EP1435100B1 - Blei-ersatzmaterial für strahlenschutzzwecke - Google Patents

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EP1435100B1
EP1435100B1 EP03787618A EP03787618A EP1435100B1 EP 1435100 B1 EP1435100 B1 EP 1435100B1 EP 03787618 A EP03787618 A EP 03787618A EP 03787618 A EP03787618 A EP 03787618A EP 1435100 B1 EP1435100 B1 EP 1435100B1
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Mavig GmbH
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals

Definitions

  • the invention relates to a lead replacement material for radiation protection purposes in the energy range of an X-ray tube with a voltage of 60-125 kV.
  • Conventional radiation protection clothing for use in X-ray diagnostics usually contains lead or lead oxide as protective material.
  • the DE 199 55 192 A1 describes a method for producing a radiation protection material from a polymer as matrix material and the powder of a metal of high atomic number.
  • the DE 201 00 267 U1 describes a highly elastic, lightweight, flexible, rubbery radiation protection material wherein additions of chemical elements and their oxides having an atomic number greater than or equal to 50 are added to a specific polymer.
  • the degree of attenuation or the lead equivalent (International Standard IEC 61331-1, Protective devices against diagnostic medical X-radiation) of the respective material shows a partially very pronounced dependence on the beam energy, which is a function of the voltage of the X-ray tube.
  • the known radiation protective clothing made of lead-free material therefore have a more or less strong decrease in absorption below 70 kV and over 110 kV compared to lead. That is, to achieve the same shielding effect as with leaded material, a higher basis weight of protective clothing is required for this range of x-ray voltage.
  • the object of the present invention is to replace lead as a radiation protection material in terms of its shielding properties over an energy range of an X-ray tube with a voltage of 60-125 kV, so over a larger energy range, and over a larger thickness range of nominal lead equivalents and at the same time the largest possible To achieve weight reduction. It should be used only to lead environmentally friendly materials.
  • the object of the invention is achieved by a lead replacement material for radiation protection purposes in the energy range of an X-ray tube with a voltage of 60-125 kV, which is characterized in that the lead substitute material Sn, Bi and optionally W or compounds of these metals and having this composition of Lead Substitute is a function of nominal lead equivalents.
  • Preferred compounds of Sn, Bi and W are their oxides.
  • a lead-free shielding material with the extended field of application can now be achieved by a combination of tin with bismuth and, if appropriate, tungsten, coordinated with the respective nominal lead equivalent.
  • the lead substitute material is characterized by having 10-20 wt% matrix material, 50-75 wt% Sn or Sn compounds, and 20-35 wt% Bi or Bi compounds for nominal lead equivalents up to 0.15 mm and 40-60 wt.% Sn or Sn compounds, 15-30 wt.% Bi or Bi compounds and 0-30 wt.% W or W compounds for nominal -Blei Eisenute of 0.15 to 0.60 mm.
  • the lead substitute material is characterized by having 52-70 wt.% Sn or Sn compounds and 21-32 wt.% Bi or Bi compounds for nominal lead equivalents to 0.15 mm and 42-57 wt.% Sn or Sn compounds, 15-30 wt.% Bi or Bi compounds and 5-27 wt.% W or W compounds for nominal lead equivalents of 0.15-0 , 60 mm.
  • the criterion for the substitution of lead is a 10% deviation of the lead equivalent from the nominal value, as specified in DIN 6813. Therefore, radiation protection clothing made from the replacement material of the invention can be worn without restrictions in all applications of X-ray diagnostics. This represents a significant advantage over all known lead substitutes.
  • the lead substitute material is characterized in that it has a structure of layers of different composition.
  • the lead substitute material may comprise a construction of at least two separate or interconnected layers of different composition, wherein the body-removed layer comprises predominantly Sn and the proximal layer (s) predominantly Bi and optionally W.
  • Table 1 Weight per unit area (kg / m ⁇ sup> 2 ⁇ / sup>) of various radiation protection materials based on the absorption of pure lead under measurement conditions according to IEC 61331-1 as a function of energy.
  • Table 1 shows that the lead substitute material according to the invention with the same protective effect in the range of 60-125 kV has the most advantageous basis weight of all lead-free materials.
  • the measurements carried out further show that the physical properties of the lead-substitute material are dependent both on the energy of the incident radiation and on the thickness of the layer, i. for each layer thickness, the composition of the lead substitute material must be changed to suit the absorption behavior of lead.
  • compositions for common lead equivalents are given with the corresponding measurements according to IEC 61331-1.
  • Nominal lead equivalent (mm) Composition M Matrix Material Basis weight (kg / m 2 ) 60 kV 80 kV 100 kV 125 kV Beam qualities according to IEC 61331-1 measured lead equivalent (mm) 0,025 67% by weight of Sn + 0.25 0.023 0,025 0,025 0.023 22% by weight Bi + 15% by weight of M 0.05 55% by weight of Sn + 0.51 0,045 0,050 0,050 0,045 30% by weight of Bi + 15% by weight of M 0,125 55% by weight of Sn + 1.25 0,120 0,125 0,125 0,120 30% by weight of Bi + 15% by weight of M 0.25 54% by weight of Sn + 2.8 0.24 0.25 0.25 0.23 12% by weight W + 19% by weight Bi + 15% by weight of M 0.35 48% by weight of Sn + 3.9 0.33 0.35 0.36 0.32 20% by weight
  • the equivalent of 0.25 mm lead replacement material consists of 15 wt .-% matrix material, 54 wt .-% Sn, 12 wt .-% W and 19 wt .-% Bi at a basis weight of a total of 2.8 kg / m 2 .
  • the matrix material is the carrier and may for example consist of rubber or latex. Greater deviations from the composition of the invention affect either the approved range of application and / or the weight negatively.
  • the embodiment of the subject matter of claim 5 of the invention can be used to further reduce the radiation exposure of the user.
  • the radiation exposure at 100 kV tube voltage by approx. 15% are reduced if the outer layer consists exclusively of tin and the inner layer of bismuth and optionally tungsten. Taking into account this relationship, the weight of the protective clothing can be further reduced in an advantageous manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Blei-Ersatzmaterial für Strahlenschutzzwecke, wobei das Blei-Ersatzmaterial Sn, Bi und optional W oder Verbindungen dieser Metalle umfasst und die Zusammensetzung des Blei-Ersatzmaterials eine Funktion des Nenn-Bleigleichwertes ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Blei-Ersatzmaterial für Strahlenschutzzwecke im Energiebereich einer Röntgenröhre mit einer Spannung von 60-125 kV.
  • Herkömmliche Strahlenschutzkleidung zur Anwendung in der Röntgendiagnostik enthält meist Blei oder Bleioxid als Schutzmaterial.
  • Eine Substitution dieses Schutzmaterials gegen andere Materialien ist insbesondere aus folgenden Gründen wünschenswert:
  • Zum einen führt Blei und seine Verarbeitung zu einer hohen Umweltbelastung, zum anderen führt Blei aufgrund seines sehr hohen Gewichts notwendigerweise zu einem sehr hohen Gewicht der Schutzkleidung und damit zu einer starken physischen Belastung des Anwenders.
  • Deshalb wird seit Jahren nach einem Ersatzmaterial für Blei beim Strahlenschutz gesucht. Dabei wird vorwiegend der Einsatz von chemischen Elementen oder deren Verbindungen mit der Ordnungszahl von 50 bis 76 vorgeschlagen.
  • Die DE 199 55 192 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsschutzmaterials aus einem Polymer als Matrixmaterial und dem Pulver eines Metalls hoher Ordnungszahl.
  • Die DE 201 00 267 U1 beschreibt ein hochelastisches, leichtes, flexibles, gummiartiges Strahlenschutzmaterial, wobei Zusätze von chemischen Elementen und deren Oxide mit einer Ordnungszahl größer gleich 50 zu einem speziellen Polymer gegeben werden.
  • Zur Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Bleischürzen wird in der EP 0 371 699 A1 ein Material vorgeschlagen, das ebenfalls neben einem Polymer als Matrix Elemente höherer Ordnungszahl aufweist. Dabei wird eine große Anzahl von Metallen genannt.
  • Je nach eingesetzten Elementen zeigt der Schwächungsgrad bzw. der Bleigleichwert (International Standard IEC 61331-1, Protective devices against diagnostic medical X-radiation) des jeweiligen Materials eine teilweise sehr ausgeprägte Abhängigkeit von der Strahlenenergie, die eine Funktion der Spannung der Röntgenröhre ist.
  • Die bekannten Strahlenschutzkleidungen aus bleifreiem Material besitzen deshalb gegenüber Blei einen mehr oder minder starken Abfall der Absorption unterhalb von 70 kV und über 110 kV. Das heißt, zur Erzielung der gleichen Abschirmwirkung, wie bei bleihaltigem Material ist für diesen Bereich der Röntgenspannung ein höheres Flächengewicht der Schutzkleidung erforderlich.
  • Deshalb ist der Anwendungsbereich von handelsüblicher bleifreier Strahlenschutzkleidung in der Regel eingeschränkt.
  • Um Blei für Strahlenschutzzwecke substituieren zu können, ist ein in Bezug auf Blei möglichst gleichartiges Absorptionsverhalten über einen größeren Energiebereich erforderlich, da Strahlenschutzstoffe üblicherweise nach dem Bleigleichwert eingestuft werden und die Strahlenschutzberechnungen häufig auf Bleigleichwerten basieren.
  • Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, Blei als Strahlenschutzmaterial hinsichtlich seiner Abschirmeigenschaften über einen Energiebereich einer Röntgenröhre mit einer Spannung von 60-125 kV, also über einen größeren Energiebereich, und über einen größeren Dickenbereich der Nenn-Bleigleichwerte zu ersetzen und dabei gleichzeitig eine möglichst große Gewichtsreduzierung zu erreichen. Dabei sollen ausschließlich gegenüber Blei umweltfreundlichere Materialien zum Einsatz kommen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Blei-Ersatzmaterial für Strahlenschutzwecke im Energiebereich einer Röntgenröhre mit einer Spannung von 60-125 kV gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Blei-Ersatzmaterial Sn, Bi und optional W oder Verbindungen dieser Metalle aufweist und diese Zusammensetzung des Blei-Ersatzmaterials eine Funktion der Nenn-Bleigleichwerte ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe war deshalb zum einen erforderlich, eine Materialauswahl für optimale Abschirmeigenschaften über einen größeren Energiebereich und andererseits eine Materialauswahl für einen größeren Dickenbereich der Schutzschicht aufzufinden.
  • Bevorzugte Verbindungen von Sn, Bi und W sind deren Oxide.
  • Es stellt eine grundsätzlich neue und überraschende Erkenntnis dar, dass sich die Zusammensetzung von Blei-Ersatzmaterialien in Abhängigkeit von der Dicke des Schutzmaterials zur Erreichung eines optimalen Ergebnisses ändert. Ein bleifreies Abschirmmaterial mit dem erweiterten Anwendungsbereich lässt sich nunmehr durch eine auf den jeweiligen Nenn-Bleigleichwert abgestimmte Kombination von Zinn mit Wismut und ggf. Wolfram erreichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Blei-Ersatzmaterial dadurch gekennzeichnet, dass es 10-20 Gew.-% Matrixmaterial, 50-75 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen und 20-35 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen für Nenn-Bleigleichwerte bis 0,15 mm und 40-60 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen, 15-30 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen und 0-30 Gew.-% W oder W-Verbindungen für Nenn-Bleigleichwerte von 0,15-0,60 mm aufweist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Blei-Ersatzmaterial dadurch gekennzeichnet, dass es 52-70 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen und 21-32 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen für Nenn-Bleigleichwerte bis 0,15 mm und 42-57 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen, 15-30 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen und 5-27 Gew.-% W oder W-Verbindungen für Nenn-Bleigleichwerte von 0,15-0,60 mm aufweist.
  • Durch die abgestimmte Kombination aus Zinn und Wismut und ggf. Wolfram oder Verbindungen dieser Metalle kann nunmehr ein umweltfreundliches Blei-Ersatzmaterial bereitgestellt werden, das wesentlich leichter ist als herkömmliches Blei- bzw. Bleioxidmaterial und dieses im Energiebereich einer Röntgenröhren mit einer Spannung von 60-125 kV substituieren kann. Dieser Energiebereich ist der für die Röntgendiagnostik wesentliche Bereich.
  • Das Kriterium für die Substitution von Blei ist eine 10%-ige Abweichung des Bleigleichwertes vom Nominalwert, wie in DIN 6813 festgelegt ist. Deshalb kann Strahlenschutzkleidung, die aus dem erfindungsgemäßen Ersatzmaterial gefertigt ist, ohne Einschränkungen bei allen Anwendungen der Röntgendiagnostik getragen werden. Dies stellt gegenüber allen bekannten Blei-Ersatzmaterialien einen wesentlichen Vorteil dar.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Blei-Ersatzmaterial dadurch gekennzeichnet, dass es einen Aufbau aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweist.
  • Das Blei-Ersatzmaterial kann einen Aufbau aus mindestens zwei getrennten oder miteinander verbundenen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung umfassen, wobei die vom Körper entferntere Schicht überwiegend Sn und die körpernahe(n) Schicht(en) überwiegend Bi und optional W umfasst.
  • Die Erfindung wird anhand nachfolgender Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert.
  • Grundlage für die Messungen der gewichts- und energiebezogenen Strahlenschutzwirkung waren die Normen IEC 61331-1, wobei insbesondere die Messgeometrie und dort genannten Vorfilterungen für die Röntgenstrahlung zu beachten sind.
  • Die Ergebnisse der Messungen sind in der Tabelle 1 sowie in der Figur 1 zusammengestellt. Tabelle 1: Flächengewicht (kg/m2) verschiedener Strahlenschutzstoffe bezogen auf die Absorption von Reinblei bei Messbedingungen nach IEC 61331-1 in Abhängigkeit von der Energie.
    Schutzmaterial 60 kV 80 kV 100 kV 125 kV 150 kV
    Absorption der Primärstrahlung in % 97,2 89,3 80,8 74,4 69,7
    0,25 mm Reinblei (ohne Matrix) - Bezugswert 2,83 2,83 2,83 2,83 2,83
    Blei mit Matrix 3,59 3,59 3,59 3,59 3,59
    handelsübliches Bleifreimaterial (Optimit R-100A) 3,46 2,88 2,96 3,63 4,41
    handelsübliches Bleifreimaterial (Xenolite®-NL) 3,79 3,09 3,20 4,13 4,51
    erfindungsgemäßes Blei-Ersatzmaterial der Zusammensetzung: 15 Gew.-% Matrix, 54 Gew.-% Sn, 12 Gew.-% W, 19 Gew.-% Bi 2,93 2,83 2,83 3,07 3,53
  • Tabelle 1 zeigt, dass das erfindungsgemäße Blei-Ersatzmaterial bei gleicher Schutzwirkung im Bereich von 60-125 kV das vorteilhafteste Flächengewicht aller bleifreien Materialien aufweist.
  • Eine Strahlenschutzschürze mit dem Nenn-Bleigleichwert 0,25 mm aus dem neuen Material liegt somit rund 21% unter dem Gewicht einer herkömmlichen Schürze mit Blei als Schutzmaterial.
    • Fig. 1 zeigt die relativen Flächengewichte der verschiedenen Schutzmaterialien aus Tabelle 1, bezogen auf die Absorption von Reinblei im Energiebereich 50-150 kV.
    • Fig. 2 zeigt die Bestimmung des Anwendungsbereichs des erfindungsgemäßen Blei-Ersatzmaterials aus Tabelle 1, bezogen auf eine 10%-ige Abweichung des Blei-Gleichwerts bei 80 kV. Die Bestimmung erfolgt gemäß DIN 6813 und ergibt bei dem angegebenen Material einen Anwendungsbereich von mindestens 60-125 kV.
  • Die durchgeführten Messungen zeigen ferner, dass die strahlenphysikalischen Eigenschaften des Blei-Ersatzmaterials sowohl von der Energie der auftreffenden Strahlung als von der Schichtdicke abhängig sind, d.h. für jede Schichtdicke muss die Zusammensetzung des Blei-Ersatzmaterials verändert werden, um es dem Absorptionsverhalten von Blei anzupassen.
  • Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt, wo die Zusammensetzungen für gebräuchliche Bleigleichwerte mit den entsprechenden Messwerten nach IEC 61331-1 angegeben sind.
    Nenn-Blei gleichwert (mm) Zusammensetzung M=
    Matrix-Material    		 Flächengewicht (kg/m2) 60 kV 80 kV 100 kV 125 kV
    Strahlenqualitäten nach IEC 61331-1
    gemessener Bleigleichwert (mm)
    0,025 67 Gew.-% Sn+ 0,25 0,023 0,025 0,025 0,023
    22 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
    0,05 55 Gew.-% Sn+ 0,51 0,045 0,050 0,050 0,045
    30 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
    0,125 55 Gew.-% Sn+ 1,25 0,120 0,125 0,125 0,120
    30 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
    0,25 54 Gew.-% Sn+ 2,8 0,24 0,25 0,25 0,23
    12 Gew.-% W+
    19 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
    0,35 48 Gew.-% Sn+ 3,9 0,33 0,35 0,36 0,32
    20 Gew.-% W +
    17 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
    0,50 44 Gew.-% Sn+ 5,5 0,48 0,50 0,50 0,45
    25 Gew.-% W+
    16 Gew.-% Bi+
    15 Gew.-% M
  • Wie sich beispielsweise aus Tabelle 2 ergibt, besteht das mit 0,25 mm Blei vergleichbare Ersatzmaterial aus 15 Gew.-% Matrixmaterial, 54 Gew.-% Sn, 12 Gew.-% W und 19 Gew.-% Bi bei einem Flächengewicht von insgesamt 2,8 kg/m2. Das Matrixmaterial ist der Trägerstoff und kann beispielsweise aus Gummi oder Latex bestehen. Größere Abweichungen von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung beeinflussen entweder den zugelassenen Anwendungsbereich und/oder das Gewicht negativ.
  • Benötigt man jedoch eine Schutzschicht mit 0,5 mm Bleigleichwert, muss die Zusammensetzung entsprechend Tabelle 2 verändert werden, um das entsprechende Verhalten von Blei über einen Energiebereich von 60 bis 125 kV zu erreichen.
  • Aus strahlenpyhsikalischer Sicht kann durch die Ausführungsform des Gegenstands des Anspruchs 5 der Erfindung eine weitere Reduzierung der Strahlenexposition des Anwenders erfolgen. Beispielsweise kann die Strahlenexposition bei 100 kV Röhrenspannung um rd. 15% reduziert werden, wenn die äußere Schicht ausschließlich aus Zinn und die innere Schicht aus Wismut und optional Wolfram besteht. Unter Beachtung dieses Zusammenhangs läßt sich das Gewicht der Schutzkleidung in vorteilhafter Weise weiter herabsetzen.

Claims (5)

  1. Blei-Ersatzmaterial für Strahlenschutzzwecke im Energiebereich einer Röntgenröhre mit einer Spannung von 60-125 kV, dadurch gekennzeichnet, dass das Blei-Ersatzmaterial Sn, Bi und optional W oder Verbindungen dieser Metalle umfasst und die Zusammensetzung des Blei-Ersatzmaterials eine Funktion des Nenn-Bleigleichwertes ist.
  2. Blei-Ersatzmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es 10-20 Gew.-% Matrixmaterial,
    50-75 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen und
    20-35 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen
    für Nenn-Bleigleichwerte bis 0,15 mm und
    40-60 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen,
    15-30 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen und
    0-30 Gew.-% W oder W-Verbindungen
    für Nenn-Bleigleichwerte von 0,15-0,60 mm umfasst.
  3. Blei-Ersatzmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es 10-20 Gew.-% Matrixmaterial,
    52-70 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen und
    21-32 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen
    für Nenn-Bleigleichwerte bis 0,15 mm und
    42-57 Gew.-% Sn oder Sn-Verbindungen,
    15-30 Gew.-% Bi oder Bi-Verbindungen und
    5-27 Gew.-% W oder W-Verbindungen
    für Nenn-Bleigleichwerte von 0,15-0,60 mm umfasst.
  4. Blei-Ersatzmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Aufbau aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung umfasst.
  5. Blei-Ersatzmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Aufbau aus mindestens zwei getrennten oder miteinander verbundenen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung umfasst, wobei die vom Körper entferntere Schicht überwiegend Sn und die körpernahe(n) Schicht(en) überwiegend Bi und optional W umfasst.
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