钡氧化物改性硼硅酸盐玻璃在医疗与工业透明辐射屏蔽窗开发中的应用研究

为解决传统铅基材料在辐射防护中存在的透明度不足和环境污染问题，研究人员通过熔融淬火技术制备了含0-40 mol% BaO的硼硅酸盐玻璃（BG），系统研究了BaO含量对材料物理、光学及γ射线屏蔽性能的影响。实验结合蒙特卡洛模拟（PHITS）与理论计算（WinXCom）证实，20 mol% BaO玻璃在0.356 MeV低能区展现出最优屏蔽性能（μ=0.35 cm-1，HVL=1.92 cm），同时保持70-80%透光率，成功制成大尺寸透明板材，为医疗放射性碘治疗（RAI）和核工业观察窗提供了环保替代方案。

　　

在医疗与核工业领域，辐射防护材料（RSMs）的透明性与环保性长期面临挑战。传统铅和混凝土（L&C）虽具有优异的衰减能力，但其不透明性和重量限制了在观察窗等场景的应用。特别是在甲状腺癌放射性碘治疗（RAI）中，¹³¹I释放的γ射线（0.364 MeV）对医护人员构成风险，亟需开发兼具透明度和防护效能的材料。硼硅酸盐玻璃（BG）因其光学性能和环境友好性成为研究热点，但低有效原子序数（Z_eff）限制了其屏蔽效能。

为突破这一瓶颈，泰国国家研究委员会（NRCT）资助的研究团队通过熔融淬火技术制备了含0-40 mol% BaO的BG玻璃（组分式：xBaO:9.6Na₂O:12K₂O:12.4B₂O₃:(66-x)SiO₂），系统评估了BaO掺杂对材料性能的影响。研究采用密度测量（阿基米德原理）、透射率测试、蒙特卡洛模拟（PHITS代码）与理论计算（WinXCom软件）相结合的方法，并利用¹³³Ba（0.356 MeV）、¹³⁷Cs（0.662 MeV）和⁶⁰Co（1.332 MeV）标准源进行实验验证。

玻璃形状与物理特性
BaO含量从0增至40 mol%时，密度由2.51 g/cm³线性提升至3.44 g/cm³，而摩尔体积呈现非线性变化，表明BaO在20 mol%附近达到网络修饰极限。这种密度提升直接源于Ba（Z=56）对Si（Z=14）的原子替代。

辐射屏蔽性能
在0.356 MeV低能区，20 mol% BaO玻璃展现出最佳综合性能：质量衰减系数（μ）达0.35 cm^-1，Z_eff为14.94，半值层（HVL）仅1.92 cm，铅当量厚度0.35 mm。蒙特卡洛模拟显示其光子衰减机制以光电效应为主（<0.1 MeV），与WinXCom理论值误差<5%。值得注意的是，该组分玻璃在可见光区保持70-80%透光率，成功制成30×40 cm²级透明板材，满足ICRP防护标准。

结论与意义
该研究首次实现BaO改性BG玻璃从实验室样品（1.5×1.0×0.2 cm³）到工程级产品的跨越。20 mol% BaO组分在成本（降低B₂O₃用量）、工艺（1100℃熔融温度）与性能间取得平衡，其0.356 MeV屏蔽效率较传统铅玻璃提升17%，为RAI治疗室和核电站观察窗提供了符合ALARA（合理可行最低）原则的解决方案。J. Kaewkhao团队通过多尺度验证（实验-模拟-理论）建立的性能预测模型，为后续开发含Bi₂O₃等高Z氧化物玻璃提供了方法论基础。论文发表于《Radiation Physics and Chemistry》，标志着透明辐射屏蔽材料向产业化迈出关键一步。