BaO对钡镍磷酸盐玻璃结构、光学及辐射屏蔽特性的影响机制研究

本研究针对辐射防护材料的光学透明性与屏蔽效能难以兼顾的难题，通过熔融法制备(17+x)BaO-(3-x)NiO-80P2 O5 玻璃体系，系统探究BaO替代NiO对玻璃密度、光学带隙(Eopt )、Urbach能量(Eu )及γ射线屏蔽参数(MAC/LAC/HVL)的调控规律。发现最高BaO含量样品(S5)具有最优辐射衰减性能(MFP降低22%)，同时保持高透明度，为开发新型透明防护材料提供理论依据。

　　

随着核技术在医疗诊断（如CT扫描）和太空探索等领域的广泛应用，如何有效屏蔽高能γ射线同时保持材料光学透明性成为重大挑战。传统铅基屏蔽材料存在毒性大、不透光等缺陷，而普通光学玻璃又难以兼顾辐射防护需求。磷酸盐玻璃因其独特的非线性光学特性和可掺杂重金属离子的优势，被视为理想候选材料，但其化学稳定性和屏蔽效能的协同优化仍是未解难题。

沙特阿拉伯的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表创新研究，通过精确调控BaO对NiO的替代比例(0-3 mol%)，成功制备出兼具高透明度与优异辐射屏蔽性能的钡镍磷酸盐玻璃。研究采用熔融淬火法结合Phy-X/PSD软件模拟，首次揭示BaO含量与玻璃结构有序度、光学带隙及γ射线衰减效率的多维构效关系。

关键技术包括：1) 传统熔融法制备玻璃样品；2) XRD和FT-IR表征非晶结构；3) UV-Vis-NIR光谱测定光学参数；4) Phy-X程序计算辐射屏蔽指标。

【物理特性】密度(ρ)从3.39增至4.27 g/cm³
，摩尔体积(V_m
)下降，证实Ba²⁺
有效填充玻璃网络间隙。XRD显示典型非晶弥散峰，FT-IR证实[BaO₆
]基团在912 cm^-1
的特征振动。

【光学性能】间接光学带隙(E_opt
^ind.
)从3.18 eV升至3.634 eV，Urbach能量(E_u
)从0.335降至0.291 eV，表明BaO增强网络聚合度。折射率(n)达2.24-2.35，非线性光学极化率(χ⁽³⁾
)提升38.6%。

【辐射屏蔽】在15 keV时质量衰减系数(MAC)达17.20 cm²
/g，高于普通铅玻璃。半值层(HVL)和平均自由程(MFP)呈现S5<><><>

该研究突破性地证明：通过BaO对NiO的等摩尔替代，可实现玻璃"密度-光学带隙-屏蔽效能"的三重调控。其中S5组分在保持可见光区85%透光率的同时，其MFP值比基准玻璃(S1)降低22%，为设计新一代透明辐射防护窗材提供重要理论支撑。这种组分可调的设计策略，在核医学防护罩、太空舱观察窗等场景具有广阔应用前景。