《Radiation Physics and Chemistry》：Investigation on Ho3+ enhanced AlBaSn-doped Phosphate glass: Properties on Optical, Thermoluminescence and Shielding against γ-Radiation
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Ho3+-掺杂磷酸玻璃通过熔淬法制备，密度5.02 g/cm3，XRD确认非晶态结构，FTIR显示P=O和P-O-P键特征。可见-近红外区（200-1600 nm）存在UV吸收峰，计算折射率n=1.71，带隙3.95 eV，发光峰550/650/752 nm。Phy-X软件计算得出其γ射线屏蔽参数优异，HVL最高，μm和Z_eff最低。ESR证实辐照诱导的顺磁缺陷中心，TL分析显示286℃稳定发光峰。该玻璃兼具透明辐射屏蔽与光学功能，适用于医疗成像窗口、探测器外壳及航天部件。
K. Pradheesha|P. Vinothkumar|T. Sivakumar|A. Paul Dhinakaran
Saveetha工程学院物理系，Thandalam，Chennai 602105
摘要
通过熔融急冷法成功合成了掺杂钬（Ho3+）的磷酸盐玻璃。利用阿基米德原理计算了玻璃的密度（5.02 g/cm3）和摩尔体积。XRD测量证实了玻璃的非晶态特性。FTIR光谱用于表征官能团，揭示了与P=O和P-O-P键相关的吸收带。在可见光和近红外区域（200–1600 nm）观察到紫外吸收峰。计算了折射率（n）和光学带隙（Eopt）。主要发射峰位于550 nm、650 nm和752 nm，CIE图显示其具有蓝色发光特性。使用Phy-X软件计算了光子能量（0.015-15 MeV）下的伽马射线屏蔽参数。该玻璃具有较高的HVL以及较低的μm和Zeff，表现出良好的屏蔽性能。同时还计算了快中子去除截面（FNRCS）。玻璃在低能量下的良好衰减性能（TF = 0，RPE = 100%）和厚度依赖的屏蔽增强能力（最大5 cm）证明了其在辐射防护应用中的潜力。ESR分析证实，经过10 kGy伽马射线照射后，玻璃中形成了顺磁缺陷中心。TL研究表明，该玻璃在286°C时出现单一稳定的发光峰，具有为一级动力学过程，陷阱深度为0.51 eV。实验结果表明，这种玻璃在辐射剂量测量和光子应用方面具有巨大潜力。
引言
由于电离辐射在工业、航天技术和医学领域的广泛应用，紧凑、高效且安全的辐射屏蔽材料变得至关重要。标准结构材料容易被辐射、核能操作、诊断成像和太空环境产生的伽马射线和快中子穿透，这可能导致生物伤害并损坏电子设备[1]。传统的屏蔽材料（如铅、厚混凝土）虽然有效，但存在毒性、体积庞大、不灵活以及不透明等缺点，限制了其在需要环境安全性、透明性或减轻重量的应用中的使用。因此，亟需开发新型的、透明的、无铅材料，这些材料既能有效阻挡辐射，又具有竞争力的光子和中子衰减性能[2]。
玻璃特别适合这一角色。其非晶结构提供了广泛的成分设计空间：可以加入重原子氧化物以提高密度和光电截面，同时在许多玻璃基体中高浓度添加稀土离子而不会发生相分离[3, 4]。特别是磷酸盐玻璃，因其熔点低于许多硅酸盐体系，易于溶解稀土氧化物，并在宽光谱范围内保持良好的化学稳定性和光学透明度，因此非常适合用于光学屏蔽应用[5]。将高Z值的稀土氧化物嵌入磷酸盐基质中，可以在不产生铅相关环境问题的情况下提高伽马射线屏蔽效果。稀土掺杂剂能增加玻璃密度和电子极化率，从而增强光子相互作用概率（中等能量下的康普顿散射和低能量下的光电效应）。此外，稀土离子通常具有发光特性或光谱特征，可用于多功能设备（例如具有自报告光学信号的辐射传感器）。尽管许多研究探索了Nd3+、Er3+、Dy3+和Sm3+在磷酸盐及相关玻璃中的光学和屏蔽性能，但尽管钬（Ho3+
钬的原子量和丰富的4f电子跃迁特性使其成为多功能屏蔽玻璃的理想候选材料。从光子角度来看，增加Ho含量可以提高诊断和工业伽马射线范围内的质量衰减系数（MAC），从而改善HVL和TVL值。从中子角度来看，特定氧化物的添加和基质调整可以影响慢中子的捕获和快中子的去除截面；在实际屏蔽应用（如运输容器、诊断室和航天器窗口）中，同时评估光子和快中子的衰减效果至关重要。尽管有这些明显优势，但系统研究很少涉及Ho3+含量、玻璃结构变化、光学结构以及广泛能量范围内的综合屏蔽指标（MAC、LAC、HVL、TVL、MFP、Zeff和FNRCS）之间的关系[7]。
本研究通过合成掺杂了控制浓度Ho2O3的铝-钡-锡-磷酸盐玻璃系列，并进行了结构、光学和辐射屏蔽性能的综合评估，填补了这一空白。XRD和FTIR光谱分析证实了玻璃的非晶态特性以及Ho3+掺入对磷酸盐网络的影响。类似的研究也发现， modifier氧化物的替代显著改变了稀土掺杂磷酸盐系统的非桥接氧浓度和结构连通性[8, 9, 10]。通过UV–Vis–NIR光谱的光学吸收和带隙分析评估了Ho3+离子对光学性质和潜在发光行为的影响[11]。理解稀土掺杂磷酸盐网络中的能级相互作用对其在光子和辐射屏蔽应用中的效果至关重要。
利用Phy-X/PSD程序，理论上计算了0.015–15 MeV范围内的质量衰减系数（MAC），涵盖了诊断X射线和高能γ射线区域，以评估辐射屏蔽性能。该程序利用可靠的光子相互作用截面数据准确计算能量依赖参数。为了评估材料的衰减能力，还从计算出的MAC值生成了线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、十值层（TVL）、平均自由路径（MFP）和有效原子数（Zeff）等次要屏蔽参数。为了评估Ho3+掺杂磷酸盐玻璃作为多辐射屏蔽材料的潜力，还评估了快中子去除截面（FNRCS）。Ho3+掺杂磷酸盐玻璃的辐射效率和热稳定性对其光学行为有显著影响。为了确定Ho3+离子在磷酸盐基质中的发光性能和热行为，RPE和TF分析至关重要。通过将实验结果与常规混凝土和先前报道的稀土掺杂玻璃进行比较，评估了该玻璃在先进辐射防护应用中的适用性。
本研究在三个方面具有创新性和重要性：首先，这是对Ho3+掺杂磷酸盐玻璃最全面的实验和计算分析之一，强调了其在防护快中子和伽马射线方面的双重能力及其光学特性；其次，将Ho掺入引起的微观结构变化（网络连通性、非桥接氧、密度和极化率）与宏观屏蔽指标联系起来，为设计透明无铅屏蔽材料提供了依据；第三，通过评估光学性质和屏蔽参数（包括FNRCS），探讨了单一材料同时具备防护电离辐射和光学或传感功能的多种应用前景，适用于医学成像窗口、探测器外壳和航空航天部件[13]。
总体而言，本研究结果表明，掺杂钬的钡-锡-磷酸盐玻璃是下一代环保透明屏蔽材料的理想候选者，可以调节衰减性能、优化光学性能并便于制造[14]。以下部分将描述玻璃合成、结构和光学表征、计算和实验屏蔽评估，以及与常规屏蔽材料的比较。
实验方法
采用熔融急冷法制备了掺杂Ho3+的磷酸盐玻璃。为防止结晶并形成非晶结构，将原材料加热到高温后迅速冷却。使用前述系统合成方法制备了以下化学成分的Ho3+掺杂磷酸盐玻璃：70% P2O5 + 5% Al2O3 + 5% BaCO3 + 9% KF + 5% MgO + 5% SnO + 1% Ho2O3。
物理性质
对合成的Ho3+掺杂磷酸盐玻璃进行了物理表征，以评估其结构致密性及其与成分的关系。测量了密度、摩尔体积和折射率等关键参数，以将玻璃的结构配置与其物理性质联系起来[18]。室温下使用阿基米德原理测量了玻璃的密度（ρ），以蒸馏水作为浸没介质，具体计算公式如下：
热释光（TL）分析
研究了Ho3+掺杂磷酸盐玻璃的热释光（TL）行为，以了解辐照产生的陷阱和复合机制。当受辐照样品以恒定速率加热时，由于陷阱电荷载流子的热释放及其后续复合而产生的TL发射信号反映了玻璃基质内部缺陷陷阱的深度和分布。
结论
熔融急冷法制备的Ho3+掺杂磷酸盐玻璃表现出优异的结构致密性（ρ = 5.02 g/cm3，n = 1.71，Vm = 44.98 cm3/mol），具有Ho–O键合的非晶磷酸盐网络，特征性的Ho3+紫外–可见光–近红外跃迁（带隙3.95 eV）和极低的消光系数，半导体介电行为，以及在453 nm激发下的强可见光发光（主要发射峰550 nm），颜色纯度高达94.8%，显示出其强大的应用潜力。
作者贡献声明
Paul Dhinakaran A：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据分析。Dr. P. Vinothkumar：撰写、审稿与编辑、验证、监督。T. Sivakumar：撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证。K. Pradheesha：撰写初稿、方法论设计、实验研究、概念构建
本研究的局限性
本研究主要关注Ho3+掺杂AlBaSn磷酸盐玻璃的光学、热释光、ESR和γ射线屏蔽性能。虽然结果展示了良好的剂量测量和光学性能，但未进行详细的机械和热性能表征（如硬度、弹性模量、玻璃转变温度和热稳定性）。此外，也未评估长期辐射稳定性和重复辐照循环下的重复使用性。
未来研究方向
未来的研究将全面评估该材料的机械和热性能，以进一步评估其耐用性、使用安全性和作为辐射剂量计的适用性。还将研究其在重复辐照下的剂量线性、褪色特性和重复使用性，以验证其作为辐射剂量计的潜力。此外，还可以探索Ho3+浓度和共掺杂策略的优化。
伦理批准
本研究不涉及人类参与者或动物实验，因此无需伦理批准。
利益冲突
作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。
数据可用性
数据可应要求提供。
资金声明
作者声明在准备本手稿过程中未接受任何资金、资助或其他支持。
利益冲突声明
提交本文的作者应明确说明是否存在可能影响工作或解释结果的财务或其他利益冲突。
