基于Geant4模拟的铋基重金属氧化物玻璃γ射线屏蔽性能对比研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Comparative study of gamma-ray shielding performance in bismuth-based heavy metal oxide glasses using Geant4 simulations

　　

摘要：无铅重金属氧化物玻璃因兼具高衰减能力、组分可调性及比含铅屏蔽材料更低的毒性，是医疗与核领域极具前景的γ射线屏蔽材料。本研究对比研究了两个玻璃体系：硼酸盐系列65Bi2O3-yBaO-(35-y)B2O3，及铋硼硅酸盐系列50BaO-xBi2O3-(50-x)硼硅酸盐（x、y分别为mol%与wt%）。研究的新颖之处在于采用单一Geant4蒙特卡洛框架对这两类铋基玻璃体系进行可控的并列比较，并在相同光子能量条件下直接与NIST XCOM数据库基准对照。研究人员在0.356、0.511、0.662、1.133和1.173 MeV能量下评估了质量衰减系数(Mass Attenuation Coefficient, MAC)、线性衰减系数(Linear Attenuation Coefficient, LAC)、半值层(Half Value Layer, HVL)、平均自由程(Mean Free Path, MFP)及有效原子序数(Effective Atomic Number, Zeff)。Geant4结果与NIST XCOM值在考察能量范围内吻合良好，验证了模拟方法的可靠性。在所研究组分中，高铋硼酸盐玻璃表现出最高的衰减性能——具有更低的HVL与MFP值，以及更高的MAC与Zeff；而铋硼硅酸盐体系随Bi2O3含量增加呈现出组分依赖且可调控的屏蔽响应。综上结果表明，当要求单位厚度最大衰减能力时，铋-钡-硼酸盐(Bismuth-Barium-Borate, BBB)系列更适用；铋-钡-硼硅酸盐(Bismuth-Barium-Borosilicate, BBS)系列则因组分可调性更强，适合特定应用场景下的屏蔽设计。

论文解读：基于Geant4模拟的铋基重金属氧化物玻璃γ射线屏蔽性能对比研究

本文发表于《Radiation Physics and Chemistry》。

一、研究背景与意义

传统γ射线屏蔽材料如普通混凝土和铅（Pb）虽因成本与易得性被广泛应用，但均存在明显缺陷：混凝土组分及含水率波动大，引入剂量计算不确定性且降低密度与力学性能；铅虽具高原子序数与密度，但其毒性、职业暴露风险及废弃后环境污染问题促使学界寻找更安全的替代材料。无铅重金属氧化物（Heavy Metal Oxide, HMO）玻璃尤其是掺Bi₂O₃（氧化铋，Z=83）的体系，因Bi兼具较高原子序数、相对低毒及在0.3–1.3 MeV范围内较强的光电效应与康普顿(Compton)衰减能力，加之玻璃网络（硼酸盐B₂O₃或硼硅酸盐SiO₂-B₂O₃）可熔融成型、具光学透明性与组分可调性，成为理想候选。然而现存文献多孤立评价硼酸盐或硼硅酸盐玻璃，缺乏同一方法学框架下两体系的直接并列比较；且可复现的Geant4蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）建模流程及单位面积密度归一化性能分析较少见。为此，研究人员采用统一Geant4框架对铋-钡-硼酸盐（BBB）与铋-钡-硼硅酸盐（BBS）两系列玻璃进行受控对比，并以NIST XCOM理论值为基准校验，旨在量化Bi₂O₃/BaO对衰减参数的影响、验证模拟精度、评估硼硅酸盐中Bi₂O₃增量带来的可调屏蔽性，并为无铅透明/不透明屏蔽选材提供组分导向依据。

二、主要关键技术方法

研究人员构建两类玻璃体系——BBS系列：50BaO-xBi₂O₃-(50-x)硼硅酸盐（x＝0、5、10、15、20 mol%）；BBB系列：65Bi₂O₃-yBaO-(35-y)B₂O₃（y＝0、2、4、6、8 wt%），依据实测密度定义Geant4介质材料。采用Geant4蒙特卡洛工具包设置平行光子束入射矩形玻璃靶体，选用适宜电磁物理列表（EM Physics List）追踪光子相互作用，统计透射光子数以计算质量衰减系数(MAC, μ/ρ)，进而求取线性衰减系数(LAC, μ)、半值层(HVL＝ln2/μ)、平均自由程(MFP＝1/μ)及有效原子序数(Z_eff)。光子能量取0.356、0.511、0.662、1.133及1.173 MeV，覆盖常用医用/工业放射源线；所有模拟结果与美国国家标准与技术研究院NIST XCOM（WinXCOM）理论值比对校验。

三、研究结果

Theoretical background（理论基础）

伽马光子与物质相互作用概率取决于光子能量E_γ、吸收体原子序数Z及吸收体物理状态（密度、微结构、化学键合），主要包括光电效应、康普顿散射与电子对效应，研究据此阐明MAC等参数之物理依据。

Glass materials（玻璃材料）

明确列出BBS系列（50BaO-xBi₂O₃-(50-x)硼硅酸盐，x＝0–20 mol%）与BBB系列（65Bi₂O₃-yBaO-(35-y)B₂O₃，y＝0–8 wt%）的具体组成梯度及对应实测密度，作为后续模拟输入参数。

Results and discussion（结果与讨论）

研究获取两系列玻璃在五个能量点下的μ/ρ（Geant4模拟值与WinXCOM理论值），并计算LAC、HVL、MFP及Z_eff。Geant4模拟MAC与XCOM值偏差小，证实模型可靠。高Bi₂O₃含量的BBB玻璃具最高MAC与Z_eff、最低HVL与MFP，即单位厚度衰减最强；BBS系列MAC、Z_eff随Bi₂O₃摩尔分数增加而提升，呈组分依赖的可调屏蔽响应。讨论指出BBB适合追求极致薄型高衰减场景，BBS适合依应用需求调配组分设计屏蔽件，并补充面密度归一化视角辅助选材。

Conclusion（结论）

研究人员得出如下结论：①本研究在相同Geant4 MC框架下直接比较BBB与BBS玻璃并以NIST XCOM基准校验，弥补了既往孤立研究的不足；②Geant4模拟结果与NIST XCOM理论值高度吻合，证实所采用模拟模型准确、屏蔽参数计算可靠；③高铋硼酸盐（BBB）系列具最优单位厚度γ衰减表现（较低HVL、MFP及较高MAC、Z_eff），铋硼硅酸盐（BBS）系列随Bi₂O₃增量呈现可调屏蔽特性；④综合而言，BBB系列适用于需最大单位厚度衰减的情形，BBS系列因组分可调性更适合定制化屏蔽设计；此结果为核与辐射领域无铅、安全、高性能屏蔽玻璃的材料选择提供了成分导向依据。

四、总结讨论翻译（结论要点重述）

本研究通过在统一Geant4蒙特卡洛框架下评估铋-钡-硼酸盐(BBB)与铋-钡-硼硅酸盐(BBS)玻璃，并以NIST XCOM数据基准对照，填补了两体系间直接对比的空白。Geant4模拟的质量衰减系数与NIST XCOM理论值高度一致，确认了模拟模型的准确性及所得屏蔽参数的可靠性。研究发现高铋含量的硼酸盐(BBB)玻璃展现出最高的衰减性能——更低的半值层(HVL)与平均自由程(MFP)及更高的质量衰减系数(MAC)与有效原子序数(Z_eff)；铋硼硅酸盐(BBS)体系随Bi₂O₃含量增加表现出组分依赖且可调控的屏蔽响应。综上，当需要单位厚度最大衰减能力时铋-钡-硼酸盐(BBB)系列更合适，而铋-钡-硼硅酸盐(BBS)系列因更大的组分可调性适用于应用定制型屏蔽设计。研究结果可为核与辐射相关应用中替代或补充传统屏蔽材料、开发无铅安全高性能屏蔽方案提供依据。