CN1706005A - 包括至少两个具有不同屏蔽特性层的无铅辐射防护材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在具有60～125kV电压的X－射线管的能量范围中的无铅辐射防护材料。所述的无铅辐射防护材料具有层状结构，该层状结构包括至少两个具有不同屏蔽特性的层。

Description

包括至少两个具有不同屏蔽特性层的无铅辐射防护材料
技术领域
本发明涉及在具有60～125kV电压的X-射线管的能量范围中的无铅辐射防护材料。
背景技术
在X射线诊断中的常规辐射防护服大多数包含铅或氧化铅作为防护材料。
由于铅的毒性，铅及其处理导致对环境相当大的损害。由于铅非常重，铅的防护服也不一般地重，这意味着对于使用者来说造成相当大的身体疲劳。当穿着防护服时，例如在医疗操作时，防护服的重量在对医务人员的穿着的舒适度和身体疲劳方面是极为重要的。
用于辐射防护的铅替代材料是已知的。
DE 199 55 192 A1描述了用作为基体材料的聚合物和具有高原子序数的金属粉末生产辐射防护材料的方法。
DE 201 00 267 U1描述了一种高弹性的、轻质、柔韧、橡胶状的辐射防护材料，其中将原子序数大于或等于50的化学元素及其氧化物加入到一种特定的聚合物中。
与常规铅围裙相比，为了降低重量，EP 0 371 699 A1提出了一种材料，其中除了作为基体的聚合物外，同样包含高原子序数的元素。其中提及了许多金属。
DE 102 34 159 A1描述了在具有60～125kV电压的X-射线管的能量范围中用于辐射防护目的铅替代材料。
依赖于所使用的元素，所讨论的材料的衰减度或铅当量(国际标准IEC61331-1，防止诊断医学的X-辐射的防护设备)有时显示出对辐射能量的显著的依赖性，所说的辐射能量是X-射线管电压的函数。
与铅相比，无铅材料的吸收行为在一些情况随X-射线能量的不同而相当不同。因此，要求不同元素有利地结合以模仿铅的吸收行为，同时最大程度地减轻重量。
为此原因，通常，商业无铅辐射防护服的应用领域受到了限制。
为能够代替铅用于辐射防护目的，要求与铅相关的吸收行为在相对大的能量范围内尽可能的均匀，这是由于辐射防护材料通常根据铅当量分类，并且辐射防护计算经常基于铅当量。
在由防护层组成的铅替代材料的情况下，总的铅当量理解为所有防护层总和的铅当量。总的标称铅当量理解为由制造商根据DIN EN 61331-3用于个人防护设备所标明的铅当量。
在依赖于管电压进行铅当量和衰减因子的测量中，发现与铅相比，特别在X-射线管电压为60～80kV时，无铅材料的防护效果明显低于80～100kV的能量范围内。
对此情况基本存在两种原因。一方面，无铅材料，如锡的质量衰减系数，在60kV的中等能量下，即在约25keV下，低于铅。另一方面，在此低能量范围中存在相当大的剂量累积效果。换言之，由于在辐射穿出侧形成次级辐射而降低了材料的防护效果。
为达到高防护效果，无铅材料中的剂量累积应当保持尽可能的低。如前所述，在材料中激发次级辐射，在大辐射场中起到减少材料屏蔽效果的作用。在大多数情况下，剂量累积引起激发的荧光辐射。
根据IEC 61331-1中所谓的累积因子，剂量累积以数值表达。
发明内容
本发明的目的是提供无铅辐射防护材料，该材料在具有60～125kV电压的X-射线管的能量范围内显示低的或可忽略量的次级辐射，并因此保证最优的屏蔽效果。
本发明的目的通过根据专利权利要求1的无铅辐射防护材料达到。
本发明涉及在具有60～125kV电压的X-射线管的能量范围内的无铅辐射防护材料，该材料包括至少两个具有不同屏蔽特性层的层状结构。
本发明进一步涉及用根据本发明的无铅辐射防护材料制成的辐射防护服。
根据本发明重要的是，该无铅辐射防护材料包括至少两个具有不同屏蔽特性的层。在此两层结构中，在一层中的防护材料的组成，当仅仅采用这一层时，在屏蔽效果方面并不能达到所需的性能，特别在60～125kV的较大的能量范围内。只有当两层一起使用时才得到最优的屏蔽性能。
根据本发明的无铅辐射防护材料，其包括至少两个具有不同屏蔽性能的层的层状结构，优选由次级辐射层和阻挡层组成。
该次级辐射层将大部分入射的X-射线转化成次级辐射，即荧光辐射。
该阻挡层阻断在次级辐射层中产生的荧光辐射，而其自身仅产生出轻微的次级辐射。
当用根据本发明的无铅辐射防护材料做成防护服时，作为层状结构的次级辐射层和阻挡层显示非常良好的屏蔽性能。将次级辐射层作为远离身体的防护服的层。阻挡层，在防护服中布置为接近身体的层，有效地在身体的方向上阻断次级辐射层中产生的荧光辐射。这保证了防止X-辐射的最优屏蔽效率。
附图说明
附图用于进一步解释本发明。
图1显示各种材料的累积因子。
图2显示根据本发明的无铅辐射防护材料的夹层结构。
具体实施方式
无铅辐射防护材料特别适用于具有60～125kV，优选60～100kV，特别优选60～80kV电压的X-射线管的能量范围。
次级辐射层包括至少一种原子序数为39～60的元素或其化合物。合适的元素的例子是锡、碘、铯、钡、镧、铈、镨、钕及其化合物。特别优选是锡或锡和铯的混合物。
次级辐射层可包括，例如，50～100wt％的锡。在本发明的优选实施方案中，次级辐射层包括50～90wt％的锡和10～50wt％的至少一种原子序数为39～60的另外的元素和/或其化合物。
根据本发明的无铅辐射防护材料的阻挡层包括至少一种原子序数大于71的元素(铅除外)或其化合物。在优选的实施方案中，元素选自铋、钨及其化合物。优选使用铋。已证明阻挡层包括0～30wt％的钨，和/或至少30wt％的铋是有利的。
已经显示当阻挡层进一步包括至少一种原子序数为61～71的元素或其化合物时，它显示出甚至更好的抗次级辐射层的次级辐射效果。在本发明的优选实施方案中，元素选自铒、钬、镝、铽、钆、铕、钐、镥、镱、铥及其化合物组成的组中。特别优选是钆或其化合物。
进一步证明阻挡层进一步包括至少一种选自钽、铪、钍、铀的元素及其化合物是有利的。
进一步包括的元素和/或其化合物在阻挡层中的重量比可以至多为80wt％。进一步包括的元素和/或其化合物的量优选为20～70wt％。
根据本发明的无铅材料的至少两层包括0～12wt％，优选2～10wt％，特别优选4～8wt％的基体材料。
所述基体材料对防护材料形成几乎一个载体层，其中防护材料以粉末形式分散。基体材料的例子是橡胶、胶乳、合成的软质或硬质聚合物和硅树脂材料。
因此令人惊奇地发现，与市售的无铅材料相比，根据本发明的无铅辐射防护材料中的剂量累积或次级辐射的产率是相当低的。这是由于本发明的无铅辐射防护材料分成了具有低次级辐射的层和具有高次级辐射的层。在此方面参考图1。在图1中，YM表示根据本发明的无铅材料的曲线；曲线A和B是基于市售的无铅材料，表示其粉末混合物不具有有层状结构。容易看出YM曲线非常接近于Pb曲线，这意味着根据本发明的无铅辐射防护材料具有与铅材料相似的良好的屏蔽性能。
根据本发明的无铅辐射防护材料的次级辐射层和/或阻挡层，可优选包括至少一个纯材料层。“纯材料层”表示除基体材料以外，在各种情况下仅包括一种上述元素及其化合物，即一种防护物质。在优选的实施方案中，这些纯材料层包括小于5wt％的基体材料。
进一步令人惊奇地发现，与将多种材料混合为一种材料，例如以粉末的形式混合相比，一种防护物质或多种防护物质的结合物以分别的纯-材料层提供时具有相当好的防护效果，即屏蔽效果。
实践中发现，当极大地压缩纯材料层时，即当在屏蔽材料的颗粒之间存在尽可能少的间隙时，纯材料层提供特别良好的屏蔽效果，因此提供具有尽可能高密度的层。层的压缩受到如下的影响，例如合适的粒度分布和/或已知工艺的机械压缩。
在优选的实施方案中，将纯材料层压缩到大于75vol％。纯材料层压缩到大于90vol％是特别优选的。
在根据本发明的无铅辐射防护材料的优选实施方案中，次级辐射层和/或阻挡层包括至少一个纯材料层。该次级辐射层的形式是它包括多个原子序数为39～60的元素或其化合物。也可以提供包括这些元素和/或其化合物的多个纯材料层。
在根据本发明的无铅辐射防护材料的进一步优选的实施方案中，阻挡层包括原子序数大于71的元素和/或其化合物的一个或多个纯材料层。阻挡层也可以进一步包括原子序数为61～71的元素或其化合物的一个或多个纯材料层。
原子序数为61～71的元素和/或其化合物也可以以所谓中间层的形式作为单独的层存在，该中间层布置在次级辐射层和阻挡层之间。
在一些实践情况中显示，当高度压缩的纯材料层以金属箔的形式，例如以箔条或箔片的形式存在时，获得最好的屏蔽效果。
金属箔的厚度一般为0.005～0.25mm。
金属箔通常设置为一个在另一个之上，而不结合在一起。然而，如果出于实际用途或技术的原因需要在金属箔之间产生结合，则可以根据常规工艺进行这样的结合。
如下内容显示，与已知的无铅辐射防护材料相比，根据本发明的无铅辐射防护材料在屏蔽效果方面，特别在60kV下，显示非常良好的结果。
按如下组分生产如下材料并测试：
组分：40wt％锡，10wt％氧化铈，20wt％氧化钆，20wt％铋，10wt％钨。
辐射防护材料生产如下：
材料1：在聚合物基体中将以上组分以粉末形式均匀混合；
材料2：在纯材料层中，以粉末形式，将单个组分成层；
材料3：以上组分单独在纯材料箔中的成层。
在所有的情况下单位面积的重量是4.7kg/m2。
在X-射线管的窄束簇中，获得如下表1的衰减因子：
  管电压(kV)   材料1   材料2   材料3
  60   348   497   746
  125   9.85   11.27   11.89
                                        表1
从衰减因子的数值可以看出，根据本发明的无铅辐射防护材料布置为多层结构时(材料2和材料3)，比材料1的粉末混合物显示出更好的屏蔽效果。特别地，在60kV下发现非常良好的屏蔽效果。
重要的是，以各层的次级辐射依次增加的排布方式使辐射防护材料中的纯材料层成层。因此，当该材料加工成辐射防护服时，将具有最高次级辐射产率的层布置在远离身体的一侧，而具有最低次级辐射的层布置在接近身体的一侧。
在进一步优选的实施方案中，在所谓的夹层结构中根据本发明的无铅辐射防护材料的次级辐射层和阻挡层各具有至少一个纯材料层。夹层结构理解为，其中在纯材料层之间提供另外的层结构。在特别的实施方案中，在各种情况下，至少一个纯材料层在一个侧面上具有载体层。或者，至少一个纯材料层可在两个侧面上具有载体层。该载体层优选由聚合物形成。该聚合物可以是也用作基体材料的聚合物。聚合物通常是胶乳或弹性体聚合物。
证明在实践中根据本发明的无铅辐射防护材料的层状结构中一个或多个载体层的厚度为0.01～0.4mm。
如果需要，载体层也可包括少量如上所述的防护物质。然而，它们通常不含有防护物质。
在纯材料层的一个侧面或两个侧面的载体层致力于增加“内部”的机械稳定性，高度压缩的材料层，不管它是次级辐射层还是阻挡层，同时单个防护层的辐射屏蔽效果得到了增强。
图2显示根据本发明的无铅辐射防护材料的夹层结构。防护物质2的高度压缩层在两侧被载体层1围绕，该载体层1增加了该结构的机械稳定性。
也可以通过在每个具有高次级辐射的层的两侧提供具有低次级辐射的层，形成另一种夹层结构。以此方式，对于具有高次级辐射的层，具有低次级辐射的阻挡层的阻挡层效果可对直接阻隔效果的提供，即在两侧，做出贡献。
一般情况下，在单个层中的辐射防护材料的形式为粒度为2～75μm的金属粉末。重要的是在间隙中应当存在尽可能少的基体材料。
发现在具有偶数层的层系统中，质量加载量(单位面积的重量)是1∶1。例如，对于标称0.5mm(Pb)的铅当量，在两个层的情况下获得每个层2.6kg/m2的单位面积重量，另外，两层中的每一层还可再分为两层。
在具有奇数的层状结构中，证明按照2∶1(次级辐射层∶阻挡层)的单位面积的重量分配是有利的。
在本发明的优选实施方案中，在三个层的层结构情况下单位面积的重量的分配是1∶1∶1。这种分配方式特别有利于包括次级辐射层∶中间层∶屏蔽层的层结构的情况。中间层主要包括至少一种原子序数为61～71的元素或它们的化合物。
根据本发明的无铅辐射防护材料适用于生产辐射防护服，例如，辐射防护裙。
此外，根据本发明的材料可有利地用于，例如防护手套、患者覆盖物、性腺防护、卵巢防护、防护性牙齿屏蔽层、固定的下体防护、桌子的附件、固定的或可移动的辐射防护墙或辐射防护帘。
以下通过实施例更详细解释本发明。
实施例1
生产包括如下层的根据本发明的无铅辐射防护材料：相应于次级辐射层的层(A)，和相应于屏蔽层的层(B)。层(A)包括54wt％锡、36wt％铈和10wt％基体材料。层(B)包括36wt％钆、36wt％铋、18wt％钨和10％基体。
实施例2
生产根据本发明的无铅辐射防护材料。层(A)包括90wt％锡和10wt％基体材料。层(B)包括54wt％钆、36wt％铋和10％基体材料。
实施例3
生产根据本发明的无铅辐射防护材料包括实施例1的层(A)和实施例2的层(B)。
实施例4
生产根据本发明的无铅辐射防护材料包括实施例2的层(A)和实施例1的层(B)。
在下表2中显示对于60、80、100和120kV的管电压，在实施例1～4中生产的辐射防护材料的铅当量(LE)的测量结果。在各个情况下防护物质单位面积的重量是4.7kg/m2。
  管电压(kV)   实施例1mm LE   实施例2mm LE   实施例3mm LE   实施例4mm LE
  60   0.51   0.57   0.58   0.55
  80   0.62   0.68   0.71   0.66
  100   0.60   0.65   0.66   0.63
  125   0.49   0.51   0.53   0.50
                                               表2

Claims (35)

1、在具有60～125kV电压的X-射线管的能量范围中的无铅辐射防护材料，具有层状结构，该层状结构包括至少两个具有不同屏蔽性能的层。
2、根据权利要求1的无铅辐射防护材料，其特征在于
该层状结构包括次级辐射层和阻挡层。
3、根据权利要求2的无铅辐射防护材料，其特征在于
该次级辐射层包括至少一种原子序数为39～60的元素或其化合物。
4、根据权利要求3的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述元素选自锡、碘、铯、钡、镧、铈、镨、钕及它们的化合物。
5、根据权利要求4的无铅辐射防护材料，其特征在于
该次级辐射层包括50～100wt％的锡。
6、根据权利要求5的无铅辐射防护材料，其特征在于
该次级辐射层包括50～90wt％的锡和10～50wt％的至少一种原子序数为39～60的另外的元素和/或其化合物。
7、根据权利要求6的无铅辐射防护材料，其特征在于
该次级辐射层包括锡，和铈或其化合物。
8、根据权利要求1～7任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该阻挡层包括至少一种原子序数大于71的元素或其化合物。
9、根据权利要求8的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述元素选自铋、钨及它们的化合物。
10、根据权利要求9的无铅辐射防护材料，其特征在于
该阻挡层进一步包括至少一种原子序数为61～71的元素或其化合物。
11、根据权利要求10的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述元素选自由铒、钬、镝、铽、钆、铕、钐、镥、镱和铥及它们的化合物所组成的组中。
12、根据权利要求11的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述元素是钆。
13、根据权利要求10～12任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
至少一种原子序数为61～71的元素或其化合物以中间层的形式存在，该中间层布置在次级辐射层和阻挡层之间。
14、根据权利要求8～13任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该阻挡层进一步包括至少一种选自钽、铪、钍、铀的元素及它们的化合物所组成的组中。
15、根据权利要求8～14任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该阻挡层包括所述另外的元素和/或其化合物的量至多为80wt％。
16、根据权利要求15的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述的量是20～70wt％。
17、根据权利要求8～16任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该阻挡层包括0～30wt％的钨或其化合物，和/或至少为30wt％的铋或其化合物。
18、根据权利要求1～17任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述的至少两个层包括0～12wt％的基体材料。
19、根据权利要求1～18任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该次级辐射层和/或该中间层和/或该阻挡层包括至少一个纯材料层。
20、根据权利要求19的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述纯材料层被极大地压缩。
21、根据权利要求20的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述纯材料层被压缩到大于75vol％。
22、根据权利要求21的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述纯材料层压缩到大于90vol％。
23、根据权利要求22的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述被极大压缩的纯材料层为金属箔的形式。
24、根据权利要求23的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述金属箔的厚度为0.005～0.25mm。
25、根据权利要求24的无铅辐射防护材料，其特征在于
所述金属箔是箔条或箔片。
26、根据权利要求19～25任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
至少一个所述的纯材料层在一个侧面上具有载体层。
27、根据权利要求19～25任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
至少一个所述的纯材料层在两个侧面上具有载体层。
28、根据权利要求26或27的无铅辐射防护材料，其特征在于
该载体层由聚合物形成。
29、根据权利要求28的无铅辐射防护材料，其特征在于
该聚合物是胶乳或弹性体聚合物。
30、根据权利要求28或29的无铅辐射防护材料，其特征在于
该载体层的厚度为0.01～0.4mm。
31、根据权利要求26～30任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
该载体层包括少量防护性物质。
32、根据权利要求19～31任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
防护箔的多个所述的纯材料层是这样构成的，其中所述的多个层按照增加的次级辐射进行布置。
33、根据权利要求19～32任意一项的无铅辐射防护材料，其特征在于
具有高次级辐射的每个层在两个侧面上有具有低次级辐射的层。
34、根据权利要求1～33中任意一项的无铅辐射防护材料制的辐射防护衣服。
35、根据权利要求34的辐射防护衣服，其形式为围裙。
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