BaO增强硼磷酸盐玻璃的设计与表征及其在先进γ和中子辐射屏蔽中的应用研究

为解决医疗、核能和太空工业对高性能辐射屏蔽材料的迫切需求，研究人员开展了BaO掺杂镁硼磷酸盐玻璃（xBaO–30MgO–10P2O5–(50–x)B2O3–10Na2O）的系统研究。通过熔融淬火法制备的玻璃复合材料在0.015–15 MeV能量范围内表现出优异的γ射线屏蔽性能，35 mol% BaO样品质量衰减系数（μm）达0.0769 cm2/g，有效原子序数（Zeff）提升至15.34。虽然BaO添加降低了慢中子吸收截面（Σs从0.0646降至0.0248 cm?1），但快中子移除截面（ΣR）保持稳定（0.1144–0.1012 cm?1）。该研究为开发兼具高γ衰减效率和稳定中子屏蔽性能的新型材料提供了重要参考。

　　

随着核技术在医疗诊断（如PET-CT）、肿瘤放疗和太空探索等领域的广泛应用，传统辐射屏蔽材料如铅和混凝土暴露出重量大、透明度低、化学稳定性差等局限性。更棘手的是，复杂辐射环境往往同时存在γ射线和中子混合辐射，而这两种辐射的屏蔽机制存在矛盾——高原子序数元素（如铅）对γ射线效果显著，却会通过(n,γ)反应产生次级γ辐射；富含硼的材料虽能有效吸收热中子，但对快中子和γ射线屏蔽不足。这种“顾此失彼”的困境促使科学家将目光投向具有可调组成和优异透光性的玻璃材料，特别是结合了硼酸盐（B₂O₃）中子吸收特性和磷酸盐（P₂O₅）化学稳定性的硼磷酸盐玻璃体系。

在这项发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》的研究中，Mohamed Ehab团队通过精确调控BaO含量，设计出兼具高γ衰减效率和适度中子屏蔽性能的新型复合材料。研究人员采用熔融淬火法（Melt-quenching）制备了七组不同BaO含量（0–35 mol%）的玻璃样品，通过X射线衍射（XRD）确认非晶态结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学键振动模式，并利用窄束透射实验测量γ和中子衰减性能。

X射线衍射分析显示所有样品均呈现典型非晶态特征，在2θ=20–30°出现宽衍射峰。摩尔体积与密度测试表明，随着BaO含量增加，玻璃密度从2.797 g/cm³（0 mol%）线性增至3.938 g/cm³（35 mol%），同时摩尔体积减小，证实Ba²⁺离子有效填充了玻璃网络间隙。FTIR分析发现1043 cm^?1处的磷酸盐特征峰随BaO增加分裂为1049–1088 cm^?1双峰，表明BaO促进了BO₃三角体向BO₄四面体的转化。

γ射线衰减性能方面，35 mol% BaO样品在0.662 MeV能量下的μ_m值（0.0769 cm²/g）超越普通混凝土，其半值层（HVL）和十值层（TVL）分别比无BaO样品降低29%和31%。有效原子序数（Z_eff）在0.08 MeV处出现峰值（15.34），源于Ba的K吸收边（37.4 keV）对光电效应的增强。暴露累积因子（EBF）分析显示，BaO能显著降低0.04–15 MeV范围内的次级辐射积累。

中子屏蔽测试揭示了有趣的权衡效应：慢中子截面Σ_s随B₂O₃减少从0.0646 cm^?1（0 mol%）降至0.0248 cm^?1（20 mol%），而快中子移除截面Σ_R保持稳定（0.1144→0.1012 cm^?1），这归因于Ba原子核（Z=56）通过非弹性散射消耗中子动能的能力。

这项研究通过巧妙的组成设计，在硼磷酸盐玻璃中实现了γ与中子屏蔽性能的优化平衡。35 mol% BaO样品展现出媲美传统混凝土的γ屏蔽能力，同时维持了可接受的中子衰减水平，其透明特性更便于辐射环境实时监测。未来通过调控B₂O₃/BaO比例或引入稀土元素（如Gd₂O₃），有望进一步突破“光子-中子”协同屏蔽的技术瓶颈，为核电站观察窗、医疗放射防护和太空舱屏蔽材料提供新选择。