Tb4O7对B2O3–Bi2O3–Na2O–Al2O3玻璃体系的结构、光学性能以及伽马射线、带电粒子和中子屏蔽性能的影响

《Radiation Physics and Chemistry》：Influence of Tb 4O 7 on structural, optical and gamma, charged particle and neutron shielding properties B 2O 3–Bi 2O 3–Na 2O–Al 2O 3 glass system

硼酸盐玻璃中铽氧化物掺杂对结构、光学及多类型辐射屏蔽性能的影响研究。通过XRD、SEM、UV-Vis及FT-IR分析，发现Tb4O7的添加显著提升质量衰减系数，尤其在59.54keV时达97.4%增强，同时优化了光学传输性能。研究系统揭示了Bi-O-Bi链结构、硼酸环及铽掺杂对γ射线、中子及带电粒子衰减的协同作用。

　　本研究聚焦于一种新型玻璃材料的制备与性能评估，该材料由多种氧化物组成，其中包括75-x mol%的B?O?（硼酸三氧化二硼）、10 mol%的Bi?O?（氧化铋）、5 mol%的Na?O（氧化钠）、10 mol%的Al?O?（氧化铝）以及x mol%的Tb?O?（三氧化二铽）。通过改变Tb?O?的含量（x分别为0、1、2、3、4 mol%），研究人员系统地分析了这种玻璃体系在结构、光学以及对伽马射线、带电粒子和中子的辐射屏蔽性能。这种玻璃材料因其在多种应用领域中的潜在价值而受到关注，特别是在需要同时满足光学透明度和辐射防护需求的场景中。

在研究过程中，实验测量涵盖了质量衰减系数（MAC）、线性衰减系数（LAC）、平均自由路径（MFP）、半值层（HVL）以及中子吸收剂量率等关键参数。这些参数对于评估材料的辐射屏蔽能力至关重要。此外，理论计算则借助EpiXS软件进行，以提供更深入的物理机制分析。为了进一步理解材料的性能，研究还使用了SRIM程序计算了质子和α粒子的质量停止功率及投影范围。这些数据不仅揭示了材料对不同辐射类型的响应，还帮助研究人员理解其内部结构如何影响这些性能。

在结构分析方面，研究采用了拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）技术。拉曼光谱能够检测材料的振动模式，从而提供关于分子结构和化学键的信息。FT-IR分析则有助于识别材料中的功能基团及其结合方式。这两种光谱技术的结果共同表明，该玻璃体系具有复杂的结构特征，其中包括[BiO?]单元中的Bi–O–Bi键合结构、B–O–B连接、焦硼酸链以及硼酸环。这些结构的多样性使得玻璃材料在辐射防护方面表现出独特的性能。

在光学性能方面，研究通过紫外-可见光谱（UV–Vis）分析了玻璃的光学吸收和透明度。结果显示，该玻璃体系的直接和间接带隙分别在2.19至2.68 eV和1.67至2.03 eV之间变化，这表明其具有良好的光学传输能力。同时，玻璃的折射率在2.48至2.65之间波动，而光学介电常数则在5.15至6.02之间变化。这些光学特性使得该材料在需要高透明度的应用中具备优势，例如医疗成像或工业摄影。

值得注意的是，当Tb?O?的含量增加到1 mol%时，材料在59.54 keV能量下的质量衰减系数提升了20.47%，而在609.3 keV能量下的提升幅度则相对较小，仅为3.52%。随着Tb?O?含量进一步增加到4 mol%，材料在59.54 keV下的质量衰减系数提升了97.4%，而在609.3 keV下的提升幅度为8.45%。这一结果表明，Tb?O?的引入对伽马射线的屏蔽效率具有显著的提升作用，尤其是在较低能量范围内。这可能与Tb?O?中的稀土元素具有较高的原子序数有关，因为高原子序数的元素通常能够更有效地吸收高能辐射。

该研究的意义在于，它不仅展示了Tb?O?在提升玻璃材料辐射屏蔽性能方面的潜力，还揭示了玻璃材料在同时满足光学透明度和辐射防护需求方面的可能性。目前，许多研究主要集中在单一重金属氧化物或稀土元素的玻璃体系，而很少有研究能够同时评估材料的结构、光学和多类型辐射屏蔽性能。因此，这项研究填补了这一领域的空白，为未来开发高性能辐射防护材料提供了重要的理论依据和实验数据支持。

此外，该玻璃体系的制备采用了熔融淬火法，这是一种常见的玻璃合成技术，能够通过快速冷却熔融的原料来形成非晶态结构。这种方法确保了玻璃样品的均匀性和稳定性，从而使得后续的性能测试更加可靠。在制备过程中，所有原料均按照精确的重量比例进行称量和混合，以保证实验的一致性和可重复性。研究人员还通过磁力搅拌确保了原料的充分混合，这有助于形成均匀的玻璃结构。

XRD（X射线衍射）分析的结果显示，所有合成的玻璃样品均呈现出非晶态结构，其特征在于在2θ值范围20°至90°之间出现的宽泛峰。这种非晶态结构通常与玻璃的高结构多样性相关，同时也意味着材料的物理和化学性能可能更加复杂。UV–Vis NIR光谱的测量结果则进一步支持了这一观点，显示出不同Tb?O?含量对玻璃光学性能的影响。而扫描电子显微镜（SEM）图像则提供了关于玻璃表面形貌的直观信息，有助于理解材料在微观尺度上的结构特征。

在辐射屏蔽性能方面，该研究不仅关注了伽马射线的防护能力，还特别考虑了中子和带电粒子的防护效果。这种多类型辐射的综合评估对于实际应用至关重要，因为不同的辐射类型在穿透能力和能量损失机制上存在显著差异。例如，伽马射线主要通过光电效应、康普顿散射和电子对产生等机制与物质相互作用，而中子则主要通过与原子核的相互作用来被吸收或散射。因此，对材料进行多类型辐射的综合分析，有助于全面评估其在不同辐射环境中的适用性。

研究结果表明，随着Tb?O?含量的增加，玻璃材料在伽马射线防护方面的表现显著改善。这一发现为未来开发具有更高辐射防护性能的玻璃材料提供了新的思路。同时，该研究也强调了结构分析在理解材料性能中的重要性，因为玻璃的结构特征直接影响其对不同辐射类型的响应。通过结合结构、光学和辐射屏蔽性能的综合分析，研究人员能够更准确地预测和优化材料的性能，从而满足不同应用场景的需求。

本研究的创新之处在于，它不仅探讨了Tb?O?对伽马射线防护能力的影响，还系统地评估了其对中子和带电粒子的防护效果。这种多维度的评估方法使得研究人员能够全面了解该玻璃体系在辐射防护领域的潜力。此外，该研究还结合了多种分析手段，包括XRD、UV–Vis NIR光谱和SEM，以提供更全面的材料特性数据。这种跨学科的研究方法有助于深入理解材料的结构与性能之间的关系，为未来的材料设计和应用提供了坚实的理论基础。

在实际应用中，这种新型玻璃材料可能具有广泛的用途。例如，在医疗领域，它可用于辐射防护设备，如防护罩或成像设备的外壳，以确保在提供必要成像功能的同时，有效保护医护人员和患者免受辐射伤害。在核工业中，这种材料可能用于建造辐射屏蔽设施，以减少放射性物质对周围环境的影响。此外，在空间探索和高能物理实验中，这种材料也可能作为重要的辐射防护组件，以保护设备和人员免受宇宙射线或高能粒子的伤害。

值得注意的是，尽管Tb?O?的引入显著提升了材料的伽马射线防护能力，但其对中子和带电粒子的防护效果相对有限。这可能意味着，在某些特定的辐射防护场景中，需要结合其他材料或技术来进一步提升防护性能。例如，在需要同时防护伽马射线和中子的应用中，可以考虑将该玻璃材料与其他具有较高中子防护能力的材料复合使用，以实现更全面的辐射防护。

此外，该研究还提到，Tb?O?的引入对玻璃的光学性能产生了积极影响。这使得该材料在需要同时满足光学透明度和辐射防护需求的场景中具有独特的优势。例如，在工业辐射检测或环境监测设备中，该材料可以作为防护窗口，既允许光线透过，又能够有效阻挡有害的辐射。这种双重功能的材料设计可能为未来的辐射防护技术带来新的突破。

总的来说，这项研究为新型辐射防护玻璃材料的开发提供了重要的数据支持和理论依据。通过系统地分析不同Tb?O?含量对材料性能的影响，研究人员不仅揭示了Tb?O?在提升伽马射线防护能力方面的潜力，还强调了结构分析和光学性能评估在理解材料行为中的重要性。这些发现对于推动辐射防护材料的研究和应用具有重要意义，尤其是在需要兼顾光学透明度和辐射防护性能的领域。未来的研究可以进一步探索该玻璃体系在不同环境条件下的性能表现，以及其在实际应用中的可行性和优化方向。