铋掺杂钠钙硅酸盐玻璃的辐射屏蔽性能优化及其在医疗/工业窗口中的应用研究

本研究针对铅基辐射屏蔽材料毒性高、成本昂贵的问题，开发了Bi2O3掺杂的钠钙硅酸盐玻璃系统（B1-B4）。通过Compton散射技术、WinXCom理论和PHITS蒙特卡罗模拟，证实增加Bi2O3含量可显著提升密度、有效原子数（Zeff）及辐射衰减能力，其中B1样品实现器官剂量降低12.96%（如升结肠），并成功制备大尺寸透明面板，为医疗/工业辐射防护窗提供了无铅解决方案。

　　

在医疗放射治疗室和工业辐射环境中，透明防护窗是保障人员安全的关键组件。传统铅基玻璃虽屏蔽性能优异，但存在毒性风险和生产成本高的弊端，尤其对依赖进口的国家更是沉重负担。随着ALARA（合理可行最低）原则的推广，开发兼具高效防护、光学透明度和规模化生产潜力的无铅材料成为迫切需求。泰国国家研究委员会资助的研究团队通过创新铋氧化物（Bi₂O₃）掺杂策略，在廉价钠钙硅酸盐玻璃基体中实现了这一目标。

研究采用熔融-淬火法制备了含5-20 mol% Bi₂O₃的玻璃系统（B1-B4），通过Compton散射技术实测质量衰减系数，结合WinXCom理论计算和PHITS蒙特卡罗程序模拟验证数据。关键发现包括：Bi₂O₃含量从5%增至20%时，密度提升23%，有效原子数（Z_eff）从49.2增至60.1；在0.662 MeV能量下，半值层（HVL）从2.21 cm（B1）降至1.62 cm（B4），证实衰减效率与Bi含量正相关。PHITS人体模型模拟显示，B1样品可降低升结肠等器官剂量达12.96%。尤为重要的是，B1组分成功制成大尺寸面板，突破实验室尺度限制，其可见光透过率与商业玻璃相当。

关键技术方法
研究通过熔融-淬火法制备玻璃样品，采用Compton散射技术测量γ射线衰减性能，结合WinXCom理论计算和PHITS蒙特卡罗程序进行模拟验证，包括X射线屏蔽模拟和人体器官剂量评估。

研究结果

1. 玻璃样品制备：通过精确控制Bi₂O₃/BaO/Sb₂O₃/SiO₂比例，获得均匀无气泡玻璃，其中Sb₂O₃有效减少熔制过程气泡形成。
2. 物理性能：Bi₂O₃增加导致Si重量分数从0.1399（B1）降至0.0721（B4），密度线性增长至5.82 g/cm³（B4）。
3. 屏蔽性能：在0.662 MeV时，B4的HVL较B1降低26.7%，Z_eff提升22%，电子密度（N_eff）增加19%。
4. 蒙特卡罗验证：PHITS模拟显示B1对120 kVp X线的衰减系数达0.285 cm^-1，器官剂量降低效果显著。

结论与意义
该研究首次实现Bi₂O₃掺杂钠钙硅酸盐玻璃的规模化生产，B1组分在辐射防护（HVL 2.21 cm）、光学性能（>80%可见光透过率）和工艺可行性三者间取得最佳平衡。其创新性在于：① 以廉价商用玻璃为基础，通过组分优化获得高性能屏蔽材料；② 通过PHITS模拟量化器官剂量降低效果；③ 解决无铅玻璃难以规模化生产的行业痛点。研究成果发表于《Radiation Physics and Chemistry》，为医疗放射科室和核工业设施提供了兼具经济性和安全性的透明防护解决方案，尤其适用于需实时观察的辐射环境。