CN113979634A - 一种新型x射线防辐射特种玻璃及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：TeO2：60％；PbO：20％；ZnO：11‑19％；BaF2：1‑9％；本发明提供的新型X射线防辐射特种玻璃是高度稳定的特种玻璃，具有良好的X射线截止能力。相比于现有技术的防辐射玻璃和混凝土，本发明的防护能力最高分别提高了1.85倍和1.6倍。本发明通过调节玻璃组成，在低于1000℃的温度下制备出具有较强防辐射能力的特种玻璃。
Description
技术领域
本发明属于防护材料技术领域，特别涉及一种新型X射线防辐射特种玻璃及制备方法。
背景技术
X射线、γ射线等放射性射线都属于高能量的电磁波，这种射线在通过不同的介质时，能导致介质的原子发生电离现象，因而又叫做电离射线。电磁波的波长愈短，其穿透能力就愈强。普通玻璃的组成并不能有效吸收这类射线，必须在玻璃组成中引入大量原子序数高的元素才能提高它的吸收能力。而特种玻璃是应用在现代特殊技术上的玻璃，其中由于物质对放射性辐射的吸收能力随着其含有的金属元素的原子序数加大而提高，所以防护用特种玻璃都含有较多量的重金属氧化物。
目前在人类的生产活动中，辐射的使用和产生随着生产力的大幅度发展而越来越多，其中电离辐射被认为是影响人类健康和安全的关键问题之一。因此研究人员不断尝试寻找新的高质量辐射屏蔽材料，尽可能低成本地将辐射衰减到安全的水平。
合适的辐射屏蔽材料应同时满足无毒、廉价、环保、多用途的条件。在辐射屏蔽材料的开发中，研究人员尝试开发和研究合金、无铅混凝土、岩石、聚合物和玻璃等材料。在这些材料中，掺杂重金属氧化物的玻璃因其具有高透明度、耐热性、耐化学腐蚀性、耐压性、高密度和抗损伤性等优异的综合性能而受到广泛关注。而随着该领域的发展，碲酸盐玻璃的辐射防护性能越来越受到人们的重视。碲酸盐玻璃基于TeO2，其密度高于硅酸盐和硼酸盐玻璃系统，并且具有更好的辐射屏蔽能力。
目前已有研究表明碲酸盐玻璃系统在辐射防护领域有着潜在用途。Al-Buriahi在10.1016/j.ceramint.2020.04.240中研究了成分为TeO2-ZnO-NiO的玻璃系统，Amani在10.1016/j.ceramint.2020.04.017研究了TeO2-PbO的玻璃系统，并介绍了该系统在辐射防护领域的意义。
在当下的科研及生产活动中，使用较多的辐射防护材料，如RS 360玻璃以及混凝土，都有着防护效果较弱或成本太高等问题亟待解决，市场需要一款性能较强、经济效益较高的产品来满足需求。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：20-X％；
BaF2：X％；
X＝1～9。
进一步地，X＝1、3、5、6、7或9。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：19％；
BaF2：1％。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：17％；
BaF2：3％。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：15％；
BaF2：5％。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：14％；
BaF2：6％。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：13％；
BaF2：7％。
进一步地，新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：11％；
BaF2：9％。
本发明还提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃的制备方法，制备方法包括以下步骤：
S1：称量：按规定摩尔百分比称取各组分；
S2：溶制：将S1称量的各组分放置于耐热容器中，再将盛有各组分的耐热容器放置于马弗炉内加热融化，得到均匀的玻璃熔体；
S3：成型及退火：将步骤S2得到的玻璃熔体浇筑到预热黄酮模具中使其冷却成型，并置于恒温炉内退火，制得玻璃初品；
S4：将步骤S3得到的玻璃初品切割，对玻璃初品的表面进行研磨、抛光，制得新型X射线防辐射特种玻璃。
进一步地，S2所述放置于马弗炉内加热融化中的加热融化的温度为850℃，加热融化的时间为1.5小时。
进一步地，步骤S3所述预热黄酮模具的预热温度为200-250℃，恒温炉内温度为250-300℃，退火时间为24小时。
本发明还提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃在防X射线中的用途。
有益效果：本发明提供的新型X射线防辐射特种玻璃是高度稳定的特种玻璃，具有良好的X射线截止能力。相比于现有技术的防辐射玻璃和混凝土，本发明的防护能力最高分别提高了1.85倍和1.6倍。本发明通过调节玻璃组成成分，在低于1000℃的温度下制备出具有较强防辐射能力的特种玻璃；本发明制备工艺简单，易实现大尺寸制备，可重复性高，熔融温度低；特别相比于已有技术，本发明制备的新型X射线防辐射特种玻璃，具有优异的防护能力，同时具有无毒、价格低廉、环保和多用途的优点，且密度高，透明度高，耐热性强，有助于在人类的各种生产活动中对电离辐射进行屏蔽，提高生产效率和安全性。
附图说明
图1为辐射防护能力测试装置示意图；
图2为辐射防护能力测试装置实地图；
图3为试验例中不同实施例制得的新型X射线防辐射特种玻璃的半值层厚度对比图；photon energy指的是光子能量；
图4为试验例中不同实施例制得的新型X射线防辐射特种玻璃的质量衰减系数对比图；mass attenuation coefficient指的是质量衰减系数；
图5为试验例与RS 360商用玻璃和重晶石混凝土的平均自由程对比；mean freepath指的是平均自由程。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围；本发明中所使用的设备，如无特殊规定，均为本领域内常用的设备；本发明中所使用的方法，如无特殊规定，均为本领域内常用的方法。
实施例1
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：19％；
BaF2：1％；
制备方法为：
S1：称量：按规定摩尔百分比称取各组分；
S2：溶制：将S1称量的各组分放置于耐热容器中，再将盛有各组分的耐热容器放置于马弗炉内加热融化，加热融化的温度为850℃，加热融化的时间为1.5小时，得到均匀的玻璃熔体；
S3：成型及退火：将步骤S2得到的玻璃熔体浇筑到预热温度为200℃的黄酮模具中使其冷却成型，并置于温度为250℃的恒温炉内退火24小时，制得玻璃初品；
S4：将步骤S3得到的玻璃初品切割，对玻璃初品的表面进行研磨、抛光，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-1)。
实施例2
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：17％；
BaF2：3％；
制备方法为：
S1：称量：按规定摩尔百分比称取各组分；
S2：溶制：将S1称量的各组分放置于耐热容器中，再将盛有各组分的耐热容器放置于马弗炉内加热融化，加热融化的温度为850℃，加热融化的时间为1.5小时，得到均匀的玻璃熔体；
S3：成型及退火：将步骤S2得到的玻璃熔体浇筑到预热温度为225℃的黄酮模具中使其冷却成型，并置于温度为275℃的恒温炉内退火24小时，制得玻璃初品；
S4：将步骤S3得到的玻璃初品切割，对玻璃初品的表面进行研磨、抛光，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-3)。
实施例3
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：15％；
BaF2：5％；
制备方法为：
S1：称量：按规定摩尔百分比称取各组分；
S2：溶制：将S1称量的各组分放置于耐热容器中，再将盛有各组分的耐热容器放置于马弗炉内加热融化，加热融化的温度为850℃，加热融化的时间为1.5小时，得到均匀的玻璃熔体；
S3：成型及退火：将步骤S2得到的玻璃熔体浇筑到预热温度为250℃的黄酮模具中使其冷却成型，并置于温度为300℃的恒温炉内退火24小时，制得玻璃初品；
S4：将步骤S3得到的玻璃初品切割，对玻璃初品的表面进行研磨、抛光，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-5)。
实施例4
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：14％；
BaF2：6％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-6)。
实施例5
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：13％；
BaF2：7％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-7)。
实施例6
本实施例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：11％；
BaF2：9％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃(TPZBF-9)。
对照例1
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
ZnO：29％；
BaF2：1％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TZBF-1。
对照例2
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
ZnO：27％；
BaF2：3％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TZBF-3。
对照例3
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
ZnO：24％；
BaF2：6％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TZBF-6。
对照例4
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
ZnO：23％；
BaF2：7％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TZBF-7。
对照例5
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
ZnO：21％；
BaF2：9％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TZBF-9。
对照例6
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：8％；
BaF2：12％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TPZBF12。
对照例7
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：19％；
ZnO：1％；
BaF2：20％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TPZBF20。
对照例8
本对照例提供了一种新型X射线防辐射特种玻璃，由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：70％；
PbO：10％；
ZnO：11％；
BaF2：9％；
制备方法同实施例1，制得新型X射线防辐射特种玻璃TP10ZBF9。
试验例1防护性能测试
方法1：
通过阿基米德原理，采用纯水为浸没液，通过精密天平称量测试。
各实施例和对照例制备的新型X射线防辐射特种玻璃经过铅当量厚度测试，得到其防护性能。实验装置示意图如图1所示，实地图如图2所示。几块20mm厚的铅砖将装置的辐射源包围起来，辐射源放置在距离样品300mm的位置，在辐射源和样品之间放置了一个孔径为5mm的准直器，以减少光源和周围环境散射的辐射。
利用57Co、60Co、137Cs、133Ba和241Am放射源的准直窄射线束，在7条能量线(0.059、0.081、0.122、0.356、0.662、1.173、1.332MeV)下对玻璃进行测试。同时，为了减少背景辐射的影响，每次实验前在探测器没有辐射源的情况下工作30分钟以获取环境背景辐射的计数率Ibg。此外，为了减少随机误差，每种样品在每个辐射源下测试10次，每次五分钟，最后获得未放置玻璃的计数率I0和放置后的计数率I。
最后，通过下式得到玻璃的质量衰减系数：
其中ρ为玻璃密度，t为玻璃样品厚度；
在核物理中，辐射防护能力也可以用HVL来描述，相同厚度下HVL值较低的材料可以提供更大的辐射防护效果。实施例1-6和对照例1-8的HVL值如图3所示。
由图3可知，实施例1-6制备的不同成分的玻璃均具有良好的防辐射能力，而对照例1-8制备的玻璃的防辐射能力相对较差。
由图4可知，实施例1-6制备的不同成分的玻璃在入射光子能量为0.059MeV时的质量衰减系数达到4.9637-5.2108cm2/g，而对照例1-6制备的玻璃在入射光子能量为0.059MeV时的质量衰减系数只达到了3.5cm2/g左右，对照例7-8制得的玻璃TPZBF12和TPZBF20在入射光子能量为0.059MeV时的质量衰减系数相对较高，但依然低于实施例1-6制得的玻璃。
可以观察到，当BaF2含量大于9％mol时，对于X射线的屏蔽能力反而下降，产生了性能变化，而对于对照组的玻璃质量衰减系数和半值层厚度相对于实施例的变化，是由于对照组的玻璃中Pb元素的相对含量降低导致的性能下降。
方法2
采用平均自由程MFP比较各实施例制得的新型X射线防辐射特种玻璃的防辐射防护能力的参数，该值越小，相同厚度材料的辐射防护能力越强。图5是各实施例与RS 360商用玻璃和重晶石混凝土的MFP比较图。可以看出实施例1-6制备的玻璃的防护能力达到了RS360商用玻璃的1.6倍，重晶石混凝土的1.85倍，而对照例1-5的制备的玻璃的防护能力较RS360商用玻璃还差一些。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：20-X％；
BaF2：X％；
X＝1～9。
2.如权利要求1所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述X＝1、3、5、6、7或9。
3.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：19％；
BaF2：1％。
4.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：17％；
BaF2：3％。
5.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：15％；
BaF2：5％。
6.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：14％；
BaF2：6％。
7.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：13％；
BaF2：7％。
8.如权利要求2所述的新型X射线防辐射特种玻璃，其特征在于，所述新型X射线防辐射特种玻璃由以下摩尔百分比的组分制成：
TeO2：60％；
PbO：20％；
ZnO：11％；
BaF2：9％。
9.一种权利要求1所述的新型X射线防辐射特种玻璃的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：称量：按规定摩尔百分比称取各组分；
S2：溶制：将S1称量的各组分放置于耐热容器中，再将盛有各组分的耐热容器放置于马弗炉内加热融化，得到均匀的玻璃熔体；
S3：成型及退火：将步骤S2得到的玻璃熔体浇筑到预热黄酮模具中使其冷却成型，并置于恒温炉内退火，制得玻璃初品；
S4：将步骤S3得到的玻璃初品切割，对玻璃初品的表面进行研磨、抛光，制得新型X射线防辐射特种玻璃；
优选地，步骤S2所述放置于马弗炉内加热融化中的加热融化的温度为850℃，加热融化的时间为1.5小时；
优选地，步骤S3所述预热黄酮模具的预热温度为200-250℃，恒温炉内温度为250-300℃，退火时间为24小时。
10.权利要求1-8任一所述新型X射线防辐射特种玻璃在防X射线中的用途。
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|---|---|---|---|---|
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| CN1765793A (zh) * | 2000-12-25 | 2006-05-03 | 日本电气硝子株式会社 | 非电子注引示型阴极射线管玻锥 |
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- 2021-12-02 CN CN202111462959.3A patent/CN113979634A/zh active Pending
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