基于PSO-BP神经网络的具有多个辐射源的3D伽马辐射场重建

《Radiation Physics and Chemistry》：Reconstruction of 3D Gamma Radiation Field with Multiple Radiation Sources Based on PSO-BP Neural Network

本研究采用熔淬法制备了多组分磷-硅-碲酸盐玻璃，系统研究了铕氧化物掺杂量对材料结构、物理性能及辐射屏蔽效果的影响。实验表明，掺杂1.6 wt% Eu?O?的玻璃具有最佳性能：非晶态结构（XRD证实）、密度3.27 g/cm3、杨氏模量98.5 GPa，光带隙直接/间接跃迁（3.127-3.341 eV），Urbach能量降低（0.214-0.281 eV），蒙特卡洛模拟显示其辐射防护效率达84.78%（0.122 MeV），接近商用铅基屏蔽材料。

　　这项研究探讨了多组分磷酸-硅酸-碲酸玻璃在辐射屏蔽方面的性能。这些玻璃通过熔融淬冷法制造，其化学组成包括30%的TeO?、15%的P?O?、15%的SiO?、20%的ZnF?以及（20 - x）%的BaCO?和x%的Eu?O?（其中x的取值为0.1、0.2、0.4、0.8和1.6 wt%）。研究重点在于分析Eu?O?掺杂浓度对玻璃物理性质和辐射屏蔽能力的影响。

X射线衍射（XRD）分析证实了这些玻璃样品为非晶态结构，没有出现任何结晶峰。这一结果表明，玻璃在制造过程中成功形成了稳定的无定形相。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步揭示了玻璃内部的结构变化和功能性基团的存在。通过FTIR光谱可以观察到不同波长范围内的吸收特征，这些特征反映了玻璃中化学键的分布和相互作用。例如，TeO?玻璃中常见的多面体结构在加入P?O?和SiO?后发生了显著变化，形成更复杂的网络结构，从而影响了其光学和机械性能。

随着Eu?O?掺杂浓度的增加，玻璃的密度和折射率呈现出明显的上升趋势。具体来说，密度从2.73 g/cm3增加到3.27 g/cm3，折射率则从1.647提升至1.702。这一变化主要是由于Eu?O?的高密度特性，以及其在玻璃结构中的均匀分布。密度的增加不仅有助于提高玻璃的辐射屏蔽能力，还可能改善其机械性能。实验数据显示，当Eu?O?含量达到1.6 wt%时，玻璃的杨氏模量达到了98.5 GPa，表明其机械刚性显著增强。这种增强可能源于Eu3?离子与玻璃网络之间的相互作用，形成了更紧密的结构，从而提高了玻璃的整体强度。

光学带隙分析揭示了玻璃中存在直接和间接的电子跃迁过程。直接带隙范围为3.210至3.341 eV，而间接带隙则在3.127至3.282 eV之间。这些带隙值的变化反映了玻璃中不同化学成分对电子能级结构的调控作用。Urbach能量的测定（0.214至0.281 eV）进一步表明，随着Eu?O?浓度的增加，玻璃的结构无序性显著降低。这可能是由于Eu3?离子的引入改变了玻璃网络的排列方式，使得原子间的键合更加均匀，从而减少了结构缺陷。

为了评估这些玻璃的辐射屏蔽性能，研究团队采用了蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟方法。模拟结果表明，随着Eu?O?掺杂浓度的提升，线性衰减系数（LAC）显著增加。在0.059 MeV的能量范围内，LAC增加了22.39%；而在10 MeV的能量范围内，LAC则增加了20.28%。这一结果表明，Eu?O?的掺杂有效增强了玻璃对高能光子的衰减能力。此外，半值层（HVL）的减小进一步验证了这一结论。在0.059 MeV能量下，HVL从0.074 cm减少至0.061 cm；而在10 MeV能量下，HVL则从8.192 cm降至6.805 cm。这些数据表明，Eu?O?的掺杂显著提升了玻璃的辐射防护效率，使其在特定能量范围内表现出接近传统铅基屏蔽材料的性能。

值得注意的是，当Eu?O?掺杂浓度达到1.6 wt%时，玻璃在0.122 MeV能量下的辐射保护效率（RPE）达到了84.78%，这一数值与商用铅基屏蔽材料相当。这表明，这种多组分玻璃不仅在结构和光学性能上有所优化，还在辐射屏蔽方面展现出良好的潜力。通过调节Eu?O?的掺杂比例，研究人员能够实现对玻璃屏蔽性能的精确控制，使其适用于不同类型的辐射环境。

在实际应用中，这种多组分玻璃可能成为传统铅基屏蔽材料的理想替代品。铅虽然具有优异的辐射屏蔽性能，但其毒性以及对环境的长期影响使得其在某些应用场景中受到限制。相比之下，Eu?O?掺杂的玻璃不仅具有更高的密度和机械刚性，还具备良好的光学透明性。这使得它们在需要同时兼顾辐射防护和光学性能的领域，如核能设施、医疗设备和光学通信系统中具有广阔的应用前景。

此外，该研究还探讨了玻璃的制备工艺和材料选择对辐射屏蔽性能的影响。TeO?作为主要的玻璃形成剂，因其高密度和良好的红外透明性而被选用。然而，TeO?本身并不能形成稳定的玻璃结构，因此需要加入其他组分，如P?O?和SiO?，以增强其玻璃形成能力。P?O?通过形成稳定的P=O键，提高了玻璃的结构稳定性，同时增加了整体密度。SiO?则有助于提升玻璃的化学耐久性，并降低了热膨胀系数，从而防止在快速温度变化的辐射环境中发生裂纹。

在玻璃形成过程中，ZnF?和BaCO?被选为重要的网络修饰剂。ZnF?的加入不仅降低了熔融温度，还减少了OH?含量，这有助于减少辐射引起的玻璃变暗现象。BaCO?在熔融过程中分解为BaO，增加了玻璃的密度，同时由于Ba2?离子的高原子序数（Z=56），其对辐射的吸收能力也得到了提升。然而，过高的BaCO?含量可能会导致玻璃透明度的下降，因此需要在密度提升和光学性能之间找到最佳平衡点。

Eu?O?的掺杂不仅提高了玻璃的密度，还赋予其独特的辐射敏感特性。Eu3?离子在玻璃中表现出显著的发光特性，使其成为一种有效的辐射探测材料。通过监测Eu3?的发光变化，研究人员可以实时评估玻璃在辐射环境中的损伤情况，这对于开发具有自监测功能的辐射防护材料具有重要意义。

在光学性能方面，这些玻璃表现出较高的透明度，尤其是在可见光波段。实验结果显示，当Eu?O?含量为1.6 wt%时，玻璃在600 nm波长下的透明度达到了86%。这一性能使得它们在需要光学透明性的应用中具有优势，例如在光学通信和固态激光器中。同时，玻璃的折射率变化也表明其光学性质可以通过调整Eu?O?的含量进行优化，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，这项研究展示了一种新型多组分磷酸-硅酸-碲酸玻璃在辐射屏蔽领域的巨大潜力。通过系统的材料设计和性能优化，研究人员成功开发出一种兼具高密度、良好机械性能和光学透明性的玻璃材料。该材料不仅在特定能量范围内表现出接近铅基材料的辐射防护能力，还具有较低的毒性，使其成为环保型辐射屏蔽材料的有力竞争者。未来的研究可以进一步探索这些玻璃在不同辐射环境中的实际应用，以及如何通过优化化学组成来进一步提升其性能。