دراسة تجريبية لأداء درع الإشعاع لأنظمة الزجاج PbO2-BaO-CaO-B2O3-Y2O3

لماذا تهمنا الدروع الإشعاعية الآمنة

من غرف علاج السرطان إلى أجهزة فحص المطارات والمحطات النووية، نعتمد على حواجز تمتص الإشعاع الضار بهدوء تسمح للناس بالعمل بأمان بالقرب منها. قد تكون الدروع التقليدية المصنوعة من خرسانة سميكة أو من الرصاص الصلب ثقيلة ومعتمة وأحيانًا سامة. تستكشف هذه الدراسة نهجًا مختلفًا: زجاج شفاف ومتين قادر على إيقاف أشعة غاما القوية مع السماح للأطباء والفنيين والمهندسين برؤية ما يفعلونه على الجانب الآخر.

بناء زجاج وقائي أفضل

صمم الباحثون مجموعة من الزجاج الخاص المصنوعة من مزيج من مكوّنات تشكيل الزجاج الشائعة وأكاسيد فلزية أثقل. من خلال ضبط كمية أكسيد الرصاص المضافة بعناية، إلى جانب الباريوم والكالسيوم والبورون وكمية صغيرة من أكسيد الإيتريوم، أنشأوا أربع وصفات زجاجية متقاربة. ذابوا الخلائط في فرن، وحركوها لتحقيق التجانس، ثم بردوها بطريقة مسيطرة بحيث كانت القطع النهائية شفافة وخالية من الفقاعات ومستقرة ميكانيكيًا. أكدت اختبارات الأشعة السينية أن جميع العينات ظلت زجاجية فعليًا بدلاً من أن تتحول جزئيًا إلى بلورية، وهو أمر مهم للحفاظ على ثبات خواص الحجب والخصائص البصرية.

وضع الزجاج بيننا وبين الحزمة

لمعرفة مدى فعالية كل زجاج في حجب الإشعاع، وضع الفريق العينات بين مصادر مشعة مختومة وكاشف حساس للغاية. تبعث هذه المصادر أشعة غاما عند طاقات مميزة متعددة، تتدرج من منخفضة نسبيًا إلى عالية الطاقة. بقياس عدد أشعة غاما التي وصلت إلى الكاشف مع وجود الزجاج وبدونه، تمكنوا من حساب مدى إضعاف كل عينة للحزمة. كما حسبوا مقاييس قياسية للحجب مثل «طبقة نصف القيمة» (مقدار الزجاج اللازم لخفض الإشعاع إلى النصف) و«المسار الحر المتوسط» (المسافة التي يسافرها فوتون غاما في المتوسط قبل أن يُمتص أو يتشتت).

مقارنة الزجاج الحقيقي بالنماذج الافتراضية

للتحقق من قياساتهم، لجأ العلماء إلى أداتين مستقلتين: حاسبة إلكترونية مستخدمة على نطاق واسع تتنبأ بالحجب بناءً على وصفة الزجاج، ومحاكاة حاسوبية مفصلة (Geant4) تتعقب عددًا هائلًا من الجسيمات الفردية أثناء تفاعلها مع المادة. لكل نوع زجاج ولكل طاقة لأشعة غاما، قارنوا قدرة الحجب المقاسة بالقيم المتوقعة. كان التطابق وثيقًا بشكل لافت — الفروق كانت بضعة في المئة أو أقل. هذا التطابق القوي يعزز الثقة بأن كلًا من التجربة والإعداد الرقمي يمكن استخدامهما بشكل موثوق لتصميم وتقييم مواد حاجبة جديدة.

كيف يغير الرصاص المضاف السماكة والسلامة

ظهر نمط واضح: مع زيادة محتوى أكسيد الرصاص في الزجاج، صار المكون أفضل في إيقاف أشعة غاما، خاصة عند الطاقات المنخفضة حيث يتفاعل الإشعاع بقوة أكبر مع الذرات الثقيلة. عمليًا، يعني ذلك أن قطعة أرق من الزجاج الأكثر احتواءً على الرصاص ينبغي أن تكون كافية لتحقيق نفس مستوى الحماية مثل قطعة أكثر سمكًا من الزجاج الأقل احتواءً على الرصاص — أو من العديد من الخرسانات والبوليمرات وحتى الزجاجات المتخصصة الأخرى المذكورة في دراسات سابقة. التكوين الأكثر فعالية، المسمى PBCBY-4 في الدراسة، كان باستمرار يمتلك أصغر طبقة نصف قيمة، وأقصر مسافة سفر متوسطة لأشعة غاما، وأقل نسبة من الإشعاع التي تمر عبر سمك معين.

ماذا يعني هذا للحماية اليومية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: أظهر المؤلفون أن زجاجًا شفافًا ومهندَسًا بعناية يمكن أن ينافس أو يتفوق على العديد من مواد الحجب التقليدية مع البقاء شفافًا ومتينًا وذو حجم مدمج نسبيًا. تشير قياساتهم، المدعومة بمحاكاة، إلى أن زجاج PBCBY-4 الغني بالرصاص والباريوم يمكنه إيقاف أشعة غاما بكفاءة عبر مجموعة واسعة من الطاقات مستخدمًا سمكًا أقل من العديد من الخيارات الحالية. في المنشآت الطبية والصناعية والبحثية المستقبلية، يمكن أن يساعد مثل هذا الزجاج في بناء نوافذ مشاهدة وجدران واقية أو حاويات أجهزة توفر حماية إشعاعية قوية دون التضحية بالرؤية أو إضافة حجم غير ضروري.

الاستشهاد: Elsafi, M., Sayyed, M.I. & Issa, S.A.M. Experimental study of radiation shielding performance of PbO₂-BaO-CaO-B₂O₃-Y₂O₃ glass systems. Sci Rep 16, 8617 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39038-w

الكلمات المفتاحية: زجاج حاجب للإشعاع, حماية من أشعة غاما, زجاج أكسيد الرصاص, سلامة الإشعاع الطبية, محاكاة مونتي كارلو