文档介绍：防辐射玻璃
摘要
本文从两个方面(抗辐射玻璃和耐辐射玻璃)入手简要介绍来了玻璃在辐射条件下面临的问题和一些解决问题的方法。在ZF3玻璃的基础上,TiO2代替部分PbO,用Al2O3代替部分SiO2,调整玻璃组分,改善玻璃结构,降低玻璃含铅量的同时,能够有效的提高玻璃的防辐射能力。阐述辐射致玻璃着色的机理,简述提高玻璃耐辐射能力的途径,介绍Ce4+提高玻璃耐辐射能力的机理以及一些被广泛关注的耐辐射玻璃。
引言
随着核工业,航天事业以及放射医学的发展,同时,普通玻璃对射线的吸收能力弱并且在辐射条件下,其物理,化学,电学和机械等性能都将发生变化,这就对玻璃的防辐射和耐辐射性质提出要求。
玻璃对高能辐射的吸收能力与玻璃的密密切相关,国内外的玻璃工作者和从事防辐射的人员都在积极寻求密度大的材料作为防护材料,顾在玻璃成分中引入重金属元素,如铅,钡,铋等。其中重铅玻璃已被广泛的应用于防辐射领域。我国生产的ZF7玻璃的铅含量最高,,。在玻璃中尽管随铅含量的增加,密度增加,但防辐射能力的提高却受到了一定的限制。同时,铅作为一种重金属元素,对人体,对环境的危害都比较大。我们希望能够通过其他途径,提高玻璃防辐射能力的同时能够降低玻璃中的重金属含量。
高能射线能够破坏玻璃的网络结构,形成大量自由电子,使玻璃中的阳离子还原,致使玻璃着色,降低玻璃的白光透过率,同时,由于玻璃结构的破坏,增加了光纤的损耗。再辐射条件下不变色的玻璃(即耐辐射玻璃)主要用于原子反应堆和热室附近的观察窗包括医院放射医疗室的观察窗及光学仪器,如潜望镜等和适应于核战争条件下得军用光学仪器。因此,耐辐射玻璃的发展对核事业和放射医疗事业的发展有重要意义。众所周知,航天航空领域中对玻璃材料的要求非常严格,除了热稳定性和机械强速等性能指标外,另一个非常重要的指标就是玻璃的的耐辐射性能。我们希望通过加入稀土元素,调整玻璃的组成成分以及各组成成分的含量,达到改善玻璃结构,提高玻璃的耐辐射能力。
(一)防辐射玻璃
玻璃的防辐射能力主要取决于它对射线能量的吸收能力。经典理论认为,玻璃对高能射线能量的吸收能力可按下式计算:
式中:I0为初始射线强度和通过玻璃后的射线强度; t为玻璃厚度; u为窄射线的吸收系数;ρ为玻璃密度;田为玻璃吸收系数;f MxOy为玻璃中各组成氧化物的质量百分比;ωMxOy为玻璃组成中各氧化物的质量吸收系数。从上式可见,玻璃对高能辐射的吸收决定于其组分的质量吸
收系数及其密度。而玻璃的密度更为直观,同时,玻璃的成分和结构是影响其防辐射能力的重要因素。玻璃的网络结构越紧密防辐射能力越强。根据这一观点,通过调整铅玻璃的组成,改变玻璃结构,制得密度较低且具有高防辐射能力的新型玻璃。
在ZF3玻璃的基础上,调整玻璃的组成。利用混合碱效应提高玻璃的化学稳定性,K2O与N a2O质量比等于2. 5~7. 4时,化学稳定性最好;以A12O3取代SiO2的含量在8%(以质量计,下同)左右时,玻璃的耐酸性出现了极小值,即发生了众所周知的铝反常”现象; 随着TiO2取代PbO的含量增加,玻璃的化学稳定性明显提高,当TiO2含量达到4. 9%时,耐酸性已提高一个数量级。但TiO2的含量过多,使玻璃工艺性能变坏,TiO2与PbO质量比最佳值为1:12。玻璃的最佳组成配方列于下表。
在ZF3玻璃的基础上,用TiO2代替部分PbO,用Al2O3代替部分SiO2得到的玻璃,在与传统高铅玻璃的对比实验中得知,满足各种常见性能要求的同时明显提高了玻璃对高能射线的防护能力。
该玻璃组成中铅的含量较低,玻璃密度也较低(·cm-3),而铅当量却高于铅含量高、且密度较大( 4. 77 g· cm- 3)的ZF。玻璃。当玻璃样品的厚度为lmm时,其铅当量为0. 95,几乎与纯铅金属板相当。我们认为,这是由于玻璃组成中以TiO2代替部分P b O以A12O:代替部分SiO2,使得玻璃结构趋于紧密的结果。在铅玻璃的网络结构中,一个铅离子被八个氧离子所包围,四个距铅离子较远(4. 29Å ) ,而另外四个距铅离子较近( 2. 3Å),形成了一种非对称配位。外层电子受到邻近氧离子的排斥,并使四个氧离子产生移动,形成了一个[ PbO4]。一般认为这个四面体存在于铅含量较高的玻璃中。这些四面体相互连接形成螺旋形链,与[SiO2]通过顶点相连形成一种特殊结构。当用TiO2替代部分PbO时,钦离子所形成的[TiO2]进入玻璃网络中,使离子键比例增加。当TiO2含量增加时,在T i4+和S i4+之间的氧”在水平方向的强烈振动尤其显著,使阳离子更加紧密,结果导致结构更加紧密。玻璃密度较低是由于Ti具有较低的原子质量。Al