محاكاة وتوصيف زجاج البورات المُطعَّم بأكاسيد البزموت والساماريوم كدرعٍ واقٍ من الأشعة السينية وأشعة غاما

Abstract

تتناول هذه المذكرة دراسةً نظريةً وحاسوبيةً شاملة لمنظومة زجاج البورات المُطعَّم بأكسيدَي البزموت والساماريوم وفق الصيغة المولية (x)Sm₂O₃–(40–x)Bi₂O₃–60B₂O₃ (حيث x = 0, 1, 2, 3, 4 بالمول المئوي)، بهدف تقييمها بديلاً صديقاً للبيئة لزجاج الرصاص في تطبيقات الحماية الإشعاعية الشفافة. حُسبت الخصائص الفيزيائية (الكثافة والحجم المولي) والميكانيكية (معامل يونج وفق نموذج ماكيشيما-ماكنزي) والبصرية (معامل الانكسار وفجوة الطاقة) باستعمال النماذج النظرية المعتمَدة، فيما استُخرجت بارامترات الحماية الإشعاعية باستعمال برنامج Phy-X/PSD عبر مجالٍ طاقي يمتدّ من 0.015 MeV إلى 15 MeV. أظهرت النتائجُ، مع زيادة نسبة الساماريوم، انخفاضاً منتظماً في الكثافة (من 6.016 إلى 5.959 g/cm³) والحجم المولي، يقابله تصاعدٌ في معامل يونج (من 60.83 إلى 61.88 GPa) واتساعٌ في فجوة الطاقة البصرية. وأكّدت قيمُ العدد الذري الفعّال المرتفعة (تفوق 74 عند 0.1 MeV) كفاءةَ هذه التراكيب في توهين الفوتونات، بينما أظهر مقطعُ إزالة النيوترونات السريعة تحسّناً مع زيادة الساماريوم. وخلصت الدراسة إلى أن منظومة الزجاج المدروسة تُمثّل بديلاً واعداً لزجاج الرصاص، مع قيمةٍ مضافة في تدريع النيوترونات بفضل الساماريوم.

This dissertation presents a comprehensive theoretical and computational study of a bismuth–samarium doped borate glass system with the molar composition (x)Sm₂O₃–(40–x)Bi₂O₃–60B₂O₃ (x = 0, 1, 2, 3, 4 mol%), aiming to evaluate it as an environmentally friendly, lead-free alternative for transparent radiation shielding applications. The physical properties (density and molar volume), mechanical properties (Young's modulus via the Makishima–Mackenzie model), and optical properties (refractive index and optical band gap) were computed using established theoretical models, while the radiation shielding parameters were extracted using the Phy-X/PSD software over the photon-energy range 0.015–15 MeV. With increasing samarium content, the results showed a regular decrease in density (from 6.016 to 5.959 g/cm³) and molar volume, accompanied by an increase in Young's modulus (from 60.83 to 61.88 GPa) and a widening of the optical band gap. The high effective atomic number values (exceeding 74 at 0.1 MeV) confirmed the efficiency of these compositions in photon attenuation, while the fast-neutron removal cross-section improved with samarium addition. The study concludes that the investigated glass system represents a promising lead-free alternative, with added value in neutron shielding owing to samarium