碲酸盐基玻璃辐射屏蔽性能的系统综述：基于证据分级的组成效应、衰减参数与铅基材料可比性评估

《Results in Engineering》：Radiation Shielding Performance of Tellurite-Based Glasses: A Systematic Literature Review

　　

对2015年至2025年间发表的51项关于碲酸盐基辐射屏蔽玻璃的研究进行了系统综述。重金属氧化物（Bi?O?、WO?、BaO和MoO?）显著提高了密度和辐射衰减效率。高密度碲酸盐玻璃相比传统材料获得了更高的质量衰减系数（MAC）和有效原子序数（Zeff）值以及更低的半值层（HVL）。优化的无铅碲酸盐玻璃表现出与商用铅基玻璃相当的屏蔽性能。未来研究方向包括纳米颗粒增强玻璃、玻璃陶瓷、多功能屏蔽系统以及人工智能辅助的组成优化。

研究背景与问题

电离辐射广泛应用于诊断成像、放射治疗、核电、工业射线照相和科研等领域，每项应用均要求屏蔽措施将职业和公众照射保持在可合理达到的尽可能低水平。屏蔽材料的选择是一项工程决策，需在衰减性能与重量、厚度、成本、耐久性、毒性和视觉通透性之间取得平衡。铅、钢和重混凝土仍是参考屏蔽材料，但其缺陷众所周知：铅有毒且须在严格管控下处理和处置，混凝土笨重且不透明，两者均无法实现透过屏蔽体的直接观察。这推动了无铅替代材料的研究，包括重金属氧化物硼酸盐和硼硅酸盐玻璃、改性胶凝材料和聚合物复合材料。在玻璃家族中，碲酸盐特别受关注，因为TeO?是条件性玻璃形成体，可容纳大量重金属氧化物（HMO）和稀土氧化物，同时保持玻璃态、通常透明的结构、相对较低的熔融温度和宽红外透射窗口。已有若干综述讨论了辐射屏蔽玻璃，但这些综述将碲酸盐视为众多家族之一，未采用可重复的系统检索，也未区分实测与计算的屏蔽数据。这一区分至关重要，因为大多数碲酸盐文献报告的是用光子截面数据库（XCOM/WinXCom、Phy-X/PSD）或蒙特卡罗代码（Geant4、FLUKA、MCNP）计算的值，往往针对假设组成或取自早期工作的密度。两个基于相似截面数据的计算工具之间的一致性只能确认计算本身，而不能确认具有有限厚度、均匀性和密度的真实玻璃的性能。本综述针对碲酸盐基玻璃专门填补这一空白，其贡献包括：符合PRISMA 2020的检索与筛选过程；所有纳入研究的结构化证据表；将实验实测衰减与交叉验证计算和单一工具计算相区分开的证据分级评价；对碲酸盐玻璃能否以及在何种条件下可被称为与铅基或商用屏蔽材料相当的批判性审视；以及与当前阻碍实际应用的特定局限相关联的未来研究方向。综述由四个问题引导：（RQ1）研究了哪些碲酸盐玻璃体系、改性剂和方法，证据强度如何？（RQ2）组成和密度如何在光子能量范围内影响MAC、HVL/MFP和Z_eff？（RQ3）在何种条件下纳入研究支持与传统屏蔽材料的比较？（RQ4）哪些局限尚未解决，哪些研究方向可加以应对？

技术方法概述

本系统综述按照PRISMA 2020声明实施和报告，因未进行荟萃分析，综合结果依据无荟萃分析综合（SWiM）指南报告。检索覆盖Scopus、Web of Science核心合集、ScienceDirect、SpringerLink、MDPI、IEEE Xplore和Google Scholar，采用材料术语与结局术语组合的布尔检索式，并辅以纳入研究的后向和前向引文检索。纳入标准为2015年1月1日至2025年12月31日发表的英文原创同行评议期刊论文，研究对象为TeO?作为有意组分的玻璃或玻璃陶瓷体系，且报告至少一项定量光子屏蔽参数。数据采用预定义提取表提取，数值按原作者报告取值，未从图中数字化或重新计算。由于缺乏针对屏蔽材料实验和计算研究的经验证偏倚风险工具，研究人员开发了六域评价清单，涵盖组成与密度的获取方式、方法透明度、独立验证、测量几何与不确定度、报告完整性以及对照材料比较的公平性。此外，每项研究按光子屏蔽数据的获取方式分配证据等级：A级为在制备样品上实验测量衰减；B级为用至少两种独立方法交叉验证的计算，其中至少一种为蒙特卡罗输运代码；C级为单一计算工具获得的值；无法确定屏蔽数据获取方法者归为不可确定（n.d.）。未进行荟萃分析，因纳入研究在组成、光子能量网格、样品厚度、方法和报告参数上存在差异，且多数报告计算值而无不确定度估计，不存在可合并方差的可比效应量。综合按主要改性剂和证据等级分组，在可比能量区间内进行比较，即光电效应区（约≤0.1 MeV）、康普顿散射区（约0.1–5 MeV）和高于约5 MeV的电子对产生区。未进行相关或回归分析，因为密度与目标参数很少在足够多的研究中于同一能量下报告。

研究结果

3.1 研究筛选与纳入研究特征：数据库检索识别742条记录，引文检索识别31条，去除225条重复后筛选548条题录摘要，排除401条，评估147篇全文，按图示原因排除99篇，最终纳入48项研究。纳入研究发表于2016年至2025年，多数发表于2019年至2023年。最常研究的改性剂为Bi?O?、WO?、ZnO、B?O?（硼碲酸盐体系）、BaO、MoO?、Li?O和稀土氧化物。仅一项研究考察碲酸盐玻璃陶瓷，一项研究考察含纳米颗粒碲酸盐玻璃。48项研究中有14项报告了中子相关参数。证据基础以计算为主：Phy-X/PSD用于15项研究，XCOM/WinXCom用于12项，其次为Geant4（6项）、FLUKA（5项）和MCNP系列代码（3项）。仅在六项研究中于制备样品上测量衰减（A级）。12项研究归为B级，17项归为C级，13项无法确定等级。若干被描述为实验性的研究制备并表征了玻璃，但屏蔽参数通过计算获得，这些研究按屏蔽数据的获取方式分类。

3.2 证据评价：评价识别出三个反复出现的问题。第一，独立验证有限，Geant4与WinXCom之间或FLUKA与XCOM之间的一致性表明输运计算再现了底层光子截面，但由于这些工具依赖密切相关的截面数据，此种一致性并不能确立真实样品的性能。第二，输入有时未经测量，例如有研究从早期工作取用组成和密度。第三，实验研究覆盖的能量范围窄（所有A级研究合计从59 keV至1.333 MeV），且所审记录中很少报告测量不确定度。在比较实验值与计算值之处，一致性良好。这些发现界定了后续综合的解读方式：组成趋势在A、B、C级研究中一致，可视为得到良好支持；绝对值、尤其是优于参考材料的主张主要依赖B级和C级证据，在更宽能量范围的测量确认之前应视为暂定。

3.3 组成和密度对质量衰减系数的影响：在所有纳入研究中，添加高Z氧化物提高了MAC，但效应大小强烈依赖光子能量。在光电效应区效应很大：15 keV时，CaO–CaF?–B?O?–TeO?–Yb?O?玻璃随TeO?从10增至54 mol%报告MAC为17.95–33.36 cm2/g，而含7–20 mol% Bi?O?的TeO?–B?O?–Li?O–Bi?O?玻璃为50.25–68.47 cm2/g，TeO?–B?O?–ZnO–Li?O–Bi?O?玻璃为52.31–57.08 cm2/g，Bi?O?–Na?O–V?O?–TiO?–TeO?玻璃为55.96–67.03 cm2/g。因此在碲酸盐家族内部，TeO?与Bi?O?的合计分数主导低能衰减，TeO?含量低的硼碲酸盐玻璃表现明显较差。在更高能量下组成间差异变小：Bi?O?–Na?O–V?O?–TiO?–TeO?系列的MAC离散度从15 keV时约20%降至10 MeV时约7%；TeO?–ZnO–Na?O玻璃三种组成在284 keV至2.506 MeV之间MAC差异小于0.2%。这符合预期，因为康普顿散射主要取决于单位质量电子密度，而氧化物玻璃之间差异很小。因此在康普顿区，致密碲酸盐玻璃相对较轻玻璃的优势主要来自密度，通过LAC和HVL体现，而非来自MAC。改性剂特异性证据与此一致：WO?在二元碲酸盐中给出最佳γ衰减，80TeO?–20WO?为最有效组成，增加WO?在TeO?–PbO–WO?和WO?–B?O?–TeO?玻璃中改善屏蔽；PbO提高MAC并降低MFP和HVL，但其使用与无铅动机相矛盾；BaO、Ag?O和MoO?改善较小；少量mol%添加的稀土氧化物影响通常温和，有研究报告MAC不受Sm?O?影响，而另两项研究报告Sm?O?带来改善。最明确的稀土效应出现在窄能量窗口：TeO?–ZnO–Nb?O?–Gd?O?玻璃中，Gd?O?含量最高的三种玻璃在60 keV的MAC超过铅，这与钆K吸收边（约50 keV）低于铅K吸收边（约88 keV）一致，并不意味着该窗口之外更优。

3.4 半值层、平均自由程与所需厚度：HVL和MFP将衰减转化为厚度，因而对设计最为重要。最有信息量的数据来自A级研究：对于硼碲酸盐样品MTB1，测得HVL在184 keV为0.3609 cm、662 keV为1.6078 cm、810 keV为1.8381 cm，1 cm厚样品的透射因子随TeO?增至70 mol%从75.8%降至63.4%，这些值表明在13?Cs能量下即使最佳碲酸盐组成也需数厘米玻璃才能将强度降低一个数量级。在光电效应区降低幅度大得多：Bi?O?–Na?O–V?O?–TiO?–TeO?玻璃15 keV的HVL在Bi?O?最多组成为0.0025 cm，最少组成为0.0056 cm；CaO–CaF?–B?O?–TeO?–Yb?O?玻璃15 keV的HVL随TeO?从10增至54 mol%降低约64%。因此组成对HVL的影响遵循MAC规律：在诊断X射线能量下很大，在核与工业源典型的13?Cs和??Co能量下小得多，此时密度占主导。关于碲酸盐玻璃可实现更薄屏蔽的说法应明确能量范围。

3.5 有效原子序数：多数研究报告了Z_eff，其在低能处最高，此时光电吸收主导。TeO?–Li?O玻璃的Z_eff在15 keV为48.91–49.47，在15 MeV降至28.42–32.97。三个碲酸盐系列比较中，最低能量处Z_eff分别为PbO–ZnO–TeO?–B?O?的62.33–66.25、BaO–B?O?–TeO?的49.43–50.81和ZnO–P?O?–TeO?的24.99–35.83；Bi?O?–Na?O–V?O?–TiO?–TeO?玻璃在0.1 MeV报告最大值61.01–67.41。然而Z_eff是比较屏蔽材料的薄弱依据：它依赖能量、其值取决于计算方法，且不携带密度信息。因此它有助于解释某组成在光电效应区为何强衰减，但不应单独用于材料排序。对设计而言，相关能量和厚度下的LAC、HVL或透射率更具信息量。

3.6 实验证据与计算证据：按等级分离证据会改变若干结论的强度。六项A级研究确认含WO?、MoO?、Bi?O?或高TeO?分数的碲酸盐玻璃比相应低Z组成衰减更强，并表明实施良好的计算在59 keV–1.333 MeV范围内与测量一致。它们未覆盖59 keV以下或1.333 MeV以上能量，未报告实测中子数据，且仅三项将玻璃与传统或商用屏蔽材料比较。其他多数结果，包括约1.3 MeV以上所有值和所有假设组成的值，均为B级或C级。计算与测量数据回答不同问题：计算量化理想均匀组成的内在衰减，测量还反映真实密度、孔隙率、不均匀性、杂质、厚度公差和几何效应。未来研究应至少为每个新系列的每种代表性组成测量衰减，报告窄束几何、源、探测器、样品厚度和不确定度，并将测量值与至少一种输运代码的结果比较。

3.7 与传统屏蔽材料的比较：48项研究中有16项将碲酸盐玻璃与普通或重混凝土、铅、含铅玻璃或商用屏蔽玻璃（如RS-253-G18）等传统屏蔽材料比较，其中13项完全依赖计算值。仅三项比较有测量支持：10WO?–10MoO?–80TeO?显示出优于普通混凝土和一种铅基玻璃的屏蔽性能；二元碲酸盐玻璃优于RS-253-G18和屏蔽混凝土；无铅TeO?–Bi?O?–ZnO–BaF?玻璃在相同测试条件下优于含铅碲酸盐玻璃。这些结果支持的结论比"普遍优越"更为有限：按单位质量（MAC），高HMO含量的碲酸盐玻璃在光电效应区主要比混凝土和低铅窗玻璃衰减更强；按单位厚度（LAC、HVL），金属铅仍远为优越，因为其密度（11.35 g/cm3）远高于碲酸盐玻璃。在康普顿能量处多数材料MAC趋同，碲酸盐玻璃相对混凝土的优势主要来自密度。公平比较要求相同能量、相同厚度或面密度（g/cm2）以及相同几何。碲酸盐玻璃更宜描述为在诊断或中等光子能量下需要透明、无铅屏蔽的应用（如观察窗）的候选材料，而非铅的通用替代品。与其他无铅玻璃家族的比较同样相关：含Bi?O?、BaO、WO?、La?O?、ZrO?或BaF?的重金属氧化物硼酸盐和硼硅酸盐玻璃已用类似方法评价。碲酸盐相对这些体系的优势是能在相对较低熔融温度下掺入大量HMO，劣势是TeO?成本和较低的化学耐久性。家族间在匹配条件下的直接比较尚未见报告，将是有益的贡献。

3.8 中子与带电粒子屏蔽：本综述聚焦光子屏蔽。中子相关参数主要为快中子移除截面（Σ_R），在14项研究中作为次要结局报告，且均为计算值。报告的Σ_R值为TeO?–ZnO–Na?O玻璃的0.0942–0.1117 cm?1、GeO?–TeO?(–Ga?O?)玻璃的0.0966–0.1024 cm?1和BaO–TeO?–Bi?O?–B?O?玻璃的0.1018–0.1062 cm?1。有研究报告Σ_R高于掺重晶石混凝土。Σ_R仅描述快中子移除，不涉及慢化和热中子俘获，后者需要轻元素和硼或锂等吸收剂。除硼碲酸盐组成外，碲酸盐玻璃此类元素很少。因此现有证据不足以推荐碲酸盐玻璃用于中子屏蔽，需在作出此类主张前开展系统中子研究，包括实测透射。

3.9 未解决的局限与未来研究方向：纳入研究指出五项目前阻碍实际应用的局限，每个未来研究方向均与其所应对的局限相关联。化学耐久性方面，某些碲酸盐组成尤其是富碱氧化物者在潮湿环境中易退化，但纳入研究很少报告耐久性数据，未来工作应为任何拟作屏蔽的组成报告水解或浸出抗力；玻璃陶瓷转化是一种可能途径，但唯一纳入的碲酸盐玻璃陶瓷研究报告密度增加和屏蔽略有改善而未评估耐久性。失透与热稳定性方面，高HMO含量改善衰减但收窄玻璃形成窗口并增加结晶倾向，热参数（T_g、T_x、ΔT = T_x ? T_g）应与屏蔽参数一并报告，以便组成在两种性能上同时优化；有研究报告Pr?O?同时提高T_g和结晶起始温度。机械脆性方面，弹性模量常以Makishima–Mackenzie模型计算而非测量，任何承载或大面积应用都需要超声测量和断裂韧性数据；纳米颗粒增强已被提出，但仅一项纳入研究考察，其对力学性能的影响尚待量化。成本与原料可得性方面，TeO?比SiO?或B?O?昂贵得多，碲供应有限，研究应报告达到目标衰减所需的最低TeO?含量；中等TeO?含量的硼碲酸盐和锗碲酸盐体系在此相关，但TeO?含量与衰减之间的权衡尚未以成本形式量化。缺乏标准化验证方面，不同能量网格、工具、参考密度和参数定义的使用使研究间难以比较；最低报告集应包括实测密度、mol%组成、标准能量（如59.5、662和1332 keV）下的MAC、LAC和HVL、计算工具及其版本，以及至少一种组成的带不确定度实测衰减。数据驱动或AI辅助的组成设计只有建立在此类标准化数据上才有前景，仅用数据库计算MAC值训练的模型将再现数据库而非预测真实性能。将屏蔽与光学、光子或传感功能结合的多功能玻璃（如稀土掺杂组成）是进一步方向，但其发展同样取决于上述局限的解决。

3.10 本综述的局限：本综述限于2015至2025年发表的英文同行评议期刊论文，仅以其他语言或会议论文发表的研究可能被遗漏；虽然碲酸盐屏蔽文献庞大，但许多出版物涉及不含TeO?的玻璃家族或未报告定量屏蔽参数，按设计被排除，因此纳入集应被读作符合条件的碲酸盐特异性证据而非整个辐射屏蔽玻璃文献；Google Scholar结果无法完全复现；方法、能量和报告参数的异质性使荟萃分析无法进行；评价清单为本综述开发且未经正式验证。

讨论与结论

本系统综述综合了48项关于碲酸盐基玻璃辐射屏蔽性能的研究，并按屏蔽数据获取方式评价了证据。主要结论如下：（1）证据基础以计算为主，48项研究中仅6项在制备样品上测量衰减，12项使用交叉验证计算，17项使用单一计算工具；计算工具之间的一致性不应被解读为实验验证。（2）组成效应强烈依赖能量，Bi?O?、WO?、PbO和高TeO?分数在光电效应区显著提高MAC并降低HVL，15 keV报告MAC约为18至68 cm2/g；约0.5 MeV以上组成间MAC差异小，剩余优势主要来自密度。（3）关于碲酸盐玻璃达到或超过铅基或商用屏蔽材料的主张仅在特定条件下成立，16项作此类比较的研究中13项完全依赖计算，且等厚度下优于铅因铅密度高得多而不可能；碲酸盐玻璃最好视为诊断和中等光子能量下透明无铅屏蔽的候选材料。（4）中子屏蔽证据仅限于计算的快中子移除截面，不足以支持中子屏蔽应用。（5）化学耐久性、失透、机械脆性、TeO?成本和缺乏标准化实验验证仍未解决；玻璃陶瓷、纳米复合材料和数据驱动设计的研究应针对这些特定局限加以评价，新研究应采用包含实测密度和至少一种组成实测衰减的最低报告集。