间距离从1.513 ?减小到1.233 ?，TGSr玻璃的密度从3.057±0.001 g/cm³增加到3.641±0.001 g/cm³。此外，用SrO替代B₂O₃化合物改善了玻璃的光学性能，折射率有所提高

CRediT作者贡献声明

M I Sayyed：撰写——审稿与编辑、可视化、验证。Ahmed A. Ahmed：验证、资源、方法论。K. A. Mahmoud：撰写——初稿、资源、方法论。Aljawhara H. Almuqrin：研究、数据分析、概念化。Saman Q. Mawlud：项目管理、研究、数据整理

未引用参考文献

Gedam等人，2025年；X-5 Monte Carlo团队，2003年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Princess Nourah bint Abdul Rahman大学的研究人员支持（项目编号：PNURSP2026R2），感谢沙特阿拉伯利雅得的Princess Nourah bint Abdulrahman大学。