蒙特卡洛方法研究CdO对硼酸盐玻璃屏蔽性能的影响

《Applied Radiation and Isotopes》：Monte Carlo study of CdO effects on borate glass shielding performance

钾钡硼酸盐玻璃中镉氧化物含量对伽马射线屏蔽性能的影响研究。采用熔融淬火法制备不同CdO含量的玻璃，XRD证实样品为非晶态。通过MCNPX蒙特卡洛模拟计算0.015-15MeV能量范围的质量衰减系数等参数，并与Phy-X/PSD方法对比，相对偏差小于1.025%，验证了方法可靠性。结果表明，随着CdO含量增加，玻璃密度增大，质量衰减系数显著提升，最优浓度为13%时屏蔽效率最佳，证实了掺杂CdO对玻璃辐射屏蔽性能的增强作用。

　　

W.M. Gomaa|R.A. El-Tayebany

玻璃实验室，辐射化学部门，国家辐射研究与技术中心（NCRRT），埃及原子能局，埃及

摘要

使用传统的熔融淬火技术合成了不同氧化镉含量的钾-钡硼酸盐玻璃。结构表征显示所有样品均为完全非晶态，这一结论通过X射线衍射得到证实，因为没有出现晶体峰。随着CdO浓度的增加，玻璃密度增加，而摩尔体积略有减小，表明网络更加致密。通过蒙特卡洛模拟（MCNPX）评估了伽马射线的屏蔽性能，以确定0.015–15 MeV能量范围内的质量衰减系数（μ_m）。研究了四种玻璃组成（S1–S4）。从MCNPX获得的μ_m值与Phy-X/PSD的计算结果进行了验证，两种方法之间的相对偏差（RD）小于1.025%。MCNPX模拟使用了足够数量的粒子历史数据，以保持相对统计误差小于2%，从而确认观察到的偏差在蒙特卡洛计算的统计不确定性范围内。还评估了其他屏蔽参数，包括半值层（HVL）、平均自由路径（MFP）、有效电子密度（Neff）和有效原子序数（Zeff）。结果表明，增加CdO含量可逐步提高玻璃系统的伽马射线屏蔽效率。对于S4样品，发现约13%的CdO含量是最优的，表现出有效的伽马射线衰减效果。这些发现证实了所开发的玻璃组合物作为高效辐射防护材料的潜力，为未来的辐射屏蔽应用提供了宝贵的参考。

引言

电离辐射在许多领域发挥着重要作用，包括核能、反应堆工程、空间技术、医学诊断和治疗，以及非破坏性元素分析技术（如光活化分析（PAA）、金属氧化物半导体（MOS）电容器的测试和各种安全系统（Kaur等人，2019；Agar等人，2017；Kumar等人，2018）。然而，长时间暴露于辐射会带来严重的健康风险，导致组织损伤，可能引发癌症、基因突变、辐射病，在极端情况下甚至导致死亡。它还对生物体产生有害的遗传影响，可能影响后代（Y?lmaz等人，2016；Kahraman和Yilmaz，2017；Saleh等人，2022；Dong等人，2017；Obaid等人，2018；Mohamed等人，2025）。鉴于这些风险，在预期有辐射暴露的环境中使用有效的屏蔽材料至关重要。原则上，任何足够厚的材料都可以衰减辐射，尽管效率差异很大。传统的屏蔽材料通常使用混凝土，因为其密度高；然而，由于其不透明性和容易因水分流失而发生结构退化，限制了其实际应用（Kumar等人，2018；Tuscharoen等人，2012；Daungwilailuk等人，2022；Gomaa等人，2025a，2025b；Abdelmonem等人，2025）。

最近，玻璃材料作为辐射防护的替代品受到了关注。与混凝土和铅不同，玻璃具有透明、成本效益高、易于成型和能够传输可见光等优点。虽然铅传统上被用于辐射屏蔽，但其毒性、高密度、环境危害和处置挑战限制了其在现代应用中的使用。混凝土虽然在辐射衰减方面有效，但重量大、不透明，并且随着时间的推移容易开裂（Tian等人，2023；Li等人，2022；Lakshminarayana等人，2020；Salem等人，2025）。随着研究继续寻找环保且实用的屏蔽解决方案，玻璃因其结合了透明性、机械强度、低重量、耐热性和耐腐蚀性以及制造多样性等理想特性而脱颖而出。这些特性使它们成为辐射屏蔽的理想候选材料，特别是当掺杂稀土金属（RE）或重金属氧化物（HMO）时，这些元素可以增强其密度和辐射吸收能力（Agar等人，2019；Saddeek等人，2020；Akinribide等人，2022；Zhang等人，2021；Abd-Allah等人，2024）。

已经对各种玻璃系统进行了大量研究，以检验它们减轻不同形式辐射的能力。在大多数实验中，铅被用作这些玻璃结构的前驱体。然而，由于其毒性和高成本，铅可能不是玻璃组成的最佳前驱体（Li等人，2022）。已经进行了许多研究，以开发具有增强屏蔽性能的新透明玻璃结构（Agar等人，2019；Almousa等人，2024；Sayyed等人，2020；Bagheri和Adeli，2020；Al-Buriahi等人，2020；Aygün等人，2020；Elbashar和Abd El-Ghany，2017）。与其他氧化物玻璃（如磷酸盐和硅酸盐）相比，硼酸盐玻璃具有几个特殊优势。这些优势包括能够保持非晶态材料、处理高浓度过渡金属离子的能力（Li等人，2019；Grelowska等人，2016），以及特殊的化学、物理和组成特性，这些特性有助于修改材料的物理特性和化学组成（Li等人，2019；Grelowska等人，2016；Maiti等人，2012；A?ar，2018）。值得注意的是，CdO是一种具有两种可能氧化态的二价金属氧化物。由于其高密度、低结合能和较大的原子序数，CdO是各种辐射屏蔽应用中的重要氧化物。Osman A?AR（Rasul等人，2025）声称，CdO作为网络改性剂可以改善碲酸盐基玻璃的屏蔽性能。

我们研究了CdO掺入对钠硼酸盐玻璃的机械强度和辐射屏蔽性能的影响。然而，仍然需要具有额外优势的玻璃材料，例如（i）便于在不同地点运输和安装，以及（ii）透明性，使其适用于专门的技术环境，包括碘注射放射治疗室。尽管取得了这些进展，但现有文献中对掺镉磷酸盐玻璃窗口的辐射屏蔽效果的研究仍然不足。这一空白激发了对含镉磷酸盐玻璃屏蔽性能的全面研究，将其引入作为先进辐射防护应用的有希望的候选材料（Alsaiari等人，2025；Solak等人，2024；Ulas等人，2024；Yorulmaz等人，2024；Acikgoz等人，2024；Aktas等人，2019，2022；Al-Buriahi等人，2025）。

氧化镉在提高基于硼酸盐的玻璃系统的辐射屏蔽性能方面起着关键作用，这归功于其高原子序数和高光子相互作用概率。将Cd或CdO掺入碱金属、锂、铋或钴硼酸盐玻璃中，可以显著增加基体的密度和有效原子序数，从而提高伽马射线的衰减效果，降低半值层厚度，并减少积聚因子。使用实验测量、XCOM计算和MCNP模拟的研究一致表明，增加CdO含量可以提高光电吸收和康普顿散射能力，使含镉玻璃成为高效、透明且成本效益高的辐射屏蔽材料（Mahmoud等人，2020a，2020b；Alajerami等人，2021；Maatouk等人，2024）。

先进的计算技术，如蒙特卡洛模拟和Phy-X/PSD分析，已被广泛用于验证这些玻璃的屏蔽效率。此外，稀土氧化物掺杂进一步提高了它们的机械耐用性和光学透明度，拓宽了硼酸盐玻璃在需要保护和可见性的应用中的潜力（Alfryyan等人，2023a，2023b；Al Huwayz等人，2023；Alzahrani等人，2023a；Shaaban等人，2023）。尽管对各种氧化物添加剂进行了广泛研究，但掺镉氧化物（CdO）的钾钡硼酸盐玻璃的辐射屏蔽潜力仍很大程度上未被探索。这一空白突显了进一步研究硼酸盐玻璃系统的重要性，特别是那些经过CdO改性的系统，以开发轻质、透明且高效的屏蔽材料，满足现代辐射防护需求（Katubi等人，2023；Alzahrani等人，2023b，2023c；Alrowaili等人，2023）。

本文的目的是评估CdO含量对钾-钡-硼酸盐玻璃的伽马射线衰减和屏蔽效率的影响。

部分摘录

样品制备

玻璃样品是使用熔融淬火方法制备的。原材料包括K₂CO₃、BaCO₃、H₃BO₃和CdO，均由El-Gomhouria公司提供。表1列出了四种不同CdO浓度的批次。使用高精度分析天平（±0.0001克）精确称量这些原料。称量后的化学品彻底混合并研磨成细小的均匀粉末。每个粉末批次被转移到瓷坩埚中，并在Stuart Scientific马弗炉中加热。

详细的测量技术和计算的一些物理参数

使用Shimadzu X射线衍射仪在40 kV和30 mA的条件下，对制造的玻璃在5到60°的θ角度范围内进行了检测。X射线管用于X射线采集，扫描速率为每分钟6°。为了分析样品的光谱，我们使用了Bruker公司的VERTEX 70 FTIR光谱仪来确定未掺杂和掺杂样品的功能团。密度使用阿基米德法在室温下测定，浸液为苯。

模拟方法

本研究使用广泛使用的蒙特卡洛辐射传输代码MCNPX（Pelowitz，2011）评估了K₂O–B₂O₃–BaO–CdO玻璃系统的伽马射线屏蔽参数。模拟计算了质量衰减系数（μ/ρ）、半值层（HVL）、平均自由路径（MFP）、有效原子序数（Zeff）和有效电子密度（N_eff），覆盖0.015至15 MeV的光子能量范围。

X射线衍射

X射线衍射（XRD）测量用于验证所研究玻璃样品的非晶态。当前玻璃样品的X射线衍射测量结果如图2所示。结果确认了制备样品中不存在晶体相。

密度和摩尔体积

对于这种玻璃系统，增加CdO含量（0–13 wt%）会导致密度升高，同时摩尔体积减小。由于CdO的高分子量（128.41 g/mol）和高密度（8.15 g/cm³），

结论

本研究成功开发并评估了一种高性能、环保的玻璃系统（K₂O–B₂O₃–BaO–CdO），适用于伽马射线屏蔽应用。玻璃样品在广泛的光子能量范围（0.015–15 MeV）内表现出优异的伽马射线衰减效率，在低能量下衰减系数（μm）显著降低，这是由于主导的光电吸收作用。使用MCNPX和Ph-X/PSD代码进行的理论模拟与实验结果非常吻合，证实了

CRediT作者贡献声明

W.M. Gomaa：概念化、数据管理、正式分析、研究、方法论、资源、软件、监督、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。R.A. El-Tayebany：概念化、数据管理、正式分析、研究、方法论、资源、软件、监督、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

我声明我没有可能影响本出版物中报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢国家辐射研究与技术中心（NCRRT）和埃及原子能局（EAEA）的核与放射安全研究中心（NRSRC）在完成这项工作方面提供的宝贵帮助。