A. Indhrapriyadarshini | K.A. Naseer | Y. Ruangtaweep | C.K. Jayasankar | K. Marimuthu
物理系，甘地利亚姆农村研究所（被认定为大学），甘地利亚姆，624 302，印度
**摘要**
对于医学、核技术和空间技术的应用而言，开发高效、透明且坚固的衰减材料是不可或缺的。根据传统的熔融淬火工艺，制造了一系列掺杂了Eu3+离子的硼磷酸碲酸盐玻璃（三组分玻璃），其配方为55B2O3 + 10P2O5 + 15TeO2 + 10ZnO + (10−X)SrO + XEu2O3（X = 0.01, 0.1, 0.5, 0.75 & 1 wt%）。通过XRD和FTIR分析证实了这些玻璃的非晶特性以及其拉伸和弯曲振动现象。在所有制备的玻璃中，BPTEu1样品具有较高的密度（3.926 g/cm3）和折射率（2.190）。然而，较高的Eu3+离子浓度使得该样品的密度（106.23 mol/cm3）和键密度（8.472 × 1028 m−3）显示出更紧密的结构。此外，BPTEu1样品表现出优异的机械性能。利用光学吸收光谱还测定了直接带隙、间接带隙和Urbach值等光学特性。BPTEu1样品较低的ΔE值（0.163 eV）表明其具有更好的光子衰减能力，这归因于其较低的无序程度。通过PHY-X/PSD模拟软件，在1 KeV至15 MeV的光子能量范围内估算了衰减参数（LAC、TVL、Zeff和MFP）。在其他样品中，BPTEu1样品在较低能量下表现出更高的LAC和Zeff值以及更低的TVL和MFP值。综合来看，BPTEu1样品作为辐射衰减材料的候选者表现优异。
**引言**
自18世纪发现电离辐射以来，它已成为众多科学和工业技术的重要组成部分，包括医学成像、放射治疗、生物研究、核能生产以及各种测试方法。随着这些技术的广泛应用，人们也越来越关注它们与生物组织和暴露材料的潜在有害相互作用。电离辐射（高能光子）包括X射线、γ射线、α、β粒子、质子、重离子和中子等。这些辐射具有足够的能量来引起电离和原子位移，并对材料产生多种影响，最终可能导致皮肤损伤、细胞突变或长期健康问题。为了解决这些问题，人们采取了多种防护措施，如限制剂量率、时间限制和屏蔽（Al-Buriahi等人，2024；Mhareb等人，2024；Yorulmaz等人，2024）。其中，屏蔽被认为是保护生物免受危险辐射的关键措施。因此，开发高效的屏蔽系统对于确保核反应堆、放射治疗装置、核废料储存场和工业辐照室等设施的安全运行至关重要。
传统的屏蔽材料如混凝土、玻璃陶瓷、合金、聚合物和铅基复合材料因其良好的屏蔽性能而被广泛使用。混凝土作为一种屏蔽材料，具有高密度且成本低廉、易于制备（Barbhuiya等人，2025）。但它们存在透明度低、易在辐射作用下开裂等缺点。铅基复合材料的衰减能力较强，但由于毒性高而不环保（Ihsani等人，2024）。玻璃陶瓷和合金则具有较高的机械强度和热稳定性（Hanfi等人，2023），但存在脆性、制备成本高且成分修改难度大的问题。聚合物基屏蔽材料重量轻且易于制备（Zeng等人，2023），但其原子序数较低，导致衰减能力较弱。在当今环境中，需要透明的、可加工的、便携式的屏蔽材料来克服这些限制。因此，基于玻璃的屏蔽材料引起了越来越多的关注，因为它们具有光学透明度高、均匀性好、化学稳定性高以及通过添加高Z氧化物或氟化物能够有效衰减高能辐射等优点（Biradar等人，2024；Kurtulus，2024）。因此，特定玻璃成分的制备和优化已成为开发高效辐射屏蔽材料的重要研究方向。
基于硼的玻璃因其结构优势和衰减高能光子的能力而受到越来越多关注（Ahmadi等人，2024；Alyami等人，2025；Sallam等人，2024）。硼酸盐（B2O3）常作为主要玻璃成分，因其能形成稳定的网络结构、良好的光学透明度和相对较低的熔点。尽管纯硼酸盐玻璃密度低且对高能辐射有一定的抵抗力，但其有效性仍受限制。磷酸盐（P2O5）基玻璃因开放的网络结构能够容纳重金属氧化物，从而具有较好的光子衰减和光学透明度（Alqahtani等人，2023；Alsaif等人，2024；Rammah等人，2020），但相比之下，它们的耐久性、机械强度和热稳定性较低。通过适当的成分调整，可以平衡屏蔽性能和长期稳定性。为了解决这些问题，常在玻璃中添加碲酸盐（TeO2）作为次要或条件性成分（Al-Buriahi等人，2025；Alomayrah等人，2024；Alrowaili等人，2023）。TeO2的加入提高了玻璃的密度和极化率，增强了整体结构紧凑性，使其更适合需要改进辐射屏蔽性能的应用。此外，ZnO的存在提高了热稳定性和耐久性（Zakaly等人，2022；Zakaly等人，2023）。研究表明，向玻璃中添加ZnO可以有效增强屏蔽效果（Eskalen等人，2023）。将碱土金属（如Sr）加入P2O5玻璃网络中可以破坏P–O–P键，形成P–O−M键，从而提高化学耐久性并抵抗水化。碱土金属还能吸收γ射线和中子，降低玻璃的熔点，便于加工和制造（Wu和Wang，2024）。
由于辐射的不可避免使用，辐射屏蔽材料对环境有显著影响。因此，研究人员致力于创新无污染的新型屏蔽材料。本研究的目的是制备掺杂稀土元素的玻璃作为屏蔽材料。玻璃材料具有良好的透明度、易于制备和成分修改。掺杂稀土元素的硼磷酸碲酸盐玻璃（三组分玻璃）相比其他玻璃屏蔽材料具有更好的屏蔽效率。单组分（硼酸盐/磷酸盐/硅酸盐）玻璃系统的衰减性能较差，因为它们的密度和衰减能力较低。双组分（硼酸盐、磷酸盐和硅酸盐的组合）玻璃系统表现出更好的衰减性能。在双组分玻璃系统中加入碲酸盐（高Z元素）可增强电离辐射的衰减效果并降低半值层厚度。三组分玻璃则具有更高的化学耐久性、光学透明度和密度，以及更好的衰减效率（Kaky等人，2026；Mahdi等人，2026；Sayyed等人，2025a，2025b）。
在本研究中，通过改变修改剂（SrCO3和Eu2O3）的浓度，制备了一系列新型硼磷酸碲酸盐玻璃以优化其屏蔽性能。Eu2O3的掺入提高了玻璃的密度（Z = 63），从而增强了屏蔽效果。为了进一步提高衰减性能，还加入了B2O3、P2O5和TeO2作为条件性成分。本研究使用XRD和FTIR分析确认了玻璃的结构行为。物理、结构和机械属性的研究有助于了解玻璃网络的紧凑性、堆积方式、键合性质等。吸收光谱用于测定合成样品的带隙和Urbach能量值，以分析成分变化对结构的影响。通过紫外到近红外区域的吸收光谱研究了光子-玻璃相互作用现象，以评估屏蔽效率。为了分析具有优异衰减伽马射线和中子能力的材料，使用了Phy-X/PSD软件计算了线性衰减系数、质量衰减系数、半值层厚度和有效原子序数等参数。
**实验方法**
采用传统的熔融淬火工艺制备了特定组分的玻璃（55B2O3 + 10P2O5 + 15TeO2 + 10ZnO + (10−X)SrO + XEu2O3（X = 0.01, 0.1, 0.5, 0.75 & 1 wt%）（Naseer等人，2021）。所有玻璃成分均购自Sigma-Aldrich，纯度为99.9%。每批成分约15克，用电子称精确称重后研磨成均匀混合物。
**XRD分析**
XRD分析显示制备的玻璃具有非晶结构（如图1所示）。这种谱图中没有明显的晶体峰，是非晶或玻璃样品的典型特征（Mukamil等人，2025）。缺乏明确的衍射图案表明元素排列缺乏长程序序，证明了样品的非晶性质。
**结论**
通过传统的熔融淬火技术合成了硼磷酸碲酸盐玻璃，对其组成、物理、结构和衰减特性进行了深入研究。多技术验证方法揭示了其在辐射衰减应用中的潜力。本研究的主要成果如下：
➢ XRD分析证实了样品的非晶性质及功能性团组的存在。
**作者贡献声明**
A. Indhrapriyadarshini：撰写初稿、方法研究、数据分析。
K.A. Naseer：撰写初稿、方法研究、数据分析。
Y. Ruangtaweep：审稿与编辑。
C.K. Jayasankar：审稿与编辑。
K. Marimuthu：审稿与编辑、撰写初稿、监督、概念构思。
**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
打赏
