锆掺杂对硼酸盐基玻陶瓷伽马射线屏蔽性能的影响：计算研究

《Physica B: Condensed Matter》：Influence of zirconium incorporation on the gamma-ray shielding performance of borate-based glass-ceramics: A computational investigation

　　

•评估了BAlLiCaZr玻璃陶瓷在0.100–15.000 MeV能量范围内的光子屏蔽性能。•PHITS、XCOM和EpiXS计算所得的质量衰减系数值之间表现出良好的一致性。•全面评估了衰减系数、增强因子以及与原子序数相关的参数。•逐步用ZrO?替代CaO系统性地降低了光子增强效应。•BAlLiCaZr?表现出最优越的整体γ射线屏蔽性能。

引言

玻璃陶瓷是一类通过将高温熔化的玻璃经受控热处理工艺进行部分结晶化而制成的先进工程材料，其中非晶态玻璃相与细晶晶相共存[1]。玻璃与陶瓷材料之间的根本区别在于原子的空间排列方式。玻璃以缺乏长程有序性的非晶态结构为特征，而陶瓷材料可能表现出晶态、半晶态或非晶态的结构特征[2]。

近年来，玻璃陶瓷在多个应用领域引起了广泛关注，因为它们兼具玻璃固有的优势——如高光学透过性、易成型性和化学稳定性——以及陶瓷的优异性能，包括高强度、结构完整性和高温下的热稳定性[3]，[4]，[5]。这些多功能特性使得玻璃陶瓷成为涉及辐射-物质相互作用应用的有前景的候选材料。

在玻璃陶瓷体系的开发中，基于硼酸盐的玻璃因其优越的物理和化学性能而被广泛选作主要起始组分[6]。氧化硼（B?O?）是一种重要的玻璃形成体，由于其与高能γ光子和中子发生相互作用的能力，对辐射衰减过程起到促进作用[7]。此外，B?O?还因其化学稳定性和光学透过性而常被用于玻璃结构中，这些特性与其灵活的结构特征有关，使其能够在BO?和BO?单元之间进行转换[8]。

氧化钙（CaO）在玻璃和玻璃陶瓷体系中作为网络修饰剂发挥作用，改变玻璃网络结构，从而影响密度、硬度和热膨胀行为，最终有助于提高机械强度[9]，[10]，[11]。类似地，引入Al?O?可以增强玻璃陶瓷的结构完整性，并对耐磨性和整体机械性能产生积极影响[3]。在此背景下，玻璃陶瓷的物理和机械性能直接与玻璃形成网络的结构特征相关。

在硼酸盐基玻璃结构中同时引入钙离子和铝离子的玻璃陶瓷，可通过成分设计调节离子电导率，同时提供高介电强度，从而使此类玻璃陶瓷在高电压应用中具有前景[12]。此外，氧化锆（ZrO?）是一种多用途氧化物材料，不仅具有优异的机械性能——如高强度、断裂韧性、硬度、耐磨性和化学耐久性——还具有氧离子电导性和介电行为。由于其有利的大质量衰减系数，ZrO?已成为玻璃和玻璃陶瓷体系中广泛使用的修饰组分，旨在改善结构和功能性能[13]。在玻璃成分中加入ZrO?可增强光子-物质相互作用概率，这是因为其相对较高的原子序数和密度，从而提高了对γ射线和X射线的屏蔽性能。在这方面，它已成为一种无铅且环保的替代材料，在医学影像、核技术和其他涉及辐射密集的环境中具有越来越重要的应用价值[14]。

玻璃和玻璃陶瓷材料的辐射屏蔽潜力已在文献中被广泛探讨[6]，[15]，[16]，[17]。在放射学、核医学、放射治疗以及其他涉及电离辐射的领域中，防护材料的选择需要对多种物理和辐射参数进行综合评估[18]。因此，为确定某一玻璃陶瓷体系的应用潜力，详细研究定量描述辐射屏蔽性能的各项参数具有重要意义。

在此背景下，Gharghar等人研究了CuSO?添加对成分为xCuSO?–(100-x)SiO?（x = 10、25、50和75 mol%）的硅酸盐玻璃陶瓷的结构、物理和γ射线屏蔽性能的影响。在他们的研究中，计算了0.015–15 MeV光子能量范围内的基本参数，包括MAC、LAC、HVL、TVL、MFP和Zeff。结果表明，增加CuSO?含量可显著改善辐射相互作用参数，且掺杂浓度较高的样品表现出更优的γ射线屏蔽性能[19]。

类似地，Ekinci等人研究了掺杂Cr?O?的硼酸盐基锂玻璃陶瓷体系，并建立了密度与光子吸收能力之间的关联。他们的研究结果表明，增加Cr?O?含量对MAC、LAC、HVL和MFP参数产生有利影响，从而增强了屏蔽性能[20]。

在Kumar等人进行的一项研究中，采用熔体淬冷技术合成了成分为Se?????(AgX)?（y = 0和5；X = Cl、Br和I）的玻璃陶瓷。为全面评估这些材料的γ射线相互作用性能，系统地评估了关键屏蔽参数，包括LAC、MAC、MFP、有效原子序数和等效原子序数（Zeff、Neff、Ceff和Zeq）、EBF和EABF以及快中子去除截面（FNRCS）。研究结果显示，卤化银的引入显著影响了玻璃陶瓷的辐射屏蔽效率，含AgBr的样品在所研究的成分中表现出最高的防护性能[17]。

在另一项研究中，Alzahrani等人详细考察了成分为99[60GeO? + (40-y)Ga?O? + yGd?O?] + 1Nd?O?（其中y = 13、15、17和19 mol%）的透明玻璃陶瓷的γ射线衰减行为。在该研究中，基于MAC值计算了Zeff和电子密度（Neff）等导数衰减参数。研究结果表明，增加Gd?O?含量导致光子吸收能力显著增强，表明这种重金属氧化物在所研究样品γ射线屏蔽性能改善中起着关键作用[21]。

在Mishra等人进行的一项研究中，采用传统熔体淬冷技术合成了成分为(30-x)BaO–30TiO?–40SiO?–xZrO?（0 ≤ x ≤ 6）的压片玻璃样品。在该研究中，计算了MAC和LAC以及HVL和TVL，以定量评估这些玻璃体系与γ光子的相互作用性质。结果表明，增加ZrO?含量显著提高了玻璃的γ射线屏蔽效率，且ZrO?浓度最高的样品表现出更优的辐射防护性能以及改善的光学和物理性能，使其成为光电、光子和辐射安全应用的极具前景的候选材料[14]。

γ光子与物质的相互作用强烈依赖于光子能量、材料密度以及组成元素的原子序数[22]。当电离辐射穿过物质时，通过电离和激发过程发生能量转移，主要的相互作用机制取决于光子能量和吸收材料的化学成分。对于化合物和混合物，基本的光子相互作用参数基于混合规则计算，该规则考虑了各组成元素的贡献[23]。这些参数在文献中通常称为衰减因子，可通过理论计算、实验测量和数值模拟方法确定[24]。在此背景下，经常使用各种理论和计算工具，包括WinXCOM [21]，[25]、XCOM [26]、EpiXS [20]、Phy-X/PSD [27]，[28]、MCNP [29]、FLUKA [25]、PHITS [30]，[31]和Geant4 [32]，[33]。

本研究全面调查了成分为(40B?O?–20Al?O?–10LiF–(30?X)CaO–X ZrO?)的硼酸盐基BAlLiCaZr玻璃陶瓷体系的γ射线屏蔽特性。尽管已有大量研究报告了含有各种重金属氧化物修饰剂的硼酸盐基玻璃和玻璃/玻璃陶瓷体系的辐射屏蔽性能，但尚未有报道对该特定成分体系的光子相互作用参数在宽光子能量范围内进行理论方法和蒙特卡洛模拟的系统评估。

在此框架下，在0.100–15.000 MeV光子能量范围内确定了MAC、LAC、MFP、HVL、TVL、Zeff、Zeq、EBF和EABF。使用XCOM、EpiXS和PHITS蒙特卡洛计算对MAC值进行了对比评估，而LAC、MFP、HVL和TVL值则通过PHITS蒙特卡洛模拟获得。Zeff、Zeq、EBF和EABF值使用EpiXS软件计算。

本研究通过不同的计算方法，在宽光子能量范围内对BAlLiCaZr玻璃陶瓷体系的光子相互作用和γ射线屏蔽特性进行了全面评估。在此背景下，使用XCOM、EpiXS和PHITS对MAC进行了对比评估，而LAC、MFP、HVL和TVL则基于PHITS结果确定。这种综合方法能够评估所计算衰减和辐射屏蔽参数的一致性，同时允许详细研究ZrO?/CaO比变化对材料屏蔽性能的影响。研究结果有望为关于BAlLiCaZr玻璃陶瓷体系辐射屏蔽潜力的现有文献做出贡献，并为未来旨在开发类似硼酸盐基玻璃和玻璃陶瓷屏蔽材料的实验和计算研究提供对比参考。

章节摘要

材料与方法

本节介绍了用于评估BAlLiCaZr玻璃陶瓷体系辐射屏蔽性能的材料特性、计算程序和模拟方法。

结果

下面介绍并讨论从计算中获得的辐射屏蔽参数，重点关注其随光子能量的依赖关系以及所研究玻璃陶瓷体系中成分变化的影响。

结论

本研究通过理论计算与蒙特卡洛模拟相结合的方法，在0.100–15.000 MeV光子能量范围内全面评估了BAlLiCaZr玻璃陶瓷的光子相互作用和γ射线屏蔽特性。使用XCOM、EpiXS和PHITS方法获得的MAC值之间表现出良好的一致性，验证了所采用计算方法的可信度，并确认了所计算屏蔽参数的物理一致性。

CRediT作者贡献声明

Ahmet Unlu：论文撰写——初稿撰写、方法论、数据整理。Reyhan Ozaydin Ozkara：论文撰写——审阅与编辑、方法论、数据整理。

资金支持

作者未从任何组织获得本提交工作的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的内容。

Ahmet Unlu | Reyhan Ozaydin Ozkara