钕掺杂硼酸钡玻璃的组成与辐射屏蔽性能相关性研究

为解决传统辐射屏蔽材料（如铅和混凝土）在透明度、耐久性和环保性方面的不足，研究人员开展了钕掺杂硼酸钡玻璃的辐射屏蔽性能研究。通过Phy-X模拟和Eu-152源能量测试，发现增加BaO和Nd2 O3 含量可显著提升玻璃的辐射防护效率（RPE）并降低透射因子（TF），其中Ba24Nd3样品表现最优。该研究为开发透明、高效且可定制的辐射屏蔽材料提供了新思路，适用于医疗和核能领域。

　　

在医疗诊断、核能工业和太空探索等领域，电离辐射的防护一直是科学家和工程师面临的重大挑战。传统辐射屏蔽材料如铅和混凝土虽然有效，但存在重量大、不透明、易老化等问题。特别是铅材料，尽管其高密度和低成本使其成为主流选择，但长期使用可能造成环境污染。此外，在医疗成像等需要视觉观察的场景中，透明屏蔽材料的需求日益迫切。玻璃材料因其透明性和可调制的化学组成，成为辐射屏蔽领域的新宠。然而，普通玻璃的辐射屏蔽性能有限，如何通过成分优化提升其防护能力成为研究热点。

针对这一科学问题，研究人员开展了钕掺杂硼酸钡玻璃的辐射屏蔽性能研究。通过系统调整玻璃中BaO和Nd₂
O₃
的含量，制备了四种不同组分的玻璃样品（Ba18Nd0、Ba20Nd1、Ba22Nd2和Ba24Nd3），并利用Phy-X程序模拟了这些玻璃在Eu-152源发射能量下的辐射屏蔽性能。研究重点关注了透射因子（TF）、辐射防护效率（RPE）、线性衰减系数（LAC）、有效原子数（Z_eff
）、半值层（HVL）和平均自由程（MFP）等关键参数。

在研究方法上，团队采用熔融淬火法制备玻璃样品，通过精确控制BaO和Nd₂
O₃
的摩尔百分比（0-3%）来调节玻璃组成。利用Phy-X程序计算了各样品在不同能量（0.01-1.5 MeV）下的辐射屏蔽参数，包括基于Lambert-Beer定律的衰减系数、半值层厚度等。通过对比分析不同组分玻璃的密度与屏蔽性能关系，评估了Nd₂
O₃
掺杂对辐射防护效果的提升作用。

研究结果显示，玻璃样品的辐射屏蔽性能与其组成密切相关。在透射因子分析中，Ba18Nd0样品在0.25-1.25 cm厚度范围内表现出明显的厚度依赖性，TF值随厚度增加而降低。特别是在低能区（<0.296 MeV），所有样品的TF接近零，表明其对低能光子几乎完全吸收。组分对比发现，Ba24Nd3（含3% Nd₂
O₃
）的TF最低（0.467），显著优于未掺杂的Ba18Nd0（0.497）。

辐射防护效率测试进一步验证了这一趋势。Ba24Nd3在0.411 MeV能量下的RPE最高，与其最大密度（4.562 g/cm³
）直接相关。密度与RPE的正相关关系表明，增加玻璃中高原子序数元素（如Ba和Nd）的含量可有效提升屏蔽性能。在平均自由程方面，Ba24Nd3同样表现最优，其MFP值（0.982 cm）明显低于其他样品，证实了高密度材料可减少光子平均穿透距离。

线性衰减系数分析揭示了能量依赖性的屏蔽机制。在低能区（0.0395 MeV），所有样品均表现出极高的LAC值（43.264-51.309 cm^-1
），主要归因于光电效应主导的相互作用。随着能量升高至康普顿散射区（0.1-1.5 MeV），LAC呈指数衰减，但Ba24Nd3始终保持最高值，凸显其在宽能谱范围内的优势。

有效原子数（Z_eff
）的研究提供了原子尺度上的解释。在0.034 MeV时，所有样品的Z_eff
达到峰值（约60.00），随后随能量增加而下降。值得注意的是，Ba24Nd3在所有能量点均保持最高Z_eff
，如在0.855 MeV时为17.50，明显高于Ba18Nd0的15.00。这一结果与LAC趋势一致，证实高Z_eff
材料更有利于辐射屏蔽。

半值层和十值层分析为实际应用提供了重要参考。在0.122 MeV时，所有样品的HVL约为0.10 cm，而TVL为0.348-0.389 cm。随着能量升高至0.867 MeV，Ba24Nd3的TVL（7.189 cm）显著低于Ba18Nd0（7.707 cm），表明高掺杂样品可减少所需屏蔽厚度。特别是在医疗诊断常用能量范围（0.1-0.5 MeV），Ba24Nd3的优异性能使其成为潜在替代材料。

质量衰减系数（MAC）的对比进一步验证了组分优化的效果。在0.122 MeV时，Ba24Nd3的MAC达到1.445 cm²
/g，比Ba18Nd0（1.398 cm²
/g）提高3.4%。这种差异在低能区更为明显，如0.122 MeV时的LAC增强因子为1.118，证实Nd₂
O₃
掺杂可显著提升硼酸钡玻璃的光子捕获能力。

该研究的结论部分强调，通过调控BaO和Nd₂
O₃
含量可有效优化硼酸钡玻璃的辐射屏蔽性能。其中，Ba24Nd3样品展现出最佳的防护特性，包括最低的TF、最高的RPE和Z_eff
，以及最短的MFP。这些性能提升主要归因于Nd₂
O₃
引入带来的密度增加和原子序数提高。研究还发现，玻璃的屏蔽效果在低能区（<0.3 MeV）尤为显著，这与其在光电效应主导能区的优异表现相符。

从应用角度看，这项研究为开发新型透明辐射屏蔽材料提供了重要指导。相比传统铅玻璃，钕掺杂硼酸钡玻璃不仅具备良好的屏蔽性能，还可能通过组分调整实现光学特性的优化。在医疗辐射防护、核设施观察窗、太空辐射屏蔽等领域具有广阔应用前景。未来研究可扩展至更宽能量范围（0.015-15 MeV）或其他辐射源的测试，并探索这类材料的机械性能和化学稳定性。该成果发表在《Kuwait Journal of Science》，为辐射防护材料领域提供了有价值的参考。