锂四硼酸盐玻璃掺锶改性：一种兼具γ射线与快中子屏蔽性能的无铅防护材料

《Radiation Physics and Chemistry》：Witherite-Modified Lithium Tetraborate Glasses: A Promising candidate for Gamma-ray and Fast Neutron Shielding Applications

为解决传统辐射防护材料含铅有毒、难以兼顾γ射线和快中子屏蔽的问题，研究人员通过熔融淬火法制备了掺入0-20 wt%碳酸锶（BaCO3）的锂四硼酸盐（Li2B4O7）玻璃。结果表明，20 wt% BaCO3掺杂使玻璃密度提升至2.54 g/cm3，在81 keV光子能量下线性衰减系数（LAC）达1.956 cm-1，快中子剂量吸收率提高至30.45%，实现了无铅材料的双功能防护突破。

　　

辐射防护领域长期面临两大挑战：含铅材料的环境毒性问题，以及单一材料难以同时屏蔽γ射线和快中子的技术瓶颈。传统铅玻璃虽具有优异的γ射线衰减性能，但其重金属特性限制了在医疗、核能等场景的应用；而常见中子屏蔽材料如含硼聚合物，又对高能光子防护效果有限。这种材料性能的割裂导致防护系统需要多层复合结构，显著增加了成本和设计复杂度。

研究人员通过创新性地将天然矿物碳酸锶（BaCO₃）引入锂四硼酸盐（Li₂B₄O₇，LB）玻璃基质，采用熔融淬火法成功制备出系列改性玻璃。X射线衍射（XRD）分析确认所有样品均保持非晶态结构，即使最高掺杂量（20 wt%）也未出现结晶峰。密度测试显示，BaCO₃的引入使玻璃密度从2.26 g/cm³线性提升至2.54 g/cm³，这主要归因于钡元素（原子序数56）的高原子量。

关键实验技术
研究采用Ba-133放射源（3 Ci）和高纯锗（Ultra Ge）探测器测定γ射线衰减性能，覆盖81-383 keV能谱；通过计算有效去除截面（Σ_R）评估快中子屏蔽能力；采用G-P方法计算0.015-15 MeV能区的积累因子（EBF/EABF）；所有玻璃样品通过熔融淬火法制备，组分包含0-20 wt% BaCO₃梯度。

Gamma-ray衰减性能
在81 keV低能区，线性衰减系数（LAC）从纯LB玻璃的0.382 cm^-1跃升至1.956 cm^-1（20 wt%样品），增幅达412%。质量衰减系数（MAC）同步从0.169 cm²/g提升至0.771 cm²/g。半值层（HVL）厚度从1.814 cm锐减至0.354 cm，意味着同等防护效果下材料厚度可减少80%。这种增强主要源于钡元素的高光电效应截面，在低能区尤为显著。

快中子屏蔽特性
尽管钡元素对中子相互作用较弱，LB基质中的硼元素（¹⁰B）通过(n,α)反应维持了优异的中子吸收能力。计算显示所有样品的有效去除截面（Σ_R）稳定在0.10957-0.10991 cm^-1范围。实验测量证实20 wt%样品可吸收30.45%入射中子剂量，证明钡掺杂未损害基体的中子屏蔽性能。

积累因子分析
在0.015-15 MeV宽能区内，20 wt%掺杂玻璃的积累因子（EBF/EABF）始终低于未掺杂样品，尤其在1-5 MeV能区差异最显著。这表明高钡含量不仅能提高初级辐射衰减，还可有效减少次级辐射的产生。

这项研究开创性地证明，通过精确调控BaCO₃掺杂比例（5-20 wt%），可使锂四硼酸盐玻璃同时具备优异的γ射线与快中子屏蔽性能。其核心突破在于：①利用钡元素增强光电效应，解决低能γ射线防护难题；②保留硼基体的中子吸收特性，实现"一材双效"；③所有组分环境友好，规避了铅材料的毒性风险。这种新型玻璃在核电站屏蔽窗、医疗放射治疗室等场景具有重大应用潜力，为下一代无铅防护材料设计提供了范式转变。论文成果发表在《Radiation Physics and Chemistry》，标志着辐射防护材料领域的重要进展。