掺铒的无铅硼酸盐玻璃的制备与性能表征：旨在提升其光学性能和辐射屏蔽效果

《Annals of Nuclear Energy》：Fabrication and characterization of erbium-doped lead-free borate glasses for enhanced optical and radiation shielding properties

无铅硼酸玻璃中铒掺杂对γ射线屏蔽性能的影响研究，采用熔融淬火法制备了35B?O?-30CdO-5V?O?-(30-y)Na?CO?-yEr?O?（y=0,1,2,3,5）系列玻璃，通过XRD和FTIR确认其非晶态结构及特征吸收峰，UV-Vis光谱显示带隙和折射率变化，蒙特卡洛模拟表明铒掺杂使线性衰减系数提升17.85%-21.99%，显著增强γ射线屏蔽能力。

　　

Mohammad W. Marashdeh | K.A. Mahmoud | Aisha Alamri | M.I. Sayyed | Mohamed Tharwat

物理系，伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学学院，邮政信箱90950，利雅得11623，沙特阿拉伯

摘要

本文制备了新型无铅硼酸盐玻璃（35B₂O₃-30CdO-5V₂O₅-(30-y)Na₂CO₃-yEr₂O₃，其中y = 0、1、2、3和5摩尔%），其密度从3.477克/立方厘米增加到4.107克/立方厘米。通过X射线衍射确认了所制备玻璃样品的非晶态特性，而傅里叶变换红外光谱用于检测由于添加Er₂O₃而产生的新吸收带。此外，利用紫外/可见光谱仪测定了制备玻璃样品的光学性质——折射率和能带隙（直接和间接）。为了评估样品在0.033–2.506 MeV能量范围内的γ射线屏蔽性能，还进行了蒙特卡洛模拟。当Er₂O₃浓度从0摩尔%增加到5摩尔%时，样品在0.662 MeV、1.173 MeV和1.332 MeV处的线性衰减系数（LAC）分别增加了21.99%、18.03%和17.85%。这种LAC的增强降低了材料的等效厚度，同时提高了玻璃样品的辐射防护效率。

引言

放射性同位素的衰变或核反应总是伴随着高能电磁辐射，即伽马辐射。放射科医生和放射治疗师在医院中利用这些伽马辐射进行诊断成像和癌症治疗（Ahmadi等人，2023年；A?k?n等人，2020年；Gomaa等人，2022年；Singh等人，2014年；Tyagi等人，2020年）。尽管有这些巨大优势，但过量暴露于伽马辐射仍会带来许多负面后果，如癌症、贫血、辐射病和基因突变等。鉴于这些健康威胁，有必要采取措施防止这些有害的伽马辐射影响到未参与诊断或治疗过程的公众，甚至辐射工作者（Azman等人，2023年；Liu等人，2019年；Saca等人，2018年；Sopapan等人，2020年；Zughbi等人，2017年）。因此，研究开发了各种适合屏蔽这种有害伽马电离辐射的材料（Gao等人，2022年；Kanagaraj等人，2023年；Sallam等人，2022年）。

在寻找屏蔽材料的过程中，一些研究者推荐了混凝土（Sayyed等人，2020年）；另一些研究了金属合金的用途，还有部分研究者提出了使用铅（Demir等人，2020年；Kaewjaeng等人，2018年；Singh等人，2008年）。这些材料都适合用于屏蔽，因为它们具有较高的密度和有效的原子序数（Z_eff），这是有效屏蔽伽马辐射的两个基本条件。然而，它们也各有局限性：混凝土和铅重量较大，铅和金属合金具有毒性，陶瓷易碎，而铅的成本较高（Demir等人，2020年；?ensoy和G?k?e，2020年）。

为了解决这些局限性，研究人员引入了多种化学合成的玻璃来替代上述材料，用于辐射屏蔽应用（Aktas等人，2022年；Kaewjaeng等人，2019年；Pacheco等人，2023年）。这些玻璃具有透明度高、易于针对特定应用进行微调以及生产方便等优点。根据需要屏蔽的辐射类型，可以选择相应的玻璃成分。这些独特的性质使玻璃成为比传统材料更出色的辐射屏蔽材料（Ak?al?等人，2020年；Fidan等人，2022年；Kozlovskiy和Zdorovets，2021年）。

尽管这些玻璃在辐射屏蔽方面具有优势，但进一步提高其屏蔽性能仍十分重要。为此，应寻找具有高原子序数的成分并将其引入玻璃体系，因为高原子序数的元素可以增强材料的伽马辐射屏蔽效果。这样可以在保持玻璃透明度、完整性和柔韧性的同时，提升其辐射防护能力（Altowyan等人，2021年；Kilic等人，2021年；Kumar等人，2021年；Mhareb等人，2022年；Sayyed等人，2023年）。

为了改善玻璃的屏蔽性能，应考虑添加如铒（Er）等高原子序数元素，其原子序数为68且无毒。将Er添加到玻璃体系中可以提高玻璃的有效原子序数（Z_eff），增加密度，从而增强材料的伽马辐射衰减能力（Abouhaswa等人，2020年；Naseer等人，2019年）。

含有Er的玻璃体系可以缩短辐射与玻璃原子相互作用所需的距离（平均自由路径），并减少将入射辐射强度降低到原始强度十分之一所需的玻璃层厚度。根据辐射衰减原理，当这些参数值减小时，材料的质量衰减系数（LAC）和线性衰减系数（LAC）会增加，从而提高其屏蔽性能。因此，引入Er有可能提升玻璃材料的屏蔽效果（Agar等人，2019年；Mariyappan等人，2018年）。

由于PbO的高原子序数和密度，它是一种优秀的伽马射线屏蔽材料，但其对中子衰减的贡献几乎可以忽略不计。由于PbO的中子俘获截面极低（约0.17 barns），它不适合作为中子屏蔽材料。相比之下，CdO在玻璃中化学稳定性较高，具有更好的中子吸收能力。在基于硼酸盐的体系中，CdO比PbO更能减少相分离并保持非晶结构。因此，在需要同时屏蔽中子和伽马射线的应用中，CdO优于PbO。

因此，本研究探讨了氧化铒（Er_III）对B₂O₃ + Na₂CO₃ + CaO + V₂O₃玻璃体系的结构、物理、光学和辐射屏蔽性能的影响，适用于核电站、工业和医疗领域。

制备方法

35B₂O₃-30CdO-5V₂O₅-(30-y)Na₂CO₃- yEr₂O₃（其中y = 0、1、2、3和5摩尔%）玻璃体系通过熔融淬火技术制备。使用高纯度原料，包括H₃BO₃（纯度99.5%）、Na₂CO₃（99.9%）、Er₂O₃（99%）、CdO（99.9%）和V₂O₅（99.9%），并用JK-EAB-2004 N型电子分析天平进行称量。然后将粉末放入高质量瓷坩埚中，在300°C下预热50分钟。

玻璃特性

密度是衡量物质中粒子紧密程度的一个指标。通常采用阿基米德原理，使用蒸馏水在室温（18.7°C）下测定玻璃样品的密度。获得密度后，还可以计算出摩尔体积（V_m）。测量密度对于评估玻璃结构的致密程度至关重要，因为结构受其成分影响。高度压缩的结构会导致玻璃密度更高。

结论

本研究探讨了Er₂O₃浓度对新型无铅玻璃系列结构、光学和γ射线屏蔽性能的影响。该玻璃系列的化学组成为35B₂O₃-30CdO-5V₂O₅-(30-y)Na₂CO₃-yEr₂O₃，其中y = 0、1、2、3和5摩尔%。XRD图谱证实了制备的玻璃样品为非晶态。此外，通过紫外-可见光谱分析了样品的光学性质。研究结果揭示了...

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

本研究得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究处的支持和资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2603）。

作者贡献

Mohammad Marashdeh和Aisha Alamri设计了实验；M.I. Sayyed进行了测量；Mohamed Tharwat分析了数据；K.A. Mahmoud撰写了论文。所有作者均审阅并批准了最终版本的手稿。

伦理批准

不适用。