钇掺杂磷酸铋锂锌玻璃的光学特性及中子辐射屏蔽性能研究

为解决传统辐射屏蔽材料(如铅和混凝土)的环境污染和性能局限问题，研究人员开展了Y2O3掺杂P2O5-Li2O-ZnO-Bi2O3玻璃系统的研究。通过PHY-X程序和蒙特卡洛模拟发现，3mol% Y2O3样品(Y3.0)具有最佳中子屏蔽性能(FNRC=0.093cm-1)，同时光学测试显示其带隙能量降至3.779eV。该研究为开发环保高效的新型辐射屏蔽材料提供了重要依据。

　　

随着核技术在医疗(如放射治疗)、能源和工业领域的广泛应用，辐射防护成为关乎公共安全的重要课题。传统屏蔽材料如含铅物质虽有效但具有生物毒性，而混凝土则存在耐久性差、体积庞大等缺陷。透明玻璃材料因其可调控的化学组成、环境友好性和结构稳定性，被视为理想的替代方案。特别是在医疗放射治疗场景中，透明屏蔽材料既能保障操作安全又不影响视觉监控，具有独特优势。然而，如何通过组分优化同时提升玻璃的中子屏蔽效能和光学性能，仍是当前研究的重点难点。

在这项发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》的研究中，Gharam A. Alharshan团队创新性地将稀土元素钇(Y)引入磷酸盐玻璃体系，系统考察了Y₂O₃对材料多功能的调控作用。研究采用熔融-淬冷法制备系列玻璃样品，通过密度测量、UV-Vis-NIR光谱分析和蒙特卡洛模拟等技术手段，全面表征了材料的物理性质、光学特性和中子屏蔽性能。

物理特性研究

随着Y₂O₃含量从0增至3mol%，玻璃密度从2.9407显著提升至3.3694g/cm³，这归因于较重Y₂O₃(225.81g/mol)对较轻P₂O₅(141.94g/mol)的替代效应。氧堆积密度(OPD)从78.377增至86.773mol/L，而氧摩尔体积(OMV)呈现相反变化趋势，表明钇离子的引入增强了玻璃网络结构的致密性。XRD分析证实所有样品均保持非晶态特征，仅在2θ=20.6°-34.7°出现宽衍射峰。

光学性能突破

通过Tauc作图法和吸收光谱拟合(ASF)方法，研究发现Y₂O₃的引入能有效调控光学带隙(E_OPT)。直接带隙值从4.197eV(Y0.0)降至3.779eV(Y2.0)，但在3mol%含量时略有回升至3.827eV。这种非线性变化可能与钇离子在玻璃网络中双重作用有关：低浓度时作为修饰子产生非桥接氧(NBO)，高浓度时可能参与网络形成。Urbach能量分析显示，Y₂O₃添加导致能带尾部局域态增加，反映结构无序度提升。折射率从2.1328(Y0.0)增至2.2139(Y2.0)，电子极化率相应提高，这使材料在光学器件领域具有应用潜力。

中子屏蔽性能优化

采用MCNP模拟获得的快中子移除截面(FNRC)数据显示，Y₂O₃的引入显著提升屏蔽效能：从Y0.0的0.083cm^-1增至Y3.0的0.093cm^-1。对比研究表明，该性能优于常规PbO-B₂O₃玻璃(0.08-0.088cm^-1)，接近Lu₂O₃掺杂体系(0.098-0.1cm^-1)，且明显超过普通混凝土(0.07928cm^-1)。半值层(HVL_FCS)和弛豫长度(λ_FCS)的降低进一步证实，Y3.0样品具有最紧凑的屏蔽尺寸设计。这种性能提升主要源于钇元素的高原子序数和密度效应，以及与Bi₂O₃的协同作用。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了Y₂O₃在P₂O₅-Li₂O-ZnO-Bi₂O₃玻璃体系中对光学和中子屏蔽性能的协同调控机制。所开发的Y3.0玻璃兼具高密度(3.3694g/cm³)、适宜光学带隙(3.827eV)和优异FNRC值(0.093cm^-1)，为设计新一代多功能辐射防护材料提供了重要参考。特别是其相对于含铅材料的环保特性，以及在医疗放射治疗中实现"可视屏蔽"的独特优势，展现出广阔的临床应用前景。未来研究可进一步探索不同稀土元素的协同掺杂效应，以及材料在实际辐射环境中的长期稳定性。