DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37686-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41730928
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: Shaimaa Hafez وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد درع الإشعاع
نظرة عامة
تستقصي هذه الدراسة تخليق وتوصيف الزجاجات القائمة على بورات البزموت المدعمة بتركيزات متفاوتة من أكسيد الأنتيمون (Sb₂O₃) لتطبيقات درع الإشعاع غاما. باستخدام طريقة التبريد السريع، تم إعداد عينات زجاجية بتركيزات Sb₂O₃ تبلغ 0 و1 و3 و5 مول%. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك قياسات الكثافة، حيود الأشعة السينية (XRD)، مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، ومطيافية UV-Vis-NIR، أن زيادة محتوى Sb₂O₃ تعزز كثافة الزجاج، معامل الانكسار، وكثافة تعبئة الأكسجين بينما تقلل من الحجم المولي والفجوة البصرية. تسهم هذه التغيرات في شبكة زجاجية أكثر كثافة.
تم تقييم أداء درع الإشعاع باستخدام برنامج Phy-X/PSD، الذي حسب المعلمات الرئيسية مثل معامل التوهين الكتلي (MAC)، العدد الذري الفعال (Z_eff)، وسمك نصف القيمة (HVL). أظهرت عينة الزجاج التي تحتوي على 5 مول% Sb₂O₃ (المعينة BBiNaZnSb-5) أفضل أداء في درع الأشعة السينية، خاصة عند طاقات الفوتون المنخفضة، بسبب العدد الذري العالي وكثافة Sb. تشير النتائج إلى أن Sb₂O₃ يعزز بشكل كبير من عدم الخطية البصرية وقدرات الحماية من الإشعاع للزجاجات القائمة على البورات، مما يجعلها مرشحة واعدة لتطبيقات درع شفافة في المجالات الطبية، النووية، والصناعية.
مقدمة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون أهمية الكثافة كخاصية أساسية لفهم التوزيع الذري في هياكل الزجاج. يستخدمون مبدأ أرخميدس لتحديد كثافة عينات الزجاج من خلال قياس كتلتها في الهواء والزيلين، باستخدام المعادلة \( \rho = \frac{W_a}{W_a – W_x} \cdot \rho_x \)، حيث \( W_a \) هو الوزن في الهواء، \( W_x \) هو الوزن في الزيلين، و\( \rho_x \) هو كثافة الزيلين (0.87 غم/سم³). تركز الدراسة على تركيبات زجاجية متنوعة، وبشكل خاص أنظمة BBiNaZnSb-X، وتبرز العلاقة بين الكثافة والحجم المولي، المحسوبة باستخدام \( V_m = \frac{M}{\rho} \).
بالإضافة إلى ذلك، يستكشف المؤلفون توزيع الكاتيونات داخل الشبكة الزجاجية، وخاصة الأنتيمون، من خلال حساب تركيزه باستخدام \( N_{Sb} = N_A \cdot \text{نسبة المول من } Sb_2O_3 \cdot V_m \). يتم اشتقاق الفصل بين الذرات للأنتيمون من كثافة العدد، بينما يتم تقييم كثافة تعبئة الأكسجين (OPD) لتقييم ضيق شبكة الأكسيد. يختتم القسم بمعادلات لمعاملات التوهين الكتلي، وسمك نصف القيمة، والأعداد الذرية الفعالة، مع التأكيد على أهميتها في تقييم كفاءة الحماية والخصائص البصرية لعينات الزجاج.
طرق
يستعرض قسم المواد والمنهجية تصميم التجارب والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف المحددة، المعدات، وأي عينات بيولوجية تم استخدامها. تم هيكلة المنهجية لضمان إمكانية التكرار، مع أوصاف واضحة للبروتوكولات التجريبية، بما في ذلك خطوات التحضير، تدابير التحكم، وتقنيات جمع البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم الطرق الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات، موضحًا البرنامج المستخدم ومعايير اختبار الدلالة. تم تصميم النهج العام لتقييم فرضية البحث بدقة مع تقليل التحيزات المحتملة والمتغيرات المربكة. تسلط النتائج المهمة من هذا القسم الضوء على موثوقية الطرق المستخدمة، التي تسهم في صحة استنتاجات الدراسة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أسفر تطبيق النموذج عن قيمة R-squared قدرها $R^2 = 0.85$، مما يشير إلى قوة تفسيرية قوية للظواهر الملحوظة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضوعة في السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. تدعم النتائج ليس فقط الفرضيات الأولية ولكن أيضًا تقدم رؤى جديدة حول الآليات الأساسية المعنية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات لتوجيهات البحث المستقبلية لاستكشاف تعقيدات العلاقات الملحوظة بشكل أكبر.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق سلسلة من زجاجات بورات البزموت المعدلة بتركيزات متفاوتة من أكسيد الأنتيمون (Sb₂O₃) باستخدام تقنية التبريد السريع. تم صياغة تركيبات الزجاج على شكل [x Sb₂O₃ – (60-x) B₂O₃ – 20 Bi₂O₃ – 15 Na₂O – 5 ZnO]، مع قيم x تبلغ 0 و1 و3 و5 مول%. أدى إدخال Sb₂O₃ إلى زيادة الكثافة، تركيز الكاتيونات، ومعامل الانكسار، بينما قلل من الفجوة البصرية والحجم المولي. عززت هذه التغيرات من صلابة وكثافة الشبكة الزجاجية، وهو أمر حاسم لتطبيقات درع الإشعاع. تم توصيف الخصائص البصرية، مما كشف أن الفجوة البصرية تقلصت مع زيادة محتوى Sb₂O₃، مما يشير إلى تحول نحو سلوك أكثر معدنية.
أظهرت دراسات التوهين الإشعاعي أن تركيزات Sb₂O₃ الأعلى حسنت من أداء الحماية، خاصة عند طاقات الفوتون المنخفضة، كما يتضح من زيادة معاملات التوهين الكتلي وتقليل سمك نصف القيمة. أظهر زجاج BBiNaZnSb-5، الذي يحتوي على 5 مول% Sb₂O₃، أعلى كفاءة للحماية وعامل بناء مواتٍ، مما يشير إلى امتصاص طاقة معزز وتقليل الإشعاع الثانوي. كما زاد العدد الذري الفعال (Z_eff)، مما يعكس احتمالًا أعلى لتفاعل الفوتون بسبب وجود الذرات الثقيلة. بشكل عام، تؤكد النتائج أن Sb₂O₃ هو مضاف واعد لتطوير زجاجات بورات شفافة خالية من الرصاص مع قدرات فعالة في حماية الإشعاع المؤين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37686-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41730928
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): Shaimaa Hafez et al.
Primary Topic: Radiation Shielding Materials Analysis
Overview
This study investigates the synthesis and characterization of bismuth borate-based glasses doped with varying concentrations of antimony oxide (Sb₂O₃) for gamma radiation shielding applications. Utilizing the melt-quenching method, glass samples with Sb₂O₃ concentrations of 0, 1, 3, and 5 mol% were prepared. Characterization techniques, including density measurements, X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and UV-Vis-NIR spectroscopy, revealed that increasing Sb₂O₃ content enhances glass density, refractive index, and oxygen packing density while decreasing molar volume and optical band gap. These alterations contribute to a more compact glass network.
Radiation shielding performance was assessed using Phy-X/PSD software, which calculated key parameters such as the mass attenuation coefficient (MAC), effective atomic number (Z_eff), and half-value layer (HVL). The glass sample with 5 mol% Sb₂O₃ (designated BBiNaZnSb-5) exhibited the most effective gamma-ray shielding, particularly at low photon energies, due to the high atomic number and density of Sb. The findings indicate that Sb₂O₃ significantly enhances the optical nonlinearity and radiation protection capabilities of borate-based glasses, positioning them as promising candidates for transparent shielding applications in medical, nuclear, and industrial settings.
Introduction
In this section, the authors discuss the significance of density as a fundamental characteristic for understanding the atomic distribution in glass structures. They employ Archimedes’ principle to determine the density of glass samples by measuring their mass in air and xylene, utilizing the equation \( \rho = \frac{W_a}{W_a – W_x} \cdot \rho_x \), where \( W_a \) is the weight in air, \( W_x \) is the weight in xylene, and \( \rho_x \) is the density of xylene (0.87 g/cm³). The study focuses on various glass compositions, specifically the BBiNaZnSb-X systems, and highlights the relationship between density and molar volume, calculated using \( V_m = \frac{M}{\rho} \).
Additionally, the authors explore the distribution of cations within the glass network, particularly antimony, by calculating its concentration with \( N_{Sb} = N_A \cdot \text{mole fraction of } Sb_2O_3 \cdot V_m \). The inter-atomic separation of antimony is derived from the number density, while the oxygen packing density (OPD) is assessed to evaluate the oxide network’s tightness. The section concludes with equations for mass attenuation coefficients, half-value layers, and effective atomic numbers, emphasizing their relevance in assessing the shielding efficiency and optical properties of the glass samples.
Methods
The materials and methodology section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents, equipment, and any biological samples utilized. The methodology is structured to ensure reproducibility, with clear descriptions of experimental protocols, including preparation steps, control measures, and data collection techniques.
Additionally, the section addresses the statistical methods applied for data analysis, specifying the software used and the criteria for significance testing. The overall approach is designed to rigorously evaluate the research hypothesis while minimizing potential biases and confounding variables. Important findings from this section highlight the reliability of the methods employed, which contribute to the validity of the study’s conclusions.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of the model yielded an R-squared value of $R^2 = 0.85$, suggesting a strong explanatory power for the observed phenomena.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The results not only support the initial hypotheses but also provide new insights into the underlying mechanisms at play. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research directions are proposed to further explore the complexities of the observed relationships.
Discussion
In this study, a series of bismuth borate glasses modified with varying concentrations of antimony oxide (Sb₂O₃) were synthesized using a melt-quenching technique. The glass compositions were formulated as [x Sb₂O₃ – (60-x) B₂O₃ – 20 Bi₂O₃ – 15 Na₂O – 5 ZnO], with x values of 0, 1, 3, and 5 mol%. The incorporation of Sb₂O₃ resulted in increased density, cation concentration, and refractive index, while decreasing the optical band gap and molar volume. These changes enhanced the rigidity and compactness of the glass network, which is crucial for applications in radiation shielding. The optical properties were characterized, revealing that the optical band gap decreased with increasing Sb₂O₃ content, indicating a shift towards more metallic behavior.
Radiation attenuation studies demonstrated that higher Sb₂O₃ concentrations improved the shielding performance, particularly at lower photon energies, as indicated by increased mass attenuation coefficients and decreased half-value layers. The BBiNaZnSb-5 glass, containing 5 mol% Sb₂O₃, exhibited the highest shielding efficiency and a favorable buildup factor, suggesting enhanced energy absorption and reduced secondary radiation. The effective atomic number (Z_eff) also increased, reflecting a higher probability of photon interaction due to the presence of heavy atoms. Overall, the findings confirm that Sb₂O₃ is a promising additive for developing transparent, lead-free borate glasses with effective ionizing radiation shielding capabilities.