钇掺杂磷酸盐玻璃的辐射屏蔽性能与光学特性优化及其在生物医学中的应用

本研究针对传统辐射防护材料(如铅和混凝土)的环境毒性及性能局限，创新性地开发了Y2O3掺杂的P2O5-Li2O-ZnO-Bi2O3玻璃体系。通过MCNP模拟和PHY-X程序证实，含3mol% Y2O3的样品(Y3.0)具有最优快中子移除截面(0.093cm-1)，同时光学带隙可调(3.779-4.197eV)，为医疗辐射防护提供了新型透明屏蔽材料解决方案。

　　

在核能与医疗技术快速发展的今天，辐射防护材料面临着性能与环保的双重挑战。传统铅基屏蔽材料存在毒性问题，而混凝土则存在耐久性缺陷。更棘手的是，医疗诊断设备如CT和放疗装置需要兼具透明性与防护性能的材料，这使得开发新型功能玻璃成为研究热点。钇(Y)作为稀土元素，其氧化物Y₂O₃具有高密度和特殊电子结构，在辐射防护与光学调控领域展现出独特优势。

为突破这些技术瓶颈，Gharam A. Alharshan团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表了创新研究。他们采用熔融淬火法制备了成分为xY₂O₃-15Li₂O-15ZnO-5Bi₂O₃-(65-x)P₂O₅的玻璃体系（x=0-3mol%），通过系统表征揭示了材料构效关系。研究运用蒙特卡洛模拟(MCNP)评估中子屏蔽性能，结合UV-Vis-NIR光谱和Tauc作图法分析光学特性，并采用PHY-X程序进行理论验证。

物理特性

XRD证实所有样品均为非晶态。随着Y₂O₃含量增加，密度从2.9407g/cm³(Y0.0)线性增至3.3694g/cm³(Y3.0)，这是由Y(88.91g/mol)替代P(30.97g/mol)所致。氧堆积密度(OPD)从78.38增至86.77g·atom/L，而氧摩尔体积(OMV)从12.76降至11.52cm³/mol，表明网络结构更致密。

光学性能

吸收光谱显示Y掺杂引起吸收边红移。通过Tauc作图法测得直接光学带隙(E_OPT)从4.197eV(Y0.0)降至3.779eV(Y2.0)，Y3.0略有回升至3.827eV，这与Urbach能量(E_URB)变化趋势相反。折射率从2.1328(Y0.0)增至2.2139(Y2.0)，电子极化率(α_e)相应从2.1493×10^-25cm³升至2.2422×10^-25cm³，证实Y³⁺促进了非桥氧(NBO)形成。

中子屏蔽性能

MCNP模拟显示快中子移除截面(FNRC)与Y含量呈正相关：Y0.0为0.083cm^-1，Y3.0达0.093cm^-1。相比参比材料，Y3.0优于常规混凝土(0.079-0.107cm^-1)和铅硼玻璃(0.08-0.088cm^-1)，接近Lu₂O₃玻璃(0.098-0.1cm^-1)。半值层(HVL_FCS)从8.35cm(Y0.0)降至7.45cm(Y3.0)，弛豫长度(λ_FCS)从12.05cm降至10.75cm，证实防护效率提升。

这项研究通过多尺度表征揭示了Y₂O₃在磷酸盐玻璃中的双重作用：作为网络修饰子增加NBO浓度改善光学性能，同时作为重元素增强中子屏蔽。Y3.0样品展现的0.093cm^-1 FNRC值与3.8eV可调带隙，使其成为医疗辐射窗口材料的理想候选。特别值得注意的是，材料在3mol%Y₂O₃时出现的性能拐点，暗示了Y³⁺从网络修饰子向网络形成子的转变临界。该工作不仅为稀土掺杂功能玻璃设计提供了实验依据，更推动了无毒透明防护材料的实用化进程，在核医学设备和航天器辐射防护领域具有重要应用前景。