含高量Y2O3的锡磷酸盐基玻璃的合成与表征，以及利用Phy-X/PSD软件对其伽马射线屏蔽性能的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：2Synthesis and Characterization of High Y2O3-Containing Tin-Phosphate-Based Glasses and Their Gamma Ray Shielding Properties by Phy-X/PSD Software

　　莫哈马德·M·埃布拉希姆|K.A.阿里|H.A.阿博-莫萨拉姆|M.莫赫里|易卜拉欣·A·马赫迪 沙特阿拉伯吉达大学胡莱斯应用学院 摘要：本研究旨在探讨(x)Y2O3-30SnO-10B2O3-(60-x)P2O5体系玻璃的成分对玻璃结构、光学性能及辐射稳定性的影响。掺入Y2O3会降低玻璃的透光率并提高反射率，使得x=0.0和10.0时的光学带隙分别从3.67电子伏特降至3.10电子伏特，因此这类玻璃有望用于光伏系统。带隙值的减小是由于局域态宽度增大所致，x=0.0摩尔%时局域态宽度为0.23电子伏特，而x=10摩尔%时上升至0.31电子伏特，同时玻璃的折射率也有所增加。这些参数会影响玻璃的摩尔折射率、碱度以及非线性光学特性。此外，还使用了Phy-X/PSD软件对0.001-15兆电子伏特能量范围内的屏蔽参数进行理论估算，以了解Y2O3/P2O5替代物如何提升玻璃的辐射屏蔽能力。随着Y2O3的加入，快中子的有效吸收截面从0.1296厘米^-1增至0.1361厘米^-1，而玻璃对热中子的总吸收截面则从6.367降至6.348。本研究的创新之处在于制备了不同含量的高Y2O3含量的锡磷酸盐玻璃，这类材料具有可持续性且成本低廉，同时还具备出色的辐射防护性能。所制备的材料具备光学、物理及伽马射线防护特性，可有效减少对环境的影响。引言：近年来，由于能源生产、武器制造以及某些医疗活动，产生了大量有害的核废料（Verma和Srivastava，2024）。伽马光子被广泛应用于全球众多领域，包括核研究、农业、放射治疗以及地质勘探等（Buzok等人，2024；Ho?g?r等人，2025）。虽然伽马辐射有着诸多优势，但它也会对人类健康造成严重危害，甚至引发致命疾病。因此，含有稀土元素的环保型玻璃材料已成为近期研究的热点，这类材料可用于辐射屏蔽和光学领域（Hafiz等人，2024）。目前，玻璃因其优异的光学和物理性能以及出色的辐射屏蔽能力，已成为最重要的辐射防护材料之一，被广泛用于各类防护应用中（Bakri等人，2024；Peri?ano?lu等人，2020；Ruamnikhom等人，2023）。基于硼磷酸盐体系的玻璃具有诸多优点，可应用于多种现代领域，尤其是辐射屏蔽、激光器件、快速离子传导、固态离子器件以及基于波导的电子设备等（Abouhaswa等人，2025；Dhinakaran等人，2024；Peri?ano?lu等人，2021）。快速离子导体对于开发具有更高能量密度和更快充电速度的新电池至关重要，比如固态电池，这类电池对于需要可靠持久电源的军事设备来说十分重要（Machín等人，2024；Njema等人，2024）。磷酸盐玻璃具有良好的热学和光学性能，且稀土离子在其中的溶解度很高。不过，磷酸盐玻璃的一个主要缺点是其化学稳定性较差，而添加B2O3可显著改善这一缺陷（Abd-Allah等人，2024；Dhinakaran等人，2024）。添加B2O3后，硼酸盐玻璃的结构中的配位数会发生变化，变为BO4或BO3结构（Abd-Allah等人，2024；Dhinakaran等人，2024）。研究表明，在硼磷酸盐玻璃中加入二氧化锡可显著改善玻璃的多种性能，尤其是光学性能，使其更适合用于各种光学应用中（Takebe等人，2007）。掺杂稀土元素的玻璃在光子学和材料工程领域应用越来越广泛，这类掺杂元素能够改善玻璃的光学、辐射及结构特性（Alharshan等人，2024；Alsafi等人，2024；Sayyed等人，2024）。这些掺杂元素可以改变玻璃的透光率、色散程度及折射率，因此有望应用于激光器件、光纤以及传感器等领域。此外，RE3+离子的4f-5d和4–4f能级跃迁所产生的发光现象，对于激光应用以及高量子产率而言具有重要意义。同时，掺杂稀土元素的玻璃也非常适合用于高能环境及核能相关领域（Alharshan等人，2024；Alsafi等人，2024；Sayyed等人，2024）。目前，向不同玻璃体系中添加氧化钇作为稀土元素，能够显著提升玻璃的性能。根据氧化钇的浓度及玻璃的组成不同，它既可以作为玻璃形成剂，也可以作为玻璃改性剂（Mahdy和Ibrahim，2012）。许多研究表明，向不同玻璃体系中添加氧化钇，不仅可以显著改善玻璃的光学性能，还能提升其密度、热稳定性以及红外透光率等性能，这使得氧化钇非常适合用于各种光学传感器以及核废料屏蔽装置中（Al-Buriahi等人，2023；Alsafi等人，2024；Alsaif等人，2022；Negm等人，2023；Sayyed等人，2024；Shaaban等人，2023）。此外，由于90Y同位素的半衰期较短且具有β射线发射特性，因此它在治疗肝脏肿瘤的放射疗法中具有巨大应用潜力（Singh和Anil，2014）。近年来，氧化钇被广泛添加到多种玻璃体系中，用于光学及伽马射线屏蔽领域，例如Y2O3-B2O3–SiO2–BaO–Na2O（Shaaban等人，2023）、SiO2-B2O3–Na2O-Al2O3-Y2O3（Al-Buriahi等人，2023）、CrO3-Na2O-Y2O3-B2O3（Negm等人，2023）、Li2O–ZnO-B2O3-Y2O3（Alsaif等人，2022）、B2O3–SiO2–Y2O3-BaO–Na2O（Alsafi等人，2024）、30SnO-10B2O3–X Y2O3–(60-X)P2O5（Saleem等人，2025）以及B2O3-20TeO2-10GeO2-35MgO-Y2O3（Sayyed等人，2024）。这类玻璃被广泛应用于各类工业、军事及医疗机构中的伽马射线屏蔽，有助于保护环境和人类健康，这也符合可持续发展的目标。研究者们认为，向玻璃体系中添加氧化钇能够根据其含量及玻璃的组成，提升玻璃的物理、化学及光学性能。尽管含氧化钇的玻璃在辐射屏蔽方面展现出巨大潜力，但目前仍存在一些研究空白，比如如何同时优化玻璃的光学性能与屏蔽性能、确定最佳掺杂浓度、与其他稀土氧化物对比性能、长期稳定性以及与其他掺杂元素的协同效应等（Alharshan等人，2024；Alsafi等人，2024；Sayyed等人，2024）。解决这些问题对于开发下一代多功能屏蔽玻璃至关重要。尤其是需要进一步研究氧化钇在SnO-B2O3-P2O5玻璃体系中对多功能性能的提升作用，这需要通过研究不同浓度的氧化钇对新型玻璃体系的影响，从而获得可在光学及屏蔽领域高效应用的成果。因此，本研究的目的是根据(x)Y2O3-30SnO-10B2O3-(60-x)P2O5的配方，合成不同氧化钇含量的高氧化钇含量玻璃，其中x的取值为0、2.5、5.0和10摩尔%，同时研究氧化钇对这类玻璃的物理、光学性能以及理论估算的屏蔽参数的影响，以此判断它们是否适合作为光学及伽马射线屏蔽材料。玻璃样品的制备：如表1所示，采用熔融淬火法成功制备了掺杂稀土元素的锡硼磷酸盐玻璃，其化学组成为(x)Y2O3-30SnO-10B2O3-(60-x)P2O5，其中x的取值为0.0、2.5、5.0和10.0摩尔%。在制备过程中，精确称量了高纯度的各种化学试剂，包括氧化锡（SnO，纯度99.95%，Loba-Chemie公司）、硼酸（H3BO3，纯度99.88%，Alfa Aeser公司）、氧化钇（Y2O3，纯度99.98%，Alfa Aeser公司）以及磷酸二氢铵（NH4H2PO4，纯度99.98%，Alfa Aeser公司）。物理与结构参数：图1展示了所制备玻璃的数字图像。如图1所示，所有玻璃样品均无气泡、质地均匀、透明且无色，因为在氧化钇/氧化磷比例不超过10摩尔%的情况下，玻璃颜色不会发生变化。图2显示，通过X射线衍射技术确认了这些样品的玻璃态特征，共研究了氧化钇掺杂量为0.0、2.5、5和10摩尔%的GY1、GY2、GY3和GY4四种样品。XRD分析结果充分证明了这些样品的玻璃态性质。结论：本研究成功合成了用于伽马射线屏蔽的新型非晶态磷酸盐玻璃，其化学组成为含氧化钇的(x)Y2O3-30SnO-10B2O3-(60-x)P2O5，这类玻璃具有较高的透明度。随着氧化钇含量的增加，玻璃的密度从2.96克/立方厘米上升至3.21克/立方厘米，而摩尔体积则从46.27立方厘米/摩尔下降至45.57立方厘米/摩尔。此外，由于氧化钇的加入，玻璃的OPD值降低，而V0值上升。玻璃的光学带隙Eg值则从3.67电子伏特降低。作者贡献说明：易卜拉欣·A·马赫迪：论文撰写与修改、原始稿撰写、数据可视化、结果验证、研究监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、正式分析、数据整理、概念构思。马哈茂德·莫赫里：论文撰写与修改、研究监督、软件使用、资源协调、项目管理、数据整理、概念构思。汉尼·阿博-莫萨拉姆：论文撰写与修改、原始稿撰写、数据可视化、结果验证。未引用参考文献：Al-Buriahi等人，2021年。资金支持说明：本研究由沙特阿拉伯吉达大学的资助完成，资助编号为(MoE-IF-UJ-R2-22-20174-3)。作者在此感谢吉达大学在技术及资金方面给予的支持。利益冲突声明：□作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。