钇/钐氧化物掺杂提升硼酸盐玻璃的光学与γ射线屏蔽性能：一种多功能辐射防护材料的研究

　　本综述系统探讨了通过掺杂Y2O3和Sm2O3优化PbO2-BaO-CaO-B2O3玻璃体系，显著提升其光学性能（如折射率达2.503）与γ射线屏蔽效能（线性衰减系数LAC提升98.3%）。研究证实该材料在辐射防护（RPE达90.723%）和光学应用领域具有重大潜力。

　　

Highlight

玻璃制备

采用传统熔融-淬火技术制备玻璃样品。根据表1所列化学组成，精确称量高纯度金属氧化物（包括PbO₂、BaO、CaO、B₂O₃、Y₂O₃和Sm₂O₃）的化学计量配比。本研究中的玻璃样品按照通用公式(10+x) PbO₂ + 19 BaO + 11 CaO + (60-x-y-z) B₂O₃ + y Sm₂O₃ + z Y₂O₃进行制备；其中x = 0、3、6和9 mol%，y = z = 0、0.25、0.5、0.75和1 mol%。Sm₂O₃和Y₂O₃的掺入旨在协同增强玻璃的网络结构和功能特性。

物理特性分析

对制备的玻璃材料的物理特性进行了全面研究，相应结果详见表2。一个显著的模式揭示，随着玻璃组成中PbO₂、Y₂O₃和Sm₂O₃比例的增加，玻璃密度(ρ_glass)和摩尔体积(V_Molar)分别从3.937增至4.536 g/cm³和从25.929增至26.589 cm³/mol。ρ_glass的升高主要归因于较轻的B₂O₃被显著更重的PbO₂、Y₂O₃和Sm₂O₃化合物所取代。同时，V_Molar的增加表明玻璃网络结构发生膨胀，这可能源于较大阳离子的掺入或网络中间体形成的改变。这些物理特性的变化直接影响了材料的光学和屏蔽性能。

结论

在光学和γ射线屏蔽应用方面，本研究成功合成了一种新型玻璃系列。该系列基于化学式(10+x) PbO₂ + 19 BaO + 11 CaO + (60-x-y-z) B₂O₃ + y Sm₂O₃ + z Y₂O₃；其中x = 0、3、6和9 mol%，y = z = 0、0.25、0.5、0.75和1 mol%。当玻璃组成中PbO₂ + Y₂O₃ + Sm₂O₃的浓度从10.5增加至21 mol%时，合成玻璃的密度在3.937-4.536 g/cm³范围内增加。密度的提升直接增强了材料对γ射线的质量衰减能力。此外，光学研究表明，掺杂导致直接光学带隙从3.126 eV减小至2.931 eV，间接带隙从2.764 eV减小至2.529 eV，而折射率则从2.443增加至2.503。这些光学特性的变化表明材料在透光性方面的改善。在γ射线屏蔽性能方面，评估了在0.015-10 MeV能量范围内的线性衰减系数(LAC)、有效原子序数(Z_eff)和辐射防护效率(RPE)。最高掺杂水平的玻璃（YSm1.0）表现出优异的屏蔽性能，其LAC在光电效应区降低了98.3%，在康普顿散射区降低了93.41%，性能优于商用屏蔽玻璃RS 253。增加的掺杂水平也提高了Z_eff（从53.891增至60.572）和RPE（在0.2 MeV时从80.233%增至90.723%）。研究还发现，增加玻璃厚度可显著增强屏蔽效果，在1 MeV能量下，RPE从0.25 cm厚度时的6.878%增加至3 cm厚度时的57.479%。这些结果综合证实，YSm掺杂玻璃是一种在辐射屏蔽和光学应用中极具前景的多功能材料。