将阴极射线管废弃物回收利用，制成经过BaO改性的玻璃用于辐射屏蔽：利用PHITS和MRCPs进行结构表征和剂量学评估

《Radiation Physics and Chemistry》：Recycling cathode ray tube waste into BaO-modified glasses for radiation shielding: Structural characterization and dosimetric evaluation using PHITS and MRCPs

再生CRT玻璃钡氧化物掺杂制备及其γ射线屏蔽性能研究。通过熔融淬火法制备了五组(70-x)CRT-30K2O-xBaO体系玻璃，结合PHITS蒙特卡洛模拟与WinXCOM计算，验证了掺杂BaO对质量衰减系数提升及屏蔽效能增强的作用，实验值与模拟吻合良好。通过人体计算 phantom 模拟发现，20mol% BaO掺杂玻璃2.5cm厚度可降低男女关键器官辐射剂量32.6-40.7%。该研究为电子废物资源化及辐射屏蔽材料开发提供新思路。

　　这项研究聚焦于探索一种可持续的途径，将废弃的阴极射线管（CRT）玻璃重新利用，以开发新型的伽马射线屏蔽玻璃。随着电子显示技术的快速发展，传统的CRT技术正逐渐被现代平板显示技术，如液晶、等离子和有机发光二极管（OLED）显示屏所取代。这一转变导致全球范围内大量CRT显示器成为废弃电子电气设备（WEEE），其中CRT玻璃占据了其总重量的85%。CRT玻璃主要由前端面板、颈部和漏斗玻璃组成，其中漏斗和颈部玻璃含有较高浓度的铅氧化物（PbO），而前端面板则由含钡和锶的硅酸盐玻璃构成。由于铅是一种有毒重金属，其在自然环境中可能造成土壤和地下水污染，并对人类健康产生威胁，因此对CRT玻璃进行有效回收和再利用显得尤为重要。

研究团队提出了一种创新的解决方案，通过将CRT玻璃与钾氧化物（K?O）和钡氧化物（BaO）结合，开发出一系列具有增强伽马射线屏蔽性能的玻璃材料。该研究中的玻璃体系为（70-x）CRT–30K?O–x BaO（其中x代表BaO的摩尔百分比，范围为0至20，步长为5）。通过传统熔融/淬火方法制备这些玻璃，并利用PHITS蒙特卡洛模拟和WinXCOM计算软件对它们的伽马射线衰减特性进行了评估，同时通过实验验证了这些模拟结果的准确性。此外，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术被用于分析玻璃的非晶结构以及钡氧化物对其网络结构的修改效果。

研究结果表明，随着BaO掺杂比例的增加，CRT玻璃的伽马射线屏蔽性能显著提升。具体而言，BaO的加入不仅提高了玻璃的密度和质量衰减系数（μ?），还增加了有效原子序数（Z_eff），从而降低了半价层（HVL）和平均自由路径（MFP）。在模拟实验中，研究团队采用网格型参考计算人体模型（MRCPs）来代表成年男性和女性的全身结构，以评估不同厚度的CRT玻璃掺杂BaO后对关键器官吸收剂量和有效剂量率的影响。结果显示，当使用20 mol% BaO掺杂的CRT玻璃作为屏蔽材料，厚度为2.5厘米时，能够显著减少受照人员所接收的辐射剂量。对于成年男性，剂量减少比例为32.6%至38.0%；而对于成年女性，这一比例则为32.8%至40.7%。这一发现表明，该新型玻璃材料在实际应用中具有良好的辐射防护效果。

值得注意的是，尽管BaO在提升伽马射线屏蔽性能方面表现出色，但它在某些方面也具有优势。例如，BaO的加入能够改善玻璃的光学性能，使其在保持透明度的同时具备较高的折射率，这为在需要透明性的辐射防护领域提供了新的可能性。此外，BaO的低毒性特性使其成为铅基玻璃的理想替代材料，从而减少了对环境和人体健康的潜在危害。同时，BaO在玻璃熔融过程中可以作为助熔剂，与碱性氧化物（如Li?O、Na?O和K?O）协同作用，降低熔融温度，这对于富含二氧化硅（SiO?）的CRT玻璃尤为重要，因为其熔融温度通常较高，约为1400°C。通过引入K?O作为助熔剂，不仅降低了熔融所需的能量，还提高了玻璃的成型效率和质量。

为了进一步验证这些新型玻璃的辐射屏蔽性能，研究团队还进行了实验测试。他们通过窄束透射实验，结合PHITS模拟和WinXCOM软件计算，评估了不同BaO掺杂比例的玻璃在不同能量范围内的衰减能力。实验数据与模拟结果高度一致，表明这些玻璃材料在实际应用中具有可靠的辐射防护效果。此外，研究还关注了这些玻璃材料在实际应用中的可行性，特别是在医疗领域。例如，研究人员设计了一种基于CRT玻璃和BaO的屏蔽原型，用于保护医疗人员免受伽马射线的伤害。这种设计不仅考虑了屏蔽材料的性能，还兼顾了其在医疗环境中的适用性。

在玻璃制备过程中，研究团队采用了多种技术手段。首先，他们对CRT玻璃进行了粉碎和研磨处理，以确保其均匀性和可加工性。接着，通过能量色散X射线光谱（EDS）分析了CRT玻璃的化学组成，确认了其主要成分，包括网络形成体（如SiO?）、典型改性剂（如PbO和BaO）以及其他氧化物。这些成分的精确控制对于最终玻璃材料的性能至关重要。随后，通过熔融和淬火技术将这些成分重新组合，形成新的玻璃材料。整个过程不仅考虑了材料的物理和化学特性，还注重了其环境友好性。

在评估这些新型玻璃的性能时，研究团队不仅关注其辐射屏蔽能力，还考虑了其在实际应用中的其他重要特性。例如，通过XRD分析确认了这些玻璃的非晶结构，这表明它们在物理性能上具有良好的稳定性。同时，FTIR光谱分析揭示了BaO对玻璃网络结构的影响，特别是增加了非桥氧（NBOs）的数量，从而改善了玻璃的粘度和化学耐久性。这些结构上的变化直接影响了玻璃的物理和光学性能，使其在多种应用场景中更具竞争力。

此外，研究还强调了CRT玻璃回收利用的生态价值。传统CRT玻璃处理方式，如焚烧、填埋或直接倾倒，不仅浪费资源，还可能对环境造成污染。而通过将CRT玻璃转化为具有辐射屏蔽功能的新型材料，不仅可以减少环境污染，还能实现资源的高效利用。这一做法符合可持续发展的理念，为电子废弃物的处理提供了新的思路。

研究团队在结论部分指出，通过将CRT玻璃与K?O和BaO结合，成功制备了五种具有不同BaO掺杂比例的玻璃样品，并对其物理、结构和伽马射线衰减性能进行了系统研究。这些玻璃材料在多个方面表现出优越的性能，包括增强的辐射屏蔽能力、良好的光学透明度以及较低的毒性。这些特性使其在核能、医疗和工业防护等领域具有广泛的应用前景。同时，研究还强调了这些玻璃材料在实际应用中的可行性，特别是在医疗防护设备的设计中，它们可以作为有效的屏蔽材料，为医疗人员提供更安全的工作环境。

这项研究的成果不仅有助于解决CRT玻璃的回收问题，还为其他类型的电子废弃物处理提供了借鉴。通过将有害物质（如PbO）稳定地封存在玻璃结构中，可以有效减少其对环境的潜在危害。同时，这些新型玻璃材料的开发也推动了绿色材料科学的发展，为实现环保和可持续发展目标做出了贡献。未来，随着对辐射防护需求的不断增加，这类材料的应用前景将更加广阔。此外，研究团队还希望进一步探索其他元素的掺杂对玻璃性能的影响，以开发出更高效、更环保的辐射屏蔽材料。