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Die Erfindung betrifft ein Material
zur Schwächung
der Strahlen einer Röntgenröhre, insbesondere
für eine
Folie für
Strahlenschutzbekleidungen.
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Röntgenstrahlung
werden in vielen Bereichen zur Untersuchung benutzt, wobei – je nach
Anwendungsfall – unterschiedliche
Strahlungshärten
benutzt werden. In der Medizin werden im Bereich der Diagnostik
Röntgenspannungen
von 60 bis 125 kV, im Therapiebereich von 50 kV bis über 150
kV eingesetzt. Energiereiche Strahlen geben beim Durchgang durch
Materie ihre Energie ganz oder teilweise an die durchstrahlte Materie
ab und erfahren dabei selbst eine Schwächung. Das Durchdringungsverhalten
von Röntgenstrahlen ist
abhängig
von der verwendeten Beschleunigungsspannung: daher ist es üblich, das
Durchdringungsvermögen
oder die Härte
der Röntgenstrahlung
durch die Angabe der zu ihrer Erzeugung verwendeten Beschleunigungsspannung
zu kennzeichnen.
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Die Röntgenstrahlen sind nicht einheitlicher
Art, sondern sie bestehen aus zwei in Bezug auf Entstehung und Zusammensetzung
sehr verschiedenen Bestandteilen: Der Bremsstrahlung und der charakteristischen
Eigenstrahlung. Die Bremsstrahlung wird beim plötzlichen Abbremsen der Elektronen
beim Auftreffen auf die Materie ausgesendet; ihre Energie entstammt
der Geschwindigkeit der auf die Anode der Röntgenröhre treffenden Elektronen,
die von der an die Röntgenröhre anliegenden
Beschleunigungsspannung abhängen. Diese
gibt die maximale kinetischen Energie vor, so dass die Geschwindigkeiten
der Elektronen eine gewisse Verteilung mit einer der Beschleunigungsspannung
entsprechenden Obergrenze aufweisen. Demzufolge ist das Strahlungs-Spektrum
breitbandig mit einer der höchsten
Energie entsprechenden Wellenlänge
als kurzwellige Grenze. Die charakteristische Eigenstrahlung entstammt
der Elektronenhülle
der Materie des Anodenmaterials; sie besteht aus einzelnen scharf
begrenzten Wellenlängen
und hängt
von den Atomen des Anodenmaterials der Röntgenröhre ab. Jede Röntgenröhre hat
somit sein eigenes Röntgenlinienspektrum.
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Diese energiereiche Strahlung ist
gesundheitsschädlich
und Personen, die von Berufs wegen der Strahlung ständig ausgesetzt
sind, bedürfen
eines Strahlenschutzes, mit dem solche Strahlungen mittels eines Absorbers
geschwächt
werden. In einem Absorber spielen sich zwischen einer energiereichen
Röntgenstrahlung
und dem Absorptionsmaterial unterschiedliche und verwickelte Wechselwirkungen
ab. An denen drei Prozesse beteiligt sind: Der Photoeffekt, die
Comptonstreuung und die Paarbildung. Bei der Auswahl der Absorptionsmaterialien
ist der Gesamtschwächungsgrad
von Interesse. Absorptionsmaterialien müssen dem genannten Misch-Spektrum
die beste Wirkung entgegenbringen.
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Diese Strahlenschutzbekleidung enthält entsprechende
Materialien zur Schwächung
der Strahlen einer Röntgenröhre und
wird in Form von Folien hergestellt, wobei diese Folien aus einem
Elastomer, insbesondere einem thermoplastischen Elastomer gebildet
sind, in das schwere Elemente (Ordnungszahlen größer 50) elementar oder als
Verbindungen eingemischt sind. In dem in medizinischer Diagnostik
benutzten Röntgenspannungsbereich
erzielt Blei die höchsten
Absorptionswerte. Daher werden in bekannten Materialien für Strahlenschutzbekleidung
vorrangig Blei- oder Bleioxid, eingebettet in elastomere Materialien,
als Absorptionsmaterial eingesetzt. Im medizinischen Bereich wird
für die Röntgenschürze neben
dem Bleigleichwert nach IEC 61331-1 auch der Schwächungsgrad
nach IEC 1331-1 als Maß für den auf
die von der Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre abhängenden Strahlenenergie bezogenen
Absorptionsgrad herangezogen. Bezogen auf das Flächengewicht haben die Bleiersatzmaterialien
im mittleren Röntgenstrahlenbereich
gegenüber
Blei ein geringeres Gewicht. Im Bereich von Beschleunigungsspannungen
unter 70 kV und über
125 kV ist das Flächengewicht
der Bleiersatzmaterialien ungünstiger.
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Wegen der mit dem Schwermetall Blei
verbundenen Gesundheitsgefahren kommen auch bleifreie Materialien
zur Absorption der Röntgenstrahlung
zum Einsatz. Hier werden insbesondere in elastomere Materialien
eingebettete Elemente mit Ordnungszahlen größer 50 oder homogene Mischungen
daraus, auch ein Gemisch bestehend aus Blei und bleifreien Materialien,
zur Anwendung. Allerdings weisen die bisher bekannten Bleiersatzmaterialien,
egal in welcher Kombinationen und Schichtung, bezogen auf gleiche
Dicke der Strahlenschutzfolie gegenüber Blei, immer einen schlechteren
Absorptionswert auf.
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Kombinierte bzw. geschichtete Bleiersatzmaterialien
können
undefinierte Absorptionslücken
besitzen. Jedes reine Material einer Ordnungszahl besitzt ein eigenes,
von den Absorptionsbanden der Atome abhängendes Absorptionsspektrum.
Um über
den Wellenlänge-Bereich
der Röntgenstrahlung
hinreichende Absorption und somit Schwächung der Strahlung zu erhalten,
sind Materialkombinationen bekannt. Solche Kombination verschiedener
Materialien ergeben nicht die Summe dieser Werte. Es bedarf für eine Materialkombination und
Dicke der Folie jeweils die Ausmessung des Absorptionsgrades über den
gewünschten
Bereich der Beschleunigungsspannung. Der Vergleich der Bleiersatzmaterialien
kann über
den Absorptionsgrad ermittelt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabenstallung
zugrunde, ein Absorptionsmaterial für Strahlenschutzfolien insbesondere
für Strahlenschutzkleidung
mit Erhöhung
des Schwächungsgrades
(Bleigleichwert) bei gleichzeitiger Reduzierung des Flächengewichtes
bereit zu stellen, das eine gleichmäßige und gute Strahlenabsorption
für Röntgenstrahlung
in einem erweiterten Bereich der Beschleunigungsspannung von Röntgenröhren von 50
kV bis 150 kV aufweist.
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Diese Aufgabenstellung wird nach
der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs
gelöst:
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen beschreiben die
Unteransprüche.
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Die Erhöhung des Schwächungsgrades
(Bleigleichwert) bei gleichzeitiger Reduzierung des Flächengewichtes
wird durch eine Kombination und Staffelung verschiedener Materialien
bei Einwirkung von Röntgenstrahlung,
insbesondere für
Strahlenschutzkleidung erreicht. Jedes reine Material einer bestimmten
Ordnungszahl besitzt ein eigenes Absorptionsspektrum (Figur Nr.
1). Die Kombination verschiedener Materialien ergeben nicht die
Summe dieser Werte. Es bedarf für
eine Materialkombination und der Dicke der verwendeten Folie jeweils
die Prüfung
des Absorptionsgrades über
den geforderten Spannungsbereich. Wenn der Röntgenstrahlung ein weiches
Absorptionsmaterial entgegengesetzt wird, werden niederenergetische
Strahlen absorbiert, die Strahlung erfährt jedoch wegen des verbleibenden
hochenergetischen Strahlungsanteils eine Aufhärtung. Diese so aufgehärteten hochenergetischen
Strahlen lassen sich am sichersten durch Blei oder Bleioxid absorbieren.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Folie besteht aus einer gestaffelten Kombination verschiedener Absorptionsmaterialien.
Zur Strahlungsquelle hin ist wegen der Aufhärtung der Röntgenstrahlung durch die Absorption
des weichen Anteils zunächst
ein bleifreies oder bleiarmes Material vorgesehen, enthalten die Elastomere
als "weiche" Absorber" Elemente der Ordnungszahl
größer etwa
50 bis etwa 70 oder deren Verbindungen. Dies sind beispielsweise:
35Br Brom, 38Sr Strontium, 40Zr Zirkon, 42Mo
Molybdän, 45Rh Rhodium, 47AG
Silber, 48Cd Cadmium, 49In
Indium, 50Sn Zinn, 51Sb
Antimon, 53J Iod, 55Cs
Caesium, 56Ba Barium, leichte 57-71Lanthanoiden
(mit 58Ce Cer). In der körpernahen Schicht ist dann
aufgehärtete
Strahlung zu absorbieren. Dazu sind den Elastomeren als "harte" Absorber Elemente
der Ordnungszahlen größer als
etwa 70 oder deren Verbindungen zugesetzt, beispielsweise die schwereren
der 57-71Lanthanoiden, 7
4W Wolfram, 75Re
Rhenium, 60Os Osminium, 77Ir
Iridium, 78Pt Platin, 7
9Au Gold, 80Hg Quecksilber, 82Pb Blei, 83Bi Wismut, 84Po Pollonium, 90Th
Thorium, 92U Uran, sowie 89-103Actinoiden.
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Zur Absorption der verbleibenden
aufgehärteten
Röntgenstrahlen
kommen auf der körpernahen,
der Strahlungsquelle abgewandten Seite Folien zum Einsatz, die als
die Röntgenstrahlung
schwächende
Elemente Blei enthalten, elementar als Bleioxid oder als andere
Bleiverbindungen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende
Folie besteht aus einer Staffelung verschiedener Absorptionsmaterialien.
Hierbei ist wichtig, dass zur Strahlenquelle hin zunächst "weiche" Absorptionsmaterialien
oder deren Gemische zum Einsatz kommen – beispielsweise Zinn, Antimon,
Gadoliniumoxidsulfid, Calzium-Wolframat, Wismutoxid, Bariumsulfat,
Strontiumcarbonat. Die Absorption des verbleibenden Anteils "harter" Röntgenstrahlung
wird dann von "harten" Absorptionsmaterialien
oder deren Gemische übernommen,
beispielsweise von Blei, Bleioxid, Wolfram oder anderen Gemischen.
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Bei der Kombination der verschiedenen
Absorptionsmaterialien hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass der folgende Folienaufbau einen guten Röntgenstrahlenabsorptionswert
(Schwächungsgrad) über den
erweiterten Härtebereich
der Röntgenstrahlung
entsprechend von 50 bis 150 kV besitzt. Auch weisen diese Folien
die für
Strahlenschutzzwecke z.B. die Verwendung in Schürzen, Abdeckfolien etc. notwendige Flexibilität auf, so
dass sie dafür
gut geeignet sind. Neben der hohen Flexibilität ist auch eine merkliche Reduzierung
des Flächengewichtes
festzustellen, was den Tragekomfort erhöht – beides ist für den Einsatz
als Strahlenschutzmaterial, insbesondere für Strahlenschutzschürzen und
Strahlenabdeckfolien, besonders wichtig. Hinzu kommt, dass diese
Ausführungen
im Vergleich zu Bleiersatzmaterialien wie Wismut und Wolfram die wirtschaftliche
Lösung
darstellen.
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In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat sich der in der Tabelle 2 beschriebene folgende Aufbau
mit in der Tabelle 1 aufgeführten
Folien/Kaschierschichten bewährt,
wobei die Zusammensetzung für den
Energiebereich 50 kV bis 150 kV ausgelegt ist: Tabelle
1:
Folie
R1: | |
Zinn: | 79,7 – Gew. % |
Bariumsulfat: | 8,0 – Gew. |
Strontiumcarbonat: | 0,3 – Gew. % |
Polymer: | 12,0 – Gew. % |
Folie
R2: | |
Blei: | 8,0 – Gew. % |
Bleioxid: | 33,0 – Gew. % |
Antimon: | 13,0 – Gew. % |
Zinn: | 33,0 – Gew. % |
Polymer: | 13,0 – Gew. % |
Folie
R3: | |
Blei: | 25,0 – Gew. % |
Bleioxid: | 62,0 – Gew. % |
Polymer: | 13,0 – Gew. % |
Kaschierschicht
S1: | |
Zinn: | 80,0 – Gew. % |
Polymer,
flüssig: | 20,0 – Gew. % |
Kaschierschicht
S2: | |
Blei: | 25,0 – Gew. % |
Bleioxid: | 62,0 – Gew. % |
Polymer,
flüssig: | 13,0 – Gew. % |
Kaschier-Schicht
S3: | |
Blei: | 8,0 – Gew. % |
Bleioxid: | 33,0 – Gew. % |
Antimon: | 13,0 – Gew. % |
Zinn: | 13,0 – Gew. % |
Polymer,
flüssig: | 13,0 – Gew. % |
Kaschier-Schicht
S4: | |
Zinn: | 79,7 – Gew. % |
Bariumsulfat: | 8,0 – Gew. % |
Strontiumcarbonat: | 0,3 – Gew. % |
Polymer,
Flüssig: | 12,0 – Gew. % |
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Aus diesen Folien/Kaschierschichten
wurden die in der Tabelle 2 aufgeführten Kombinationen näher untersucht:
Flächengewicht
aller Aufbauten (Folien/Kaschierungen): 5500 9/m2;
Prüf-Röntgenröhrenspannung
konstant 96 kV;
Strahlungs-Filter: 3,5 mm Al gefiltert.
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Filmempfindlichkeit zur Pb-Gleichwert
-Bestimmung: T8. Tabelle
2
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Diese Kombination der Folien bzw.
der Kaschierungen zeigt überraschenderweise
höhere
Absorptionswerte. Wie aus der Tabelle 2 zu erkennen, liegen die
Blei-Gleichwerte der Kombinationen deutlich über denen, die für verdoppelte
Einzel-Folien gemessen wurden. Bei wei teren Prüfungen mit unterschiedlichen
Röhrenspannungen
zeigten die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
die deutliche Überlegenheit.
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Das Wesen der Erfindung ist in den
Figuren schematisiert dargestellt; dabei zeigen:
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1:
Schwächungsmaterial
mit Doppelfolie und einer Luftschicht dazwischen (entspr. Beispiel
A);
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2:
Schwächungsmaterial
mit Doppel-Kaschierung auf Trägerfolie
(entspr. Beispiel D);
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3:
Schwächungsmaterial
mit Doppel-Kaschierung nach 2 und
nachgeschalteter Dritt-Folie und einer Luftschicht dazwischen;
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4:
Schwächungsmaterial
nach 3, jedoch umgekehrter
Aufbau.
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In den (durch den Strahlungskegel
angedeuteten) Strahlengang zwischen der Röntgenröhre "X" und der
zu schützenden
Person "P" ist das Strahlenschutzmaterial 1 geschaltet,
das als Schürze,
Schurz, Vorhang oder dergleichen ausgebildet ist, und mit dem die
direkte oder auch die indirekte Röntgenstrahlung soweit abgeschwächt wird,
dass die zu schützende
Person ihre Tätigkeit
ohne größere Gefahr
einer Strahlenschädigung nachgehen
kann. Dazu sind die Folien 2 und 3 als Strahlenschutzmaterial 1 hintereinander
geschaltet, die in ihrer Kombination die Röntgenstrahlung schwächen.
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Die 2 zeigt
das Strahlenschutzmaterial 1 in einer anderen Anordnung,
bei der eine auf eine Trägerfolie 5 aufgebrachte
Kaschierfolie 6 sowie eine nachgeschaltete, ebenfalls auf
die Trägerfolie 5 aufgebrachte
Kaschierfolie 7 hintereinander geschaltet sind, dabei versteht
es sich von selbst, dass als Trägerfolien
auch Strahlenschutzfolien (beispielsweise die Folien R1, R2 oder
R3) eingesetzt werden können.
Die Kaschierfolien sind dabei mit ihrem flüssigen Polymer in einer Schicht
entsprechender Dicke aufgebracht, beispielsweise mit einer Rakel,
und anschließend
durchgehärtet.
Als Grundlage für
das flüssige
Polymer dienen Lacke auf der Basis von Acrylaten, Epoxidharzen,
Polytetrafluorethylen oder dergleichen.
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Die 3 und 4 zeigen eine Weiterbildung
des in der 2 gezeigten
Aufbaus eines Strahlenschutzmaterial 1, wobei diesem Aufbau
jedoch unter Zwischenfügung
einer Luftschicht 4 die Folie 1 vorgeschaltet (3) oder die Folie 2,
ebenfalls unter Zwischenschaltung einer Luftschicht 4,
nachgeschaltet ist. Das in der 3 dargestellte
Strahlenschutzmaterial 1 besteht aus der strahleneintrittsseitigen
Folie 4, auf die der Strahlungsquelle zugewandt eine dritte
Folie 5 aufkaschiert ist, wobei es sich von selbst versteht,
dass bei entsprechender Wahl der Absorptionsmaterialien die aufkaschierte
Folie auf der der Strahlenquelle abgewandten Seite der strahleneintrittsseitigen
Folie angeordnet sein kann. Dieser Doppel-Folie ist im Abstand einer
Luftschicht 4 die zweite Folie 3 nachgeschaltet.
Bei dem in 4 dargestellten
Strahlenschutzmaterial 1 ist strahleneintrittsseitig die
Folie 2 vorgesehen, der im Abstand der Luftschicht 4 die
zweite Folie 5 nachgeschaltet ist. Auf die der zu schützenden
Person zugewandten Seite dieser strahlungsaustrittsseitigen Folie 5 ist
hier die dritte Folie 8 aufkaschiert, wobei es sich hier
ebenfalls von selbst versteht, dass bei entsprechender Wahl der
Absorptionsmaterialien es auch auf der der zu schützenden
Person abgewandten Seite vorgesehen sein kann. Die hier eingesetzten
Luftschichten können
beispielsweise durch zwischengefügte
Luftblasen-Polsterfolien
gebildet werden.
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Zur Herstellung von Strahlenschutz-Vorhängen, Strahlenschutz-Umhängen – Schurze
o.dgl werden diese Folien, ob ohne oder mit aufkaschierter Folie
randseitig verbunden (nicht näher
dargestellt), wobei dieses Verbinden durch Verschweißen oder
Vernähen
erfolgt. Es versteht sich dabei von selbst, dass dabei Kederstreifen
oder Einfassbänder
vorgesehen werden können,
wobei dies auch eine Farb-Kennzeichnung der Strahlungsschwächung ermöglicht.