高密度镧掺杂硼酸铋玻璃：一种环保型辐射屏蔽窗材料的创新研究

为解决铅基辐射屏蔽窗材料的环境健康风险问题，研究人员开发了xLa2 O3 –30Bi2 O3 -(100-x)B2 O3 （x=0-9 mol%）新型玻璃体系。通过密度、硬度及UV-Vis测试发现6 mol% La2 O3 掺杂样品（L6）在1 kGy γ射线辐照后具有最优辐射稳定性（密度5.46 g/cc，硬度484 kg/mm2 ），其低辐射诱导吸收系数和BO4 四面体结构证实了该材料作为无铅RSW（辐射屏蔽窗）的潜力。

　　

在核电站控制室和医疗影像室等场景中，传统铅基辐射屏蔽窗（RSW）虽成本低廉但存在重金属污染风险。随着环保法规日益严格，开发兼具高透明度和辐射衰减性能的无铅材料成为研究热点。硼酸铋玻璃因Bi₂
O₃
的高原子序数（Z=83）和8.9 g/cm3密度被视为理想替代品，但其长期辐照稳定性仍需优化。

为解决这一难题，由Board of Research in Nuclear Sciences（BRNS）资助的研究团队通过熔融淬火技术制备了xLa₂
O₃
–30Bi₂
O₃
-(100-x)B₂
O₃
系列玻璃（x=0-9 mol%），系统评估了La₂
O₃
掺杂对材料性能的影响。研究发现6 mol% La₂
O₃
掺杂的L6样品在1 kGy γ射线辐照后展现出最佳综合性能：密度达5.46 g/cc，维氏硬度提升至484 kg/mm²
，且在450-750 nm可见光波段具有最低辐射诱导吸收系数。拉曼光谱证实该组分中BO₄
四面体结构的形成是增强辐射稳定性的关键因素。这项发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》的研究为开发环保型RSW提供了重要参考。

研究采用X射线衍射（XRD）验证非晶态结构，阿基米德法测量密度变化，UV-Vis光谱分析辐照前后透光率变化，维氏硬度计评估机械性能，并结合拉曼光谱解析结构演变。所有样品均采用⁶⁰
Co源进行1 kGy剂量γ射线辐照实验。

玻璃制备
通过传统熔融淬火技术制备四组不同La₂
O₃
含量的玻璃样品，原料采用99%纯度Bi₂
O₃
和99.9% H₃
BO₃
，在1100°C铂金坩埚中熔融后快速淬冷。

XRD
所有样品在10°-70°角度范围内均呈现典型非晶态弥散峰，无结晶相特征峰。

密度测量
随La₂
O₃
含量增加，密度从5.08 g/cc（L0）线性增至5.46 g/cc（L9），证实La³⁺
取代轻质B₂
O₃
可提升原子堆积密度。

讨论
L6样品表现出特殊的辐射稳定性源于两方面：La₂
O₃
作为网络修饰体促进BO₄
四面体形成，增强结构刚性；同时Bi₂
O₃
与La₂
O₃
的协同效应优化了电子空穴陷阱分布。

结论
6 mol% La₂
O₃
掺杂的硼酸铋玻璃在保持高密度（5.46 g/cc）前提下，其辐照后硬度（484 kg/mm²
）和透光性显著优于商用铅玻璃，且环境毒性显著降低。该研究为核设施和医疗场所示窗材料提供了符合绿色化学理念的新选择。