掺Ho?O的硼酸盐玻璃经ZnO和CaO改性后的光学性能、光子相互作用特性及辐射屏蔽效果

《Materials Advances》：Optical, Photon Interaction, and Radiation Shielding Performance of Ho 2O 3-Doped Borate Glasses Modified with ZnO and CaO

Ho?O?掺杂硼酸盐玻璃经ZnO和CaO改性后，通过熔融淬火法制备，密度提升至3.29 g/cm3，带隙减小至3.739 eV，Geant4模拟显示其线性衰减系数达0.287 cm?1，优于铅基材料，兼具高透明度和辐射屏蔽性能，适用于光学器件和医疗防护。

　　

M. Kh. Hamad

基础科学系，社会与基础科学学院，阿尔侯赛因技术大学，King Abdullah II街242号，安曼，11831，约旦

摘要

在这项工作中，我们使用熔融急冷技术合成了一系列掺杂了Ho₂O₃的硼酸盐基玻璃，并添加了ZnO和CaO进行了系统研究。实验表明，添加这些改性剂后，玻璃的密度从2.98 g/cm³增加到了3.29 g/cm³，从而直接增强了光子相互作用概率。Tauc图分析显示，光学带隙从3.879 eV降低到了3.739 eV。Geant4蒙特卡洛模拟结果与XCOM预测非常吻合，偏差小于4%，这一结果还通过Kolmogorov-Smirnov检验得到了进一步验证（D_max < 0.89%，p ～1）。在0.5 MeV的能量下，线性衰减系数（μ）的范围为0.260 cm^-1至0.287 cm^-1，超过了多种标准屏蔽材料。本研究还计算和评估了不同的屏蔽参数。SRIM分析显示，α粒子的阻止能力在低能量区域表现最佳，其-dE/dx值和作用范围均优于质子。总体而言，这种玻璃材料具有高透明度、密度驱动的光子衰减特性以及稀土元素的贡献，使其在光学器件、医疗窗口和辐射防护方面具有广阔的应用前景。

引言

电离辐射在许多应用中发挥着重要作用，从核能到医学成像和癌症治疗[[1], [2], [3]]。虽然这些技术对日常生活至关重要，但它们也增加了辐射暴露的风险。电离辐射（如伽马射线、X射线或带电粒子）可能来自自然源（如宇宙射线）或人造源（如X光机和核电站（NPPs））。根据暴露的剂量和持续时间，其生物学后果可能从轻微的细胞损伤到癌症不等[4]。因此，开发有效且安全的辐射屏蔽材料是一个关键挑战，特别是在无法避免接触这些有害辐射的地方。历史上，科学家们曾使用铅（Pb）作为屏蔽材料，因为铅具有较高的密度（约11.34 g/cm³）和良好的衰减效率。然而，铅存在毒性、重量大、成本高以及环境影响不佳等缺点[5]。这些缺点促使研究人员探索更可持续的替代材料，包括混凝土[6,7]、陶瓷[[8], [9], [10], [11]]、合金[[12], [13], [14], [15], [16]]、聚合物[[17], [18], [19], [20]]和花岗岩[21]。玻璃在许多领域也有应用，包括电离辐射屏蔽和医疗用途[[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]。玻璃具有高透明度、易于制备且无毒等优点，使其适用于保护工作人员免受辐射伤害。三氧化二硼（B₂O₃）是一种无色玻璃状固体，被认为是有效的玻璃形成剂。然而，它本身无法形成稳定的玻璃，因此需要添加改性剂来提高其机械稳定性。此外，添加重金属氧化物（HMOs）可以增强辐射屏蔽性能，多项研究已经证实了这一点[[32], [33], [34], [35]]。HMOs还能提高玻璃的密度和光学透明度。根据Mhareb等人的研究[36]，添加轻氧化物（如Na₂O）可以改善玻璃的性质和性能[37]，而较重的氧化物（如ZnO和CaO）则能提高热稳定性、刚性，降低玻璃结晶度，并增强化学耐久性[38]。此外，添加稀土氧化物（如Ho₂O₃、Gd₂O₃、Sm₂O₃和Nd₂O₃）由于其高原子序数，可以在不损失透明度的情况下提高光子衰减能力[[39], [40], [41]]。Kaky等人研究了Bi₂O₃对硼硅酸盐玻璃的影响，发现其在提高光学清晰度、结构完整性和机械韧性以及伽马射线屏蔽性能方面具有协同作用[42]。Alawaideh等人研究了掺杂了多种金属氧化物（CaO、TiO₂、CuO）的锌钡硼酸盐玻璃，结果表明CuO掺杂的玻璃在0.033-2.506 MeV能量范围内具有最高的线性衰减系数[43]。尽管已经有很多关于屏蔽玻璃的研究，但仍然缺乏系统性地同时研究稀土改性硼酸盐基玻璃的光学透明度和电离辐射衰减特性的研究。特别是ZnO、CaO和Ho₂O₃在提高密度、光学常数和光子相互作用概率方面的综合作用尚未得到充分探索。最近的研究显示，重氧化物改性和稀土掺杂玻璃具有很好的应用前景[[44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]]。

在这项工作中，我们使用传统的熔融急冷技术制备了一系列Ho₂O₃掺杂的硼酸盐基玻璃，这些玻璃中CaO和ZnO的浓度有所不同，同时保持Na₂O的浓度不变，以研究它们的电离辐射屏蔽性能。随着ZnO和CaO含量的增加，玻璃密度也随之增加。除了辐射屏蔽性能外，我们还利用傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析了玻璃网络中的结构键合和振动模式，并使用UV-Vis光谱评估了光学吸收行为，通过Tauc图分析估算了每个玻璃样品的光学带隙。结果表明，所制备的玻璃具有优异的性能，适用于各种光学和电离辐射屏蔽应用，包括放射性设施中的防护窗口、个人屏蔽设备以及辐射暴露下的光学器件。

材料与方法

使用传统的熔融急冷技术合成了四种化学成分如表1所示的玻璃样品。这种方法在科学界被广泛采用[[54], [55], [56], [57]]。根据表1中列出的摩尔组成，使用精度为10^-5 g的分析天平称量了相应的原料。用于制备样品的氧化物（纯度为3N至5N）包括B₂O₃、Na₂O、ZnO和Ho₂O₃，无需进一步纯化。

傅里叶变换红外（FTIR）

图3显示了本研究中制备的玻璃样品的解卷积光谱。在1380-1400 cm^-1范围内出现的明显峰对应于三角[BO₃]单元的不对称伸缩。而在1050-1080 cm^-1范围内的峰则归因于四面体[BO₄]单元的不对称伸缩。从Ho1玻璃样品到Ho4玻璃样品，[BO₄]单元的贡献逐渐增强，表明[BO₃]向[BO₄]单元的转变过程。

结论

本研究全面探讨了掺杂了CaO和ZnO的Ho₂O₃硼酸盐玻璃的结构、光学和电离辐射屏蔽性能。随着ZnO和CaO的添加，制备的玻璃样品密度从2.98 g/cm³系统地增加到了3.29 g/cm^{33+的掺入，光学带隙从3.879 eV降低到了3.739 eV，截止波长从338 nm红移到了346 nm。Geant4模拟结果也支持了这一变化。}

CRediT作者贡献声明

M. Kh. Hamad：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢阿尔侯赛因技术大学计算与信息学院数据科学与人工智能系的Murad Yaghi博士（[e-mail]）在创建和使用Geant4 MC代码以及分析模拟数据方面提供的技术支持和帮助。