基于 Phy-X/PSD 的 Dy?O? 掺杂 ZrO?–PbO–As?O? 玻璃体系的物理辐射屏蔽及电学性能

《Applied Radiation and Isotopes》：Physical,Phy-X/PSD basedRadiation Shielding and Electrical properties of Dy 2O 3?Doped ZrO 2?PbO?As 2O 3Glass System

　　

• •
  成功采用熔体淬熄法合成了 Dy₂O₃ 掺杂的 ZrO₂–PbO–As₂O₃ 玻璃（0–1.0 mol%）。
• •
  系统地研究了密度、介电性能和伽马射线屏蔽性能。
• •
  基于测量的玻璃成分和密度，使用 Phy-X/PSD 软件计算了伽马射线屏蔽参数（MAC, LAC, Zeff, HVL 和 MFP）。
• •
  在所研究的成分中，1.0 mol% Dy₂O₃ 玻璃在 1 MeV 时表现出最高的质量衰减系数（≈0.060 cm² g^-1）。
• •
  优化后的 1.0 mol% Dy₂O₃ 玻璃与已报道的玻璃系统相比，表现出（良好的）伽马射线屏蔽性能。

引言

自二十世纪中叶以来，透明玻璃材料因其可调节的成分、易于加工、化学耐久性和光学透明性，相比传统的晶体和陶瓷 counterpart，已成为多功能应用的通用候选材料。由于这些优势，电离辐射在医疗诊断、太空探索、核技术和工业检测中的日益使用，加剧了对高效、耐用且透明的辐射屏蔽材料的需求。传统屏蔽材料如铅板和混凝土虽然有效，但也存在不透明、环境问题、机械刚性以及设计灵活性差等缺点 [1], [2], [3], [4]。在此背景下，基于重金属氧化物的玻璃系统因其成分可调性、光学透明性、化学耐久性和稳定性以及对高能光子的优异衰减能力，作为有前途的替代品引起了广泛关注 [5], [6]。

在重金属氧化物（HMO）中，氧化铅（PbO）因其高原子序数（82）和密度（≈ 9.53 g/cm³），显著增强了光子 - 物质相互作用概率，在辐射屏蔽玻璃中起着至关重要的作用。这些特性使得能够通过较低能量下的主导光电吸收和中等能量范围内的康普顿散射来有效衰减电离辐射，从而在宽光子能谱上实现优异的屏蔽性能 [7]。然而，铅基材料的大规模使用引起了担忧，原因是其毒性、重量大、处理成本高以及与相对较低的熔点相关的有限热稳定性 [8]。尽管存在这些局限性，但由于其独特的物理化学特征，包括高折射率、增强密度、良好的红外传输和显著的 非线性光学响应 [9]，PbO 仍然是重要的玻璃成分。因此，含 PbO 的玻璃表现出双重功能，不仅作为有效的辐射屏蔽材料，还用于光学设备和密封应用。

在这方面，二氧化锆（ZrO₂）被广泛认为是一种高场强中间氧化物，当引入玻璃网络时，可提高结构刚性、化学耐久性和抗辐射诱导损伤能力 [10], [11]。Zr?O 键的存在有助于增强玻璃结构内的交联，从而改善物理和机械性能。同时，三氧化二砷（As₂O₃）作为一种有效的成玻剂，能够产生低熔点和均匀的玻璃系统，为掺入高浓度的重金属氧化物和功能掺杂剂提供了灵活性。因此，选择 ZrO₂-PbO-As₂O₃ 玻璃系统是由其单个成分在定制多功能特性中的互补作用所驱动的。PbO 通过其高原子序数和密度增强γ射线衰减。ZrO₂ 改善结构完整性和化学耐久性，As₂O₃ 确保稳定的玻璃形成，同时促进功能改性剂的掺入。这些氧化物的共同贡献形成了一个致密、化学稳定且连接良好的玻璃网络，使得这种三元基质成为多功能辐射屏蔽应用的有前途的平台 [11], [12], [13]。

将稀土氧化物引入 HMO 玻璃已成为进一步增强辐射屏蔽性能同时赋予多功能特性的有效策略 [14]。其中，氧化镝（Dy₂O₃）因其高原子序数、相对较大的密度以及与γ光子的强相互作用截面而特别吸引人。据报道，将 Dy³⁺ 离子掺入玻璃基质中可增强有效原子序数、线性衰减系数和辐射吸收能力，同时影响玻璃致密化和结构紧密度 [15], [16]。此外，Dy₂O₃ 掺杂可以通过改变非桥氧（NBO）浓度和局部结构单元来影响玻璃网络，从而影响物理和屏蔽参数。

大多数关于 RE 改性重金属氧化物玻璃的研究主要集中在光学特性或γ射线衰减上。相比之下，尽管先进辐射环境对多功能材料的需求日益增长，但针对单一玻璃系统内同时增强辐射屏蔽和介电性能的研究仍然相对有限。

特别是，关于 ZrO₂-PbO-As₂O₃ 玻璃系统的结构、物理、辐射屏蔽和介电性能的系统研究仍然很少。

在本工作中，采用传统的熔体淬熄法合成了一系列掺有不同 Dy₂O₃ 浓度的 ZrO₂?PbO?As₂O₃ 玻璃。系统地研究了 Dy₂O₃ 掺入对结构、物理、介电和γ射线屏蔽性能的影响。结果提供了有价值的见解，阐明了控制 RE 掺杂 HMO 玻璃的物理、介电和计算辐射屏蔽性能的成分 - 结构 - 性能关系，从而展示了它们在核、医疗和太空技术中多功能辐射屏蔽应用的潜力，这与最近报道的 RE 掺杂玻璃和陶瓷屏蔽材料的发展一致 [17], [18], [19]。

章节摘要

材料与方法

在本工作中，采用传统的熔体淬熄法合成了 Dy₂O₃ 掺杂的 ZrO₂?PbO?As₂O₃ 玻璃样品，如图 1 所示，该图描绘了从原料混合到退火的完整玻璃制备过程。玻璃基质中的 Dy₂O₃ 浓度系统地变化从 0.2 到 1.0 mol%，同时保持基础玻璃成分恒定。所制备玻璃的详细摩尔成分总结在表 1 中，同时一张照片

XRD 光谱

记录的 ZrO₂?PbO?As₂O₃: Dy₂O₃ 玻璃系统的 XRD 图谱，Dy₂O₃ 浓度范围为 0.2 到 1.0 mol%，包括未掺杂样品，采集的 2θ 范围为 20 ? 80^?，并系统地展示在图 2 中。本研究制备的所有样品均表现出无尖锐衍射峰，证实了所制备样品的非晶态特性。相反，观察到一个中心围绕?28^?的宽漫散射晕，并在?55^?附近有一个次要的宽特征。

结论

成功采用熔体淬熄法合成了 Dy₂O₃ 掺杂的 ZrO₂?PbO?As₂O₃ 玻璃，并系统地评估了它们的结构、物理、辐射屏蔽参数和介电性能。XRD 图谱证实了所有制备样品的非晶态特性，而 EDS 分析验证了组成元素的存在和均匀分布，表明化学稳定性以及 Dy₂O₃ 在玻璃基质中的成功掺入。

Dy 的添加导致

CRediT 作者贡献声明

Srinivasa M: 监督。 Venkata T: 概念化。 Chitti A: 数据整理。 Naresh Padamati: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿。 G.R K: 调查。 Sobhanachalam P: 方法论。 Samba Siva T: 验证。 J.R.S.N. B: 形式分析。 Raghava P: 写作 – 审查与编辑。 Narasimha N: 方法论

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

资金

作者声明在准备本稿件期间没有收到任何资金、 grants 或其他支持。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

5. 致谢

作者之一 A. Chitti Babu 和 P. Naresh 向 Sir. C.R. Reddy 工程学院和 Siddhartha Academy of Higher Education（被视为大学），Vijayawada 的管理层和校长表达衷心的感谢，感谢他们对研究工作的财务支持和鼓励。

A. Chitti Babu|P. Naresh|T. Venkata Narmada|M. Srinivasa Reddy|N. Narasimha Rao|P. Raghava Rao|B.J.R.S.N Swamy|T. Sambasiva Rao|P. Sobhanachalam|K.G.R Deepthi