氧化镧浓度对CoO-Na2O-B2O3玻璃体系光学特性、磁谱及辐射屏蔽效能的调控机制研究

为开发高性能辐射防护材料，研究人员系统研究了La2O3掺杂对硼酸盐玻璃光学-磁学-屏蔽性能的协同调控。发现La2O3含量增至9 mol%时，光学带隙从3.45 eV降至3.12 eV，非线性折射指数达2.36 esu，线性衰减系数提升60%（0.284 MeV），证实该材料在医疗/核工业辐射防护领域具有应用潜力。

　　

随着医疗放射治疗、核能工业和安检技术的快速发展，电离辐射防护已成为关乎公共安全的重要议题。传统屏蔽材料如铅板存在重量大、毒性高、透光性差等缺陷，而普通玻璃虽具透光优势却屏蔽效能不足。这一矛盾促使科学家将目光投向新型功能玻璃材料——通过引入重稀土元素提升密度，同时保持光学透明特性。其中，镧系氧化物因其独特的4f电子构型、高极化率和环境稳定性，成为优化玻璃辐射屏蔽性能的理想候选。

在这项发表于《Radiation Physics and Chemistry》的研究中，Princess Nourah bint Abdulrahman University（沙特阿拉伯努拉公主大学）的Abd El-razek Mahmoud团队设计了一系列含钴硼酸盐玻璃[79-xB₂O₃-20.6Na₂O-0.4CoO-xLa₂O₃]，通过熔融淬火法制备样品，系统考察La₂O₃浓度（0-9 mol%）对材料多维度性能的影响。研究采用X射线衍射（XRD）验证非晶结构，紫外-可见光谱测定光学参数，电子自旋共振（ESR）分析Co²⁺配位环境，并基于γ射线透射实验计算屏蔽参数。

关键研究发现

1. 结构特性：XRD谱图显示所有样品均呈现典型非晶弥散峰，La₂O₃的引入进一步增强了玻璃网络的无序度。
2. 光学性能：随着La₂O₃含量增加，光学带隙从3.45 eV单调递减至3.12 eV，归因于镧离子引起的电子极化率增强。三阶非线性极化率从3.81×10^-11 esu提升至4.95×10^-11 esu，证实材料具备光限幅应用潜力。
3. 磁学表征：ESR谱在3440 G处出现特征信号（g≈2.04），表明Co²⁺以四面体配位形式存在，这种特殊配位构型有助于维持玻璃的磁学-光学协同效应。
4. 辐射屏蔽：在0.284 MeV光子能量下，线性衰减系数从0.232 cm^-1显著提升至0.372 cm^-1，半值层厚度由2.984 cm缩减至1.864 cm，9 mol% La₂O₃样品展现出最优防护效率。

这项研究的重要意义在于：首次在单一硼酸盐玻璃体系中实现了光学透明性、非线性光学响应与辐射屏蔽性能的三重优化。通过精确调控La₂O₃浓度，获得的材料既满足医用铅玻璃的防护要求（HVL<2 cm），又具备常规屏蔽材料缺乏的宽光谱透光特性。该成果为开发新一代智能辐射防护窗材、核医学观察窗等应用提供了理论依据和材料基础。特别值得注意的是，研究中采用的熔融淬火法具有工艺简单、成本低廉的优势，有利于未来规模化生产。