新型无铅玻璃的辐射屏蔽与机械性能研究：基于Geant4蒙特卡罗模拟的深入解析

　　本综述通过Geant4蒙特卡罗模拟与实验验证，系统探讨了Bi2O3-ZnO改性硼酸盐玻璃的辐射屏蔽性能与机械特性。研究显示该材料在0.015 MeV能量下线性衰减系数（μ）达643.1 cm-1，显著优于传统屏蔽材料，同时通过半值层（HVL）、平均自由程（MFP）等参数证实其卓越防护潜力，为核医学与辐射防护领域提供了新型无铅解决方案。

　　

Highlight

玻璃合成与密度测量

采用传统熔融淬火技术制备了四个玻璃样品，各样品摩尔组成详见表1。精确称量的化学粉末经过至少30分钟充分混合研磨达到均质化后，将混合粉末转移至纯氧化铝坩埚中，在900°C下退火30分钟。随后将熔融玻璃浇注至300°C恒温炉中保持5小时完成成型。

结果与分析

结构和机械参数是理解玻璃稳定性及其应用能力的关键。表3列出了B₂O₃-BaO-ZnO-Bi₂O₃玻璃系统的结构和机械性能。密度和摩尔体积是评估玻璃致密度的基础指标（图3）。BZ1至BZ4样品的密度值从6.567 g/cm³增至7.213 g/cm³，随着Bi₂O₃和ZnO含量的增加，玻璃网络结构中形成更多四面体BO₄单元，显著提升了原子堆积密度。机械性能方面，杨氏模量从72.487 GPa降至63.689 GPa，剪切模量从30.068 GPa降至26.597 GPa，表明玻璃稳定性有所降低，但泊松比始终低于0.3，证实了材料具有高交联密度特性。

Conclusion

本研究评估了四种通过熔融淬火法制备玻璃样品的电离辐射屏蔽性能。随着Bi₂O₃和ZnO含量增加，密度从6.567 g/cm³提升至7.213 g/cm³，显著增强了光子衰减能力。在0.5 MeV能量下，BZ1至BZ4的线性衰减系数（μ）分别达到0.925 cm^-1、0.970 cm^-1、1.002 cm^-1和1.036 cm^-1，超越传统屏蔽材料。半值层（HVL）在1 MeV附近达到峰值（康普顿散射主导区），而平均自由程（MFP）随能量增加呈指数下降趋势。所有样品有效原子数（Z_eff）在能量低于0.1 MeV时急剧上升，证实了光电子吸收的主导作用。研究表明富Bi₂O₃硼酸盐玻璃是实现辐射屏蔽与机械性能优化的理想候选材料。