تحسين درع الإشعاع غاما في زجاج البورات منخفض البزموت عبر إضافة الأنتيمون: رؤى بصرية وفيزيائية

لماذا تمثل الدروع الشفافة الآمنة أهمية

من غرف الأشعة في المستشفيات إلى المحطات النووية وأجهزة الفحص في المطارات، تساعد الحزم غير المرئية ذات الطاقة العالية على تشخيص الأمراض وتوليد الكهرباء والحفاظ على الأمن. لكن نفس الأشعة المفيدة يمكن أن تضر الأنسجة الحية وتزيد من خطر الإصابة بالسرطان إذا لم يتم توفير الحماية المناسبة. تعتمد الحماية التقليدية على الخرسانة السميكة أو الرصاص السام، وهي مواد ثقيلة وغير شفافة ويصعب تشكيلها. تستكشف هذه الدراسة عائلة جديدة من الزجاج الذهبي الشفاف الذي قد يحجب أشعة غاما الضارة بقوة تقارب المعادن الكثيفة، ولكن من دون عيوبها — ما يفتح المجال للنوافذ والشاشات ولوحات العرض التي تجمع بين الحماية والشفافية.

بناء نوع جديد من الزجاج الواقي

بدأ الباحثون بزجاج بورات، وهو نوع من الزجاج القائم على أكسيد البورون والمعروف بسهولة تصنيعه وثباته الكيميائي وارتفاع شفافيته. أضافوا بعد ذلك كميات صغيرة ومحددة بعناية من عدة أكاسيد معدنية: البزموت لزيادة الكثافة، والصوديوم لتسهيل الذوبان وتشكيل الزجاج، والزنك لتقوية الشبكة، والأنتيمون لضبط الخواص البصرية والواقية على حد سواء. باستخدام عملية صهر وتبريد سريع عند درجات حرارة عالية — بتسخين المساحيق فوق 1100 °م وتبريد المصهور بسرعة بين صفائح فولاذية — أنتجوا سلسلة من الزجاجات التي بدت متشابهة: صفائح واضحة وقوية ميكانيكياً بلون مصفر ذهبي طفيف.

كيف تعيد إضافة الأنتيمون تشكيل الزجاج

لفهم دور الأنتيمون داخل الزجاج، قاس الفريق كثافته ودرجة حزم ذراته وكيفية تفاعله مع الضوء. مع زيادة محتوى الأنتيمون من 0 إلى 5 مول٪، أصبح الزجاج أكثر كثافة بشكل ملحوظ، بينما تقلص الحجم المولي للفراغ بين الذرات. أكدت اختبارات الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية أن المادة ظلت زجاجاً حقيقياً — غير متبلور وموحد — بينما أصبحت بنيتها الداخلية أكثر انضغاطاً وصلابة. في الوقت نفسه ارتفع معامل الانكسار وانخفض فجوة الطاقة البصرية قليلاً، وهي مقياس لمدى استجابة الإلكترونات للضوء. توضح هذه التغييرات أن الأنتيمون يساعد في بناء شبكة أثقل وأكثر تماسكاً لا تزال تسمح بمرور الضوء المرئي.

قياس مدى فعالية الزجاج في إيقاف الإشعاع

السؤال المركزي كان مدى قدرة هذه الزجاجات على إيقاف أشعة غاما، الأكثر اختراقاً بين أشكال الإشعاع الشائعة. باستخدام برمجيات متخصصة وكثافات الزجاج المقاسة، حسب المؤلفون كميات واقية رئيسية عبر نطاق طاقة واسع: معامل التوهين الكتلي (مدى امتصاص المادة للإشعاع)، والعدد الذري الفعّال (مقياس لمدى «ثِقَل» الذرات أمام الإشعاع)، وطبقة نصف القيمة (السماكة المطلوبة لخفض شدة الإشعاع إلى النصف). على جميع الطاقات المختبرة، تفوقت الزجاجات الغنية بالأنتيمون على الخرسانة البورتلندية القياسية، خاصة عند طاقات الفوتونات المنخفضة الشائعة في المصادر الطبية والصناعية. مع زيادة محتوى الأنتيمون زاد معامل التوهين الكتلي وانخفضت طبقة نصف القيمة، ما يعني أن زجاجاً أرق يمكنه توفير نفس الحماية.

موازنة الوضوح والقوة والوقاية

ما يميّز هذا النظام الزجاجي هو قدرته على موازنة عدة خواص مرغوبة في وقت واحد. تجعل إضافة البزموت والزنك والأنتيمون الزجاج كثيفاً ومستقراً ميكانيكياً، مما يساعده على إيقاف أشعة غاما، في حين تبقي الشبكة القائمة على البورات ومحتوى المعادن المنضبط الزجاج واضحاً بصرياً بدل أن يصبح غبارياً أو متبلوراً. قدمت العيّنة التي تحتوي على 5 مول٪ من الأنتيمون أفضل أداء إجمالي: كانت أعلى كثافة، وأقوى تفاعل مع الإشعاع، وأقل سماكة مطلوبة للوقاية، وسجلت سلوكاً بصرياً غير خطي محسن قد يكون مفيداً في الأجهزة الضوئية. والأهم أن كل ذلك تحقق من دون اللجوء إلى الرصاص السام.

ما معنى هذا للحماية اليومية

للمهتمين غير المتخصصين، الخلاصة واضحة: عبر ضبط وصفة زجاج شائع بعناية، من الممكن صنع لوحات شفافة تحجب أشعة غاما الخطرة بشكل أكثر فعالية بكثير من زجاج النوافذ العادي، وحتى أفضل من بعض أنواع الخرسانة، مع تجنب المعادن الثقيلة مثل الرصاص. تُظهر الدراسة أن جرعة معتدلة من الأنتيمون تحوّل مادة مألوفة إلى مرشح واعد لنوافذ الرؤية الآمنة في غرف الأشعة، والخلايا الحارة، وبيئات غنية بالإشعاع الأخرى. بعبارة أخرى، يشير العمل إلى جدران ونوافذ مستقبلية تتيح لنا الرؤية من الداخل، وتمنع الخطر من الخارج، وتتحقق ذلك بمواد أخف وأنظف.

الاستشهاد: Hafez, S., Gomaa, W.M. & Salama, E. Optimizing gamma radiation shielding of low bismuth borate glass via antimony addition: optical and physical insights. Sci Rep 16, 7511 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37686-6

الكلمات المفتاحية: زجاج درع الإشعاع, أشعة غاما, زجاج بورات, تميؤ بالأنتيمون, سلامة التصوير الطبي