不同摩尔浓度制备的二氧化铪薄膜对14.9-59.5 keV伽马射线的屏蔽性能研究

《Applied Surface Science》：Investigation of Gamma Radiation Shielding Properties of Hafnium Dioxide Thin Films Prepared at Different Molarities with using 14.9, 22.1, 32.1, 41.5 and 59.5 keV energies

本文研究了通过溶胶-凝胶旋涂技术制备的不同摩尔浓度二氧化铪（HfO2）薄膜的伽马辐射屏蔽性能。研究系统分析了线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、十分之一值层（TVL）、平均自由程（MFP）和半值层（HVL）等关键参数，证实提高薄膜摩尔浓度可有效增加厚度并显著增强对低能光子的衰减能力，为微电子、航空航天等领域的微型化辐射防护提供了新材料解决方案。

　　

Highlight

方法论

根据我们自身的实验经验获得的系统，被称为窄几何Am-241放射性同位素源衰减配置。选择镅-241环形放射源是因为其与次级靶材的兼容性、非破坏性激发的潜力、不依赖电源的自主性以及能够产生足够量伽马射线的能力。Am-241源发射的能量为59.5 keV的光子，通过次级靶材（银、钡、铕和钇）被引导，从而产生具有特定能量的光子。这些次级光子随后被引导至探测器。这种配置被称为次级诱导辐射衰减方法，它能够从单一源提取多种能量，同时保持完全相同的几何条件。实验使用了硅漂移探测器（SDD），其在5.95 keV能量水平下的分辨率为150 eV。通过使用Am-241源和不同的次级靶材，获得了14.9 keV（Y Kα）、22.1 keV（Ag Kα）、32.1 keV（Ba Kα）、41.5 keV（Eu Kα）和59.5 keV（Am-241 Kα）的能量。测量在室温下于法拉第笼中进行，以最大限度地减少外部影响。使用特定软件分析来自探测器的信号，并记录能谱。通过评估有样品和无样品条件下的计数来计算辐射屏蔽参数。线性衰减系数（LAC）根据比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law）计算。其他参数如质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）、平均自由程（MFP）和十分之一值层（TVL）也根据标准公式确定。

实验设置与结果

图3显示了通过溶胶-凝胶法在晶体硅上涂覆的HfO₂薄膜的X射线衍射（XRD）图谱。获得的结果表明，薄膜成功生长并结晶为纯HfO₂的单斜晶相。特别值得注意的是，在28.3°和31.7°处清晰观察到分别对应于（-111）和（111）晶面的两个主峰，这清楚地表明薄膜具有高度的结晶性并且保持了相纯度。此外，随着薄膜厚度的增加，薄膜的XRD峰强度也增加。薄膜的厚度通过扫描电子显微镜（SEM）图像确定。随着摩尔浓度从0.1 M增加到0.5 M，薄膜的平均厚度从94 nm增加到567 nm。测量了薄膜在不同能量（14.9, 22.1, 32.1, 41.5和59.5 keV）下的线性衰减系数（LAC）。对于所有能量，LAC值随着薄膜摩尔浓度和厚度的增加而增加。例如，在14.9 keV时，LAC从0.1 M样品的164.75 cm^-1增加到0.5 M样品的297.36 cm^-1。质量衰减系数（MAC）也观察到类似的趋势。半值层（HVL）、平均自由程（MFP）和十分之一值层（TVL）值随着摩尔浓度的增加而减小，表明屏蔽效率提高。研究结果表明，HfO₂薄膜，特别是那些更高摩尔浓度和厚度的薄膜，对低能伽马辐射表现出有效的屏蔽性能。

结论

本研究调查了在不同摩尔浓度下制备的HfO₂薄膜的辐射屏蔽能力。薄膜的厚度随着摩尔浓度的增加而增加，这种增加对其辐射屏蔽性能产生了积极影响。具体来说，线性衰减系数（LAC）和质量衰减系数（MAC）值随着摩尔浓度的增加而增加，而半值层（HVL）、平均自由程（MFP）和十分之一值层（TVL）则减小。HfO₂薄膜在吸收低能辐射方面是有效的，并且在高摩尔浓度下表现出优异的辐射屏蔽能力。换句话说，通过增加摩尔浓度来增加薄膜厚度，可以显著提高HfO₂薄膜的辐射屏蔽性能。