CeO?掺杂对碲化钡硼酸盐玻璃辐射屏蔽性能的影响：以Eu-152源为研究对象的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Impact of CeO 2 doping on the radiation shielding properties of tellurite barium borate glasses: A study with the Eu-152 source

　　辐射屏蔽效果评估：Eu-152源下TeO?-BaO-CeO?-B?O?玻璃的屏蔽性能研究表明，铈氧化物（CeO?）的添加显著提升玻璃的辐射屏蔽效率。密度和厚度对屏蔽性能有显著影响，低密度玻璃B65Ce0在0.245 MeV处透射因子（TF）最高为0.604，而高密度B62Ce3样品的TF随厚度增加从0.70降至0.58。屏蔽效率峰值出现在0.1218 MeV（B62Ce3为72%，B65Ce0为69%），且随能量升高而下降。铈氧化物通过增强密度和原子结构优化有效吸收伽马射线，厚度增加则进一步改善屏蔽效果。

　　

Maryam Al Huwayz|Aljawhara H. Almuqrin|F.F. Alharbi|M.I. Sayyed|B. Albarzan

沙特阿拉伯利雅得努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学科学学院物理系，邮政信箱84428，邮编11671

摘要

本研究重点评估了TeO₂-BaO-CeO₂-B₂O₃玻璃在Eu-152放射源发射能量下的辐射屏蔽效果。透射系数（TF）与玻璃密度呈反比关系：密度最低的B65Ce0样品在0.245 MeV时的TF最高，为0.604；而密度最高的B62Ce3样品的TF则为0.580。TF还与玻璃厚度成反比关系，B65Ce0样品在0.245 MeV时的TF从0.70降至0.58，厚度增加了0.5至1.3厘米。TF随玻璃厚度和CeO₂含量的增加而降低，表明这些样品的辐射屏蔽能力有所增强。玻璃的辐射防护效率（RPE）在0.1218 MeV时最高，分别为B62Ce3样品的72%和B65Ce0样品的69%。然而，随着能量的增加，RPE降低，在0.779 MeV时分别为11.6%和12.1%。B62Ce3样品的RPE最高，证实了其比其他制备的玻璃具有更强的衰减能力。不同辐射屏蔽参数表明，添加CeO₂改善了玻璃的辐射屏蔽性能。

引言

辐射屏蔽已成为一个重要课题，尤其是在医疗、工业和核相关应用日益广泛的时代，对抗电离辐射的保护至关重要。针对不同的玻璃体系已经进行了多项研究，这些材料在作为伽马射线屏障方面具有广阔的应用前景（Al-Buriahi等人，2022；Al-Buriahi, Alsaiari等人，2024；Al-Taani & Hamad，2025；Hamad，2024a；Issa等人，2024）。基于碲酸盐玻璃的复合材料具有某些优势，因为它们既具有防护特性，又对环境友好。

二氧化碲（TeO₂）是一种重氧化物，将其加入玻璃中可以提高玻璃的密度并显著增强其吸收电离辐射的能力。密度是影响任何介质辐射屏蔽性能的最常见参数之一。在实际应用中，高密度玻璃更受欢迎，这可以通过添加重金属氧化物（HMO）来实现（Srinivas等人，2022；Al-Buriahi等人，2020；Rammah等人，2020）。

氧化钡（BaO）是一种常用的HMO，可以增加玻璃的密度，从而提高其辐射屏蔽能力（Lakshminarayana等人，2020；Mhareb, Alajerami, Dwaikat等人，2020）。

本研究在玻璃配方中加入了氧化铈（CeO₂），以进一步提高其功能，特别是在耐辐射性方面。CeO₂还在玻璃受到辐射时提供结构支持，并增强其整体辐射防护性能。这一特性使得CeO₂成为辐射屏蔽材料的必备成分，因为它能提高玻璃在严苛使用条件下的效率和耐用性（Acikgoz等人，2021；Ahmadi等人，2023）。

¹⁵²Eu放射性源在医疗和辐射屏蔽领域得到广泛应用（Huwayz等人，2024）。因此，本研究重点探讨了TeO₂-BaO-B₂O₃-CeO₂玻璃在该放射源发射能量下的辐射屏蔽性能。

Phy-X程序是评估玻璃辐射屏蔽性能的有效工具（?akar等人，2019），通过该工具可以计算半值层（HVL）。

有多种参数用于描述玻璃的辐射屏蔽特性，其中线性衰减系数（LAC）是一个非常有用的参数（Al-Buriahi, Alrowaili等人，2024；Alsaiari等人，2024；Haddad等人，2025；Farrag等人，2024；Hamad等人，2022a）。研究发现，随着重金属氧化物（HMO）含量的增加，辐射屏蔽效果也会提高，因此TeO₂-B₂O₃-BaO-CeO₂玻璃的衰减系数也随之增加。这种关系表明，高密度材料更易于吸收伽马光子。由于衰减系数受成分影响，可以设计新的玻璃配方以满足所需的辐射屏蔽性能（Alrowaili等人，2024；Aktas等人，2018；Showahy等人，2022；Alsharari等人，2019）。

含HMO的碲酸盐玻璃的另一个优点是它们能够高效吸收和传递伽马射线能量。玻璃的原子结构不仅影响其密度，还影响其对伽马光子能量的吸收效率。能量传递效率的提高提升了玻璃的密度，同时减少了透过玻璃层的辐射量。在介质暴露于高能光子的情况下，这一特性非常有用，因为能量传递对于避免辐射带来的危险至关重要（Karami等人，2023；Solak等人，2023）。

伽马光子与TeO₂-B₂O₃-BaO-CeO₂玻璃的相互作用在多种伽马能量下均有效，因此这些材料适用于高能辐射环境。实验结果表明，这些玻璃具有良好的伽马射线透射率降低效果，能够有效阻挡高能光子，这扩展了它们的应用范围，特别是在需要高能伽马辐射防护的领域。

本研究使用Phy-X软件分析了这些玻璃在Eu-152放射源发射能量下的伽马射线屏蔽效率。

玻璃制备过程

玻璃的制备

本研究采用熔融淬火技术制备玻璃样品。所用氧化物为B₂O₃、TeO₂、CeO₂和BaO，每种样品中TeO₂的含量为20摩尔%，BaO的含量为15摩尔%，同时CeO₂的含量每增加1摩尔%，B₂O₃的含量相应减少1摩尔%。图1展示了玻璃的制备步骤及样品照片。氧化物在20克批次中充分混合后，用玛瑙研钵研磨成均匀粉末。

结果与讨论

在Eu-152放射源发射能量下测试了所研究玻璃的屏蔽性能。图2显示了0.245 MeV时样品密度对透射系数（TF）的影响。B65Ce0样品的密度最低，因此其TF最高，为0.604，说明其衰减效率最低；随着CeO₂含量的增加（达到1摩尔%），TF降低。

结论

研究报道了TeO₂-BaO-CeO₂-B₂O₃样品的辐射屏蔽性能。添加CeO₂后TF降低，证实CeO₂对玻璃的辐射屏蔽性能有积极影响。玻璃厚度也对屏蔽性能有显著影响，随着厚度增加，TF降低。在0.1218 MeV时辐射防护效率（RPE）最高；但随着能量增加，RPE下降。

作者贡献声明

F.F. Alharbi：研究、数据分析、概念构建。M I Sayyed：方法设计、数据分析、概念构建。B. Albarzan：数据验证、软件应用、项目管理。Maryam Al Huwayz：撰写、审稿与编辑、可视化处理、监督。Aljawhara H. Almuqrin：初稿撰写、监督、项目管理

未引用的参考文献

Mhareb等人，2020；Slimani等人，2024。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼大学科学研究与图书馆部门通过研究项目（项目编号RG-1445-0037）资助本研究。