含GeO2 多孔玻璃的光子衰减特性与辐射屏蔽性能研究

为解决辐射防护材料在低能光子(<0.1 MeV)场景下的性能优化问题，研究人员通过调控SiO2 -GeO2 -Na2 O-B2 O3 玻璃体系中GeO2 含量(22-55 mol.%)，系统评估了质量衰减系数(MAC)、有效原子序数(Zeff )等参数。结果表明SiGeNaB4(55% GeO2 )的MAC达42.61 cm2 /g，显著优于传统屏蔽材料，为医疗/核设施辐射防护提供了新型透明材料解决方案。

　　

随着核技术医疗应用的普及，电离辐射防护成为重大公共卫生课题。传统铅基材料存在毒性大、透明度差等缺陷，而普通玻璃对低能光子(如诊断用X射线)的屏蔽效率不足。这促使科学家探索兼具高透明度和优异辐射衰减性能的新型玻璃材料。其中，含重金属氧化物(HMOG)的玻璃因具有高原子序数组分和可调控光学特性，被视为理想候选材料。

沙特阿拉伯的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表的研究中，创新性地采用熔融淬冷法制备了含不同比例GeO₂
(22-55 mol.%)的SiO₂
-GeO₂
-Na₂
O-B₂
O₃
多孔玻璃体系(代号SiGeNaB1-SiGeNaB4)。通过XCOM程序计算质量衰减系数(MAC)、质量能量吸收系数(MEAC)等参数，结合Phy-X/PSD软件分析暴露累积因子(EBF)，系统评估了材料在0.015-15 MeV能区的辐射屏蔽性能。

研究采用的关键技术包括：(1)基于NIST数据库的XCOM程序计算MAC值；(2)通过GP拟合参数法确定等效原子数(Z_eq
)；(3)利用Phy-X/PSD软件计算暴露累积因子(EBF)和能量吸收累积因子(EABF)；(4)伽马剂量率模型评估实际屏蔽效果。

【质量衰减和能量吸收系数】
在0.015 MeV低能区，SiGeNaB4(55% GeO₂
)的MAC值达42.61 cm²
/g，较最低组分样品(SiGeNaB1)提升149%。这种优势源于Ge(原子序数32)的光电效应增强作用。值得注意的是，当能量>1 MeV时，各样品MAC差异缩小至0.06-0.07 cm²
/g，说明GeO₂
对高能区屏蔽贡献有限。

【有效原子参数】
Z_eff
和N_eff
在<0.1 MeV能区呈现显著组分依赖性。SiGeNaB4的Z_eff
峰值达29.9，比SiGeNaB1(23.3)提升28%，证实高Ge含量可优化材料的原子级屏蔽特性。这种优势在>0.3 MeV能区逐渐减弱，与Compton散射主导的相互作用机制转变相关。

【剂量率与累积因子】
在2 cm厚度下，SiGeNaB4对0.015 MeV光子的剂量率衰减率达98%，且其EBF值在40 mfp深度时仍保持低于2.5，显著优于参照样品。这表明该材料在深部组织防护场景具有独特优势。

这项研究证实，通过调控GeO₂
含量可显著提升玻璃材料对低能光子的屏蔽性能。SiGeNaB4样品因其高Ge含量(55 mol.%)展现出最佳综合性能：在0.015 MeV能区的MAC值达42.61 cm²
/g，Z_eff
接近30，且具备优异的剂量率衰减特性。该材料不仅克服了传统铅玻璃的毒性缺陷，其透明特性更适用于医疗诊断室的观察窗等特殊场景。研究为开发新一代辐射防护材料提供了重要理论依据和材料设计策略，对提升放射治疗安全性具有重要实践意义。