基于理论及计算方法的BiBZnP玻璃陶瓷的能量依赖型伽马衰减分析

《Applied Radiation and Isotopes》：Energy-dependent gamma attenuation analysis of BiBZnP glass-ceramics using theoretical and computational approaches

　　雷汉·奥扎丁·奥兹卡拉，土耳其安塔利亚阿克德尼兹大学技术科学职业学院核技术与辐射安全项目，邮编07058

摘要
本研究系统地研究了xBi2O3-(0.40-x)B2O3-0.15ZnO-0.45P2O5硼磷酸盐玻璃陶瓷（BiBZnP1–BiBZnP4；x=0.10–0.25）在0.015至15 MeV光子能量范围内的辐射屏蔽性能。通过Phy-X/PSD软件计算了理论质量衰减系数、线性衰减系数、半值层、十分值层、平均自由路径以及有效原子数，同时利用XCOM数据库对质量衰减系数值进行交叉验证，以确保结果的准确性和可靠性。在低能量区间（0.015–0.06 MeV），由于光电效应占主导地位且Bi2O3含量较高，质量衰减系数和线性衰减系数数值最大。在0.0905 MeV附近，由于Bi的K边吸收效应，质量衰减系数出现显著上升，而在0.1 MeV以上，辐射相互作用机制逐渐转变为康普顿散射。在中等能量范围（0.1–1 MeV），康普顿散射成为主导作用机制，导致质量衰减系数下降，而半值层、十分值层及平均自由路径则有所增加。在更高能量区间（1–15 MeV），光子衰减趋于稳定，虽然会出现对产生现象，但富含铋的成分仍能保持出色的屏蔽性能。值得注意的是，Bi2O3含量最高的BiBZnP4在所有能量范围内都具有最低的半值层、十分值层及平均自由路径数值，同时拥有最高的有效原子数，这表明其具有更强的光子衰减能力。这些结果凸显出重金属氧化物含量在调节宽能量范围内的伽马射线相互作用中的关键作用。本研究表明，富含铋的BiBZnP玻璃陶瓷具有较高的理论屏蔽性能，所得结果可为未来的实验验证及独立模拟研究提供参考。

引言
随着辐射技术的日益广泛应用，开发不同的屏蔽方法变得愈发重要（Sayyed和Hanafy，2024）。这就需要采取措施，减轻电离辐射对人类健康及敏感设备造成的危害（Katubi等人，2023）。尽管铅及其他高密度材料能够有效削弱辐射，但其毒性特征给环境和健康带来了严重威胁。因此，人们开始研发无铅辐射屏蔽玻璃作为安全替代品（Al Huwayz等人，2024；Alzahrani等人，2024；Al-Buriahi等人，2020；Alrowaili等人，2023）。玻璃因其高透明度、耐用性、热稳定性以及化学惰性，在工业领域有着不可或缺的地位，同时还能有效吸收伽马射线和中子（El-Khayatt等人，2024；Alrowaili等人，2025）。正是这些特性使得玻璃不仅适用于常规应用，还非常适合用于医疗、安保及航天领域中的高辐射环境。因此，针对特定应用及不同类型辐射，开发并优化合适的玻璃配方显得极为重要（Gaber等人，2024）。现有文献中已有大量研究探讨了各类玻璃配方的物理、光学及辐射衰减特性，这些研究涵盖了理论分析（Melo等人，2023；Issa等人，2024；Echeweozo等人，2026）、实验室实验（Elsafi等人，2024；Abdel-Gawad等人，2024）以及蒙特卡洛模拟（Akhdar，2023；Korkut和Korkut，2024；Sarteshnizi和Dizaji，2025；Al-Buriahi等人，2023；Al-Buriahi，2023）。这些研究既有助于从理论上评估不同玻璃系统的辐射屏蔽性能，也明确了各类添加剂在提升屏蔽效率方面的作用。例如，Mhareb等人研究了B2O3–SiO2–TiO2–SrO玻璃的辐射防护性能，发现加入SrO可显著增强其屏蔽效果（Mhareb等人，2024）；Sayyed则研究了5MgO–20PbO–10SiO2–(65–x)B2O3–xBaO玻璃的屏蔽性能，证实BaO在提升辐射衰减能力方面起着关键作用（Sayyed，2024）。Doma等人研究了45SiO2–10CaO–25Na2O–xBi2O3–(20–x)B2O3玻璃的屏蔽特性，发现增加Bi2O3含量可提升整体屏蔽性能（Doma等人，2024）。Alzahrani及其同事发现，在SiO2+B2O3+V2O5+Fe2O3玻璃体系中加入Sm2O3可显著改善其辐射防护性能（Alzahrani等人，2024）。另一项研究中，Kaky和Sayyed指出，在K2O–SiO2玻璃体系中增加K2O的比例可提升其辐射屏蔽性能（Kaky和Sayyed，2024）。Al-Buriahi等人针对由81%SiO2?12%B2O3?4%Na2O?3%Al2O3?x%Bi2O3（x=0,10,20）组成的玻璃体系进行的研究表明，加入Bi2O3可显著提升该玻璃的辐射衰减性能（Al-Buriahi等人，2025b）。

目前，关于磷酸盐玻璃辐射屏蔽应用的研究相对较少，不过这类材料因其优异的可见光透过率、较低的熔点、较高的热膨胀系数以及较大的折射率，因此在工业及屏蔽领域具有显著优势（Aloraini等人，2021；Dridi等人，2024）。作为磷酸盐玻璃结构的主要构成元素，P2O5对其结构框架起着至关重要的作用，它所形成的独特结构使得玻璃具有较高的热膨胀系数和相对较低的熔点，从而便于制造和加工（Thumma和Guntu，2025）。而B2O3则作为一种辅助氧化物，能够提升玻璃的透明度和加工性能（Alajerami等人，2024；Thabit等人，2024）。P2O5与B2O3的协同作用使得硼磷酸盐玻璃具备优异的光学性能、高透明度以及较高的密度（Yasmin等人，2023）。当Bi2O3这类结构改性剂被引入玻璃体系中时，可通过提高材料的整体密度，显著提升其对伽马射线和中子的屏蔽能力（Tekin等人，2022；Ravangvong等人，2023；Kuluozturk等人，2024；El-Mesady等人，2025）。相比之下，ZnO的添加可促使硼酸盐玻璃中形成四面体结构的ZnO4单元，进而提升材料的结构致密度、折射率及热稳定性，从而使材料的光学和机械性能得到改善（Elkatlawy等人，2022；Hordieiev和Zaichuk，2025）。因此，系统研究硼磷酸盐基玻璃的辐射衰减特性，对于评估其在核能及医疗技术领域的应用潜力具有重要意义。

除了玻璃材料外，陶瓷也是一类具有优异辐射吸收能力的材料。与玻璃相比，陶瓷通常具有更高的机械强度，以及更好的化学抗性和热稳定性。这些优点使得陶瓷成为在苛刻使用环境中实现持久可靠辐射屏蔽应用的理想材料（Al-Buriahi等人，2025a）。

本研究中所采用的成分及密度数据来源于Biswas等人的实验研究。在该研究中，xBi2O3–(0.40–x)B2O3–0.15ZnO–0.45P2O5体系是通过传统的熔融淬火法制备的，随后通过控制热处理促使材料结晶，从而形成玻璃陶瓷结构。该研究中的结构表征工作，包括X射线衍射分析及微观结构分析，均证实了玻璃基质中存在晶体相。因此，尽管本研究没有进行额外的结构表征，但其计算结果是基于已对这类玻璃陶瓷体系完成过表征的数据（Biswas等人，2025）。所得数据通过Phy-X/PSD软件进行分析，用以研究该玻璃陶瓷体系的理论辐射衰减参数，包括质量衰减系数、线性衰减系数、半值层、十分值层以及有效原子数。同时，还分析了Bi2O3含量对屏蔽性能的影响。质量衰减系数值也通过XCOM数据库进行了独立验证，这些结果为评估该玻璃陶瓷体系的辐射屏蔽潜力提供了参考依据。

材料与方法
本研究通过Phy-X/PSD软件计算衰减参数，以此评估被命名为BiBZnP1–BiBZnP4的玻璃陶瓷样品的辐射衰减特性。本研究中所分析的玻璃陶瓷材料的名义组成为xBi2O3-(0.4-x)B2O3–0.15ZnO–0.45P2O5，其中x的取值为0.10、0.15、0.20和0.25。这些材料是根据现有文献记载，通过传统的熔融淬火法制备而成的。

结果
本研究利用Phy-X/PSD软件，在0.015–15 MeV的光子能量范围内，计算了组成分别为xBi2O3–(0.4–x)B2O3–0.15ZnO–0.45P2O5（x=0.10–0.25；BiBZnP1–BiBZnP4）的四种玻璃陶瓷样品的质量衰减系数，并将结果与XCOM数据库中的数据进行了对比。研究发现，Phy_X/PSD软件的计算结果与XCOM数据库中的数据高度一致，大部分数据点的偏差低于0.01%，最高偏差仅为0.03559%。这种一致性进一步证明了相关计算方法的可靠性。

结论
本研究详细分析了组成分别为xBi2O3?(0.4?x)B2O3?0.15ZnO?0.45P2O5（BiBZnP1–BiBZnP4；x=0.10–0.25）的四种玻璃样品在0.015–15MeV光子能量范围内的光子相互作用特性。通过Phy-X/PSD软件和XCOM数据库分别计算质量衰减系数，发现两种方法得出的结果高度吻合，这进一步证实了研究结果的可靠性。数值分析结果表明，在低能量范围内，光电效应是主导作用机制。

资金支持
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助。

利益冲突声明
作者声明自己不存在可能影响本文研究结果的任何财务利益关联或个人关系。