Оптимизация защиты от гамма‑излучения в борато‑стекле с низким содержанием висмута через добавление сурьмы: оптические и физические сведения

Почему прозрачные защитные экраны важны

От рентгеновских кабинетов в больницах до атомных электростанций и аэропортовых сканеров невидимые пучки высокоэнергетического излучения помогают диагностировать болезни, вырабатывать электричество и обеспечивать безопасность. Но те же лучи, которые приносят пользу, могут повредить ткани и повысить риск рака, если люди недостаточно защищены. Традиционная защита опирается на толстый бетон или токсичную свинцовую броню — они тяжёлые, непрозрачные и трудны в обработке. В этом исследовании рассматривается новая группа золотистых прозрачных стёкол, которые могли бы блокировать вредные гамма‑лучи почти так же эффективно, как плотные металлы, но без их недостатков — что открывает путь к окнам, экранам и смотровым стеклам, одновременно защитным и прозрачным.

Создание нового типа защитного стекла

Исследователи взяли за основу борато‑стекло — тип стекла на основе оксида бора, уже известный своей простотой изготовления, химической стабильностью и высокой прозрачностью. Затем они ввели небольшие, тщательно подобранные количества нескольких оксидов металлов: висмут для увеличения плотности, натрий для улучшения плавкости и формовки стекла, цинк для укрепления сетки и сурьму для тонкой настройки оптических и экранных свойств. Применяя метод сплавления с последующим закаливанием (нагрев порошков выше 1100 °C и быстрое охлаждение расплава между стальными пластинами), они получили серию стекол, которые выглядели схоже: прозрачные прочные пластины с лёгким жёлтовато‑золотистым оттенком.

Как добавление сурьмы меняет структуру стекла

Чтобы понять роль сурьмы в стекле, команда измерила его плотность, плотность упаковки атомов и взаимодействие с светом. По мере увеличения содержания сурьмы от 0 до 5 мольных процентов стекло заметно уплотнялось, а молярный объём — пространство между атомами — уменьшался. Инфракрасные и рентгеновские испытания подтвердили, что материал оставался истинным стеклом — аморфным и однородным — при этом его внутренняя структура становилась более компактной и жёсткой. Одновременно показатель преломления стекла возрос, а оптическая ширина запрещённой зоны, характеризующая лёгкость возбуждения электронов светом, слегка уменьшилась. В совокупности эти изменения показывают, что сурьма способствует образованию более тяжёлой, лучше сцепленной сети, которая при этом продолжает пропускать видимый свет.

Насколько хорошо стекло останавливает излучение

Ключевой вопрос заключался в том, насколько эффективно эти стекла способны поглощать гамма‑лучи — наиболее проникающую форму распространённого излучения. Используя специализированное программное обеспечение и измеренные плотности стекол, авторы рассчитали основные параметры защиты в широком энергетическом диапазоне: массовый коэффициент затухания (насколько сильно материал поглощает излучение), эффективный атомный номер (показатель «тяжести» атомов с точки зрения взаимодействия с излучением) и слой половинного ослабления (толщина, уменьшающая интенсивность излучения вдвое). Для всех протестированных энергий стекла с повышенным содержанием сурьмы превосходили обычный портландцемент, особенно при низких энергиях фотонов, типичных для многих медицинских и промышленных источников. С увеличением содержания сурьмы массовое затухание росло, а слой половинного ослабления уменьшался — то есть более тонкое стекло могло обеспечить ту же степень защиты.

Баланс прозрачности, прочности и экранирования

Особенность этой системы стекол — умение сочетать несколько желательных свойств одновременно. Добавленные висмут, цинк и сурьма делают стекло плотным и механически стабильным, что помогает останавливать гамма‑лучи, тогда как борато‑основная сеть и контролируемое содержание металлов сохраняют его оптическую прозрачность, не допуская помутнения или кристаллизации. Образец с 5 моль% сурьмы показал наилучшие общие показатели: наивысшую плотность, сильнейшее взаимодействие с излучением, наименьшую требуемую толщину для экранирования и улучшенное нелинейное оптическое поведение, которое может быть полезно в фотонных устройствах. Важно, что всё это достигается без использования токсичного свинца.

Что это значит для повседневной защиты

Для широкого круга читателей вывод прост: при тщательной корректировке рецептуры обычного стекла можно получить прозрачные панели, которые блокируют опасные гамма‑лучи значительно эффективнее, чем обычное оконное стекло, а в ряде случаев — даже лучше некоторых сортов бетона, при этом избегая тяжёлых металлов вроде свинца. Исследование показывает, что умеренная добавка сурьмы превращает знакомый материал в перспективный кандидат для защитных смотровых окон в рентген‑кабинетах, горячих ячейках и других средах с высоким уровнем радиации. Иными словами, работа указывает на будущее, где стены и окна позволят нам видеть внутрь, надёжно защищая от опасности, и будут более лёгкими и экологичными.

Цитирование: 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

Ключевые слова: стекло для радиационной защиты, гамма‑лучи, борато‑стекло, легирование сурьмой, безопасность медицинской визуализации