CdO/Al?O?替代对Na?O-BaO-Al?O?-P?O?玻璃的结构、光学性能及γ射线屏蔽特性的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Impact of CdO/Al 2O 3 Substitution on Structural, Optical, and Gamma-Ray Shielding Characteristics of Na 2O-BaO-Al 2O 3-P 2O 5 Glasses

本文通过熔融淬火法制备了20Na?O-25BaO-(15-x)Al?O?-xCdO-40P?O?玻璃，研究表明CdO替代Al?O?显著提升其密度（3.24-3.87 g/cm3），同时优化了XRD非晶态结构、FTIR特征峰及光学能隙（3.65-3.83 eV），计算得出MAC、LAC、HVL等辐射屏蔽参数均随CdO含量增加而增强，证实该玻璃体系具备优异的γ射线屏蔽性能。

　　本研究探讨了将CdO取代Al?O?对钠钡磷酸盐玻璃体系的物理、结构和光学性能的影响。所研究的玻璃体系化学组成设定为20Na?O-25BaO-(15–x)Al?O?-xCdO-40P?O?，其中x表示CdO的含量（0, 2.5, 5, 10, 15 mol%）。实验通过传统的熔融急冷法（melt-quenching technique）制备了这些玻璃样品，并以Cd0、Cd2.5、Cd5、Cd10和Cd15表示不同CdO含量的样品。为了评估这些玻璃样品在γ射线防护方面的性能，研究还计算了多种屏蔽参数，包括质量衰减系数（MAC）、线衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、平均自由路径（MFP）和有效原子序数（Zeff）。

X射线衍射（XRD）分析表明，所制备的样品具有非晶态结构，这在玻璃材料中是常见的特征。XRD图谱显示，在2θ角为30°至40°的范围内出现了广泛的驼峰模式，而没有出现明显的尖锐峰，进一步确认了样品的非晶结构。这一结果说明CdO的引入并未改变玻璃的基本结构，而是对其性能产生了影响。

密度（ρ?）随CdO含量的增加而线性上升，从3.24 g/cm3增加到3.87 g/cm3。这表明CdO的添加提高了玻璃的密度，可能是由于CdO的分子量较大，且在玻璃结构中形成了更紧密的网络。另一方面，摩尔体积（V?）和晶体积（V?）则表现出相反的变化趋势。随着CdO含量的增加，摩尔体积和晶体积均有所下降，这表明CdO的引入有助于玻璃结构的致密化，减少了空隙和缺陷，从而提高了材料的物理性能。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步验证了玻璃结构的变化。FTIR结果表明，当Al?O?被CdO取代时，玻璃网络的结构发生了显著变化。这种变化主要体现在红外光谱中不同波数区域的吸收峰强度和位置的变化上，说明CdO的引入改变了玻璃中氧桥的分布和结构特征。通过比较不同CdO含量的FTIR光谱，研究者能够推断出CdO在玻璃网络中的作用，可能是作为网络形成体或网络修饰体，从而影响玻璃的整体结构。

光学吸收光谱（UV-Vis）分析则显示，随着CdO含量的增加，玻璃样品的能隙（energy gap）和乌巴赫能量（Urbach energy）发生了显著变化。能隙的增加意味着材料对光的吸收能力增强，而乌巴赫能量的变化则反映了玻璃中缺陷态密度的改变。这些光学性能的变化可能与玻璃结构的改变密切相关，例如，CdO的引入可能增加了玻璃中非桥氧（NBO）的含量，从而影响了电子跃迁过程。

在辐射屏蔽性能方面，研究者通过Phy-X/PSD软件计算了多种参数，包括MAC、LAC、HVL、MFP和Zeff。结果显示，CdO/Al?O?的取代显著提高了这些参数的值。这表明，随着CdO含量的增加，玻璃样品对γ射线的屏蔽能力增强。这种增强可能与玻璃密度的增加以及结构的致密化有关，因为更高的密度通常意味着更多的原子核参与屏蔽过程，从而提高了对辐射的吸收能力。

此外，研究还指出，CdO的引入不仅提高了玻璃的密度，还改善了其结构特性，使其成为具有优异辐射屏蔽性能的材料。这种结构上的优化可能源于CdO在玻璃网络中的作用，它能够促进玻璃的致密化，减少内部缺陷，从而增强其对辐射的防护能力。与此同时，CdO的添加还可能改善玻璃的光学性能，使其在某些应用场景中更具优势。

综上所述，该研究通过系统的实验和分析，揭示了CdO取代Al?O?对钠钡磷酸盐玻璃体系的多方面影响。从物理性能到结构特性，再到光学性能和辐射屏蔽能力，CdO的引入都带来了显著的提升。这些结果不仅为新型辐射屏蔽材料的设计和开发提供了理论依据，也为实际应用中的材料选择提供了参考。未来的研究可以进一步探讨CdO在不同玻璃体系中的作用机制，以及其与其他成分的相互作用对性能的影响，从而推动辐射屏蔽材料的创新和发展。