Er3+-PABLMgAg和Gd3+-PABLMnCa磷酸盐玻璃的结构、光学及辐射屏蔽性能

《Radiation Physics and Chemistry》：Structural, Optical, and Radiation Shielding Properties of Er3+-PABLMgAg and Gd3+-PABLMnCa Phosphate Glasses

　　

摘要

采用常规熔融淬火法合成了Er³⁺-PABLMgAg和Gd³⁺-PABLMnCa磷酸盐玻璃，其成分设计旨在同时提升光学功能与辐射屏蔽性能。本研究的创新之处在于系统比较了Er³⁺和Gd³⁺掺杂的PABL基玻璃体系在光电子学及辐射剂量测定/屏蔽领域的双重应用潜力。X射线衍射证实这两种玻璃均为非晶态，FTIR分析则显示形成了稳定的磷酸盐网络。光学研究表明，Er³⁺掺杂玻璃具有绿色发光特性（538和558纳米），而Gd³⁺掺杂玻璃则呈现蓝色发光（451–486纳米），这表明它们适用于光子学应用。色度分析进一步支持了其在照明设备中的应用可能性。辐射屏蔽分析显示，由于Gd³⁺的原子序数较高，Gd³⁺-PABLMnCa玻璃在低能量区域（<2 MeV）具有更强的光子衰减能力，而在更高能量范围内，两种玻璃的屏蔽性能相当。热致发光和EPR研究揭示了不同的俘获机制，Er³⁺掺杂玻璃更适合高温剂量测定，而Gd³⁺掺杂玻璃则更适用于低剂量快速检测。这些结果表明，稀土掺杂的PABL磷酸盐玻璃为整合光学功能与高效的辐射屏蔽及剂量测定应用提供了良好的平台。

引言

将熔融态材料快速冷却可防止原子形成规则的晶体结构，从而生成非晶态固体——玻璃。玻璃材料广泛应用于日常用品如窗户和容器，以及激光器、医疗设备、国防系统等先进技术领域。由于其优异的性能，如机械强度、化学稳定性以及高光学透明度，玻璃材料得到了广泛的应用（Fayad等人，2020；Kurtulus & Kavas，2020）。硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐和砷酸盐玻璃等不同类型的玻璃，因其透明性、结构稳定性以及易于制造的特点，常被用于辐射屏蔽领域。

此外，引入Er₂O₃、Gd₂O₃、Ce₂O₃和Y₂O₃等稀土氧化物，能够显著提升玻璃体系的热学、结构、光学和发光性能，进而提高其在先进技术和科学应用中的适用性（Abd-Allah等人，2019；Shaaban等人，2020）。尤其是含有Er₂O₃和Gd₂O₃的重稀土氧化物掺杂玻璃，可作为有效的玻璃改性剂，改善磷酸盐玻璃基体的物理和功能特性。正因如此，Er³⁺-PABLMgAg和Gd³⁺-PABLMnCa这类玻璃体系因其高化学稳定性、优异的光学性能、高密度以及良好的辐射屏蔽潜力而备受关注。

随着医学、工业和科学领域中电离辐射使用的不断增加，控制辐射暴露对于保障环境和人类安全愈发重要。因此，许多研究致力于评估辐射暴露水平，并开发高效的屏蔽材料以减少有害辐射的影响（Etzel等人，2018；M?ller & Mousseau，2013；Tekin等人，2019）。在这方面，玻璃材料因其简单的制备工艺、光学透明度、化学稳定性以及成本效益，被视为辐射屏蔽应用的理想候选材料。这些优势促使人们大力研究稀土掺杂玻璃在医疗和辐射防护技术中的应用（Kavaz等人，2019）。

相较于混凝土和聚合物等传统辐射屏蔽材料，玻璃凭借其高透明度、机械耐久性、耐腐蚀性、无毒性以及环境安全性等优异性能，已成为极具潜力的替代材料（Bootjomchai等人，2012）。这类多功能材料适用于多种辐射防护场景，如医院X光室、机场安检系统以及核电站等。此外，它们出色的机械强度、热稳定性、化学耐久性和光学透明度，也使其成为开发能够有效衰减X射线和伽马射线等高能辐射的先进屏蔽材料的理想选择（Al-Hadeethi & Sayyed，2020）。

单独或与铒、欧铱、铌、钆、钐和镨等稀土氧化物结合使用锌氧化物、镁氧化物和钠氧化物，能够显著提升玻璃材料的结构、热学、光学、磁学以及辐射屏蔽性能。人们对这类玻璃体系的多种光学参数进行了深入研究，包括折射率、光学带隙、摩尔折射率、摩尔极化率、介电性质、光学电负性以及线性和非线性光学响应等。这些参数对于判断玻璃材料是否适合用于激光器、光学放大器及光电子器件等先进光学和光子学应用具有重要意义（A. A. Ali等人，2019；Rammah，2019）。

选择适用于伽马射线和X射线屏蔽应用的材料时，需要综合考虑光子能量范围、衰减能力、材料密度、物理稳定性以及光学透明度等多个重要因素。理想的屏蔽材料应在目标能量范围内具备较高的光子相互作用概率以及优异的辐射吸收效率。质量衰减系数、半值层和十值层等参数常被用来评估玻璃材料的辐射屏蔽性能。通过优化这些参数，可以开发出适用于医学、工业和核辐射环境的高级玻璃基屏蔽系统（Al-Buriahi & Rammah，2019；El-Agawany等人，2019）。

尽管在研发用于辐射屏蔽和热致发光应用的稀土及过渡金属掺杂玻璃体系方面已取得显著进展，但仍存在一些局限性。近期的一些研究表明，Eu³⁺、Dy³⁺、CuO和Nd³⁺掺杂的玻璃在结构、介电性能、热致发光以及辐射屏蔽方面展现出良好潜力（Ashok等人，2024a，2024cb）。然而，这些研究主要聚焦于单一掺杂体系及特定的玻璃基体，较少致力于在单一材料体系中实现光学性能、机械稳定性、辐射屏蔽效率以及热致发光行为之间的平衡。此外，关于结构与性能之间的关系，尤其是稀土离子掺入对玻璃网络结构的影响以及与热致发光相关的俘获机制，目前仍缺乏深入研究。同时，针对相同宿主基体中多种稀土掺杂剂的对比研究也比较少，这限制了为实际应用优化多功能性能的可能性（Budida等人，2025；Guntu，2025）。因此，亟需设计并研究能够同时具备更强辐射屏蔽能力、稳定的热致发光响应以及理想光学性能的玻璃体系，同时深入探究其背后的物理机制。

基于此，本研究旨在系统探讨Er³⁺-PABLMgAg和Gd³⁺-PABLMnCa玻璃体系在先进辐射屏蔽应用中的潜力。本研究的目标是对比分析这类稀土掺杂磷酸盐玻璃的结构、光学以及辐射屏蔽性能，同时阐明掺杂剂对玻璃网络结构的改变化及其对衰减效率和光学性能的影响机制。预计Er³⁺和Gd³⁺离子的引入会通过引发键合重排和局部结构畸变，显著改变磷酸盐玻璃基体的性质，进而影响其密度、机械稳定性及光学特性。光学研究显示，Gd³⁺离子能够增强紫外线吸收能力，而Er³⁺离子则有助于近红外区域的发光，这使它们都具备应用于光子学领域的潜力。另外，由于钆的原子序数较高且中子捕获截面较大，Gd³⁺掺杂玻璃具有更强的伽马射线衰减能力。通过这种对比分析，本研究期望找到一种最优的玻璃成分，能够在辐射屏蔽效率、光学功能以及结构稳定性之间实现最佳平衡，从而弥补以往研究中存在的不足。

章节摘录

材料与方法

Er³⁺-PABLMgAg和Gd³⁺-PABLMnCa玻璃是采用常规熔融淬火法合成的，其对应的成分分别为70P₂O₅-5Al₂O₃-5BaO-9Li₂CO_3-5MgO-5AgO-1Er₂O₃和70P₂O₅-5Al₂O₃-5BaO-9Li₂CO₃-5MnO₂-5CaO-1Gd₂O₃。熔融淬火法因能够制备出均匀且高质量的磷酸盐基玻璃，而被广泛用于此类玻璃的制造。研究人员根据所需成分精确称量了高纯度的起始原料

物理参数

通过对所合成玻璃的光学和物理特性进行详细分析，研究了它们的结构与性能之间的关系。

结论

本研究成功制备出了具有优异结构、光学、发光、辐射屏蔽、热致发光以及EPR性能的多功能稀土掺杂磷酸盐玻璃，这类玻璃非常适合用于先进的光子学和剂量测定应用。通过熔融淬火法成功合成了Er³⁺-PABLMgAg和Gd³⁺-PABLMnCa玻璃体系，而且这些玻璃均为非晶态，同时具有均匀的形态和稳定的成分分布

作者贡献说明

K. Pradheesha：撰写原始稿件、方法部分、研究内容、正式分析、数据整理、概念构思。Dr. P. Vinothkumar：撰写审稿与编辑内容、可视化处理、项目监督、软件应用、正式分析。Sivakumar Thirumuruganantham：撰写审稿与编辑内容、可视化处理、结果验证、正式分析。Paul Dhinakaran A：撰写审稿与编辑内容、原始稿件撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、方法部分、正式分析

未引用参考文献

Al-Buriahi和Rammah，2019；Al-Hadeethi和Sayyed，2020；Ashok等人，2024b；Jiménez等人，2024；Locesha和Chithambo，2020；关于LiNa52的光致发光研究，2024年。

利益冲突

作者们没有需要披露的任何财务或非财务利益冲突。

数据可用性

数据将应要求提供。

资金声明

作者声明，在撰写本手稿期间未获得任何资金、资助或其他支持。

利益冲突声明

不存在任何利益冲突，本文的最终稿件已获得所有作者的认可。此外，这项研究也未得到任何资助机构的支持。

K. Pradheesha|P. Vinothkumar|A. Paul Dhinakaran|T. Sivakumar

印度泰米尔纳德邦金奈市Saveetha工程学院物理系，邮编602 105