JP4936890B2 - それぞれ異なるシールド特性を有する少なくとも２つの層を備えた無鉛放射線防護材料および該無鉛放射線防護材料から製造された放射線防護服 - Google Patents

Description

本発明は、６０から１２５ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲での無鉛放射線防護材料に関する。

Ｘ線診断の際に慣用の放射線防護服は多くの場合、防護材料として鉛または酸化鉛を含有する。

その毒性により、鉛およびその処理は、環境に対して無視できないダメージをもたらす。鉛の非常に高い重量により、鉛の防護服は尋常でないほど重く、このことは、使用者への身体的にかなり重い負担を意味している。例えば、医学的操作の間に防護服を着る場合には、医療スタッフが感ずる着心地の良さおよび身体的負担に関して、その重さは、かなり重要である。

放射線防護で使用するための鉛代替材料は、既に知られている。

ドイツ特許第１９９５５１９２Ａ１号明細書は、マトリックス材料としてのポリマーおよび原子番号の高い金属の粉末から放射線防護材料を製造するプロセスを記載している。

ドイツ特許第２０１００２６７Ｕ１号明細書は、高弾性、軽量、柔軟でゴム様の放射線防護材料を記載しており、この際、５０以上の原子番号を有する化学元素およびその酸化物が、特殊なポリマーに加えられている。

慣用の鉛製エプロンに比較して重量を減らすために、欧州特許第０３７１６９９Ａ１号明細書は、マトリックスとしてのポリマーに加えて、比較的高い原子番号を有する元素を同様に含有する材料を提案している。多数の金属が、ここでは挙げられている。

ドイツ特許第１０２３４１５９Ａ１号明細書は、６０から１２５ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲での放射線防護目的のために、鉛代替材料を記載している。

使用される元素に応じて、該当する材料の減衰度または鉛当量（国際標準ＩＥＣ６１３３１−１、診断医療用Ｘ線に対する防護装置）は場合によって、Ｘ線管の電圧の関数である放射線エネルギーに対して著しい依存性を示す。

鉛に比較して、無鉛材料の吸収特性は場合によって、Ｘ線エネルギーに応じてかなり異なる。このため、様々な元素を有利に組み合わせて、鉛の吸収特性に似せると同時に、重量に関する節減を最大化することが必要である。

このため、市販の無鉛放射線防護服の適用範囲は通常、限られている。

放射線防護のために鉛を置き代えることができるようにするためには、比較的広いエネルギー範囲にわたって可能な限り均一である吸収特性が、鉛に対して必要である。それというのも、放射線防護材料は慣用的に、鉛当量にしたがって分類され、放射線防護計算は往々にして、鉛当量をベースとしているためである。

複数の防護層からなる鉛代替材料の場合には、全鉛当量は、全防護層の合計鉛当量であ
ると理解される。全公称鉛当量は、個人防護装置に関するＤＩＮ ＥＮ６１３３１−３に従い製造者により示される鉛当量であると理解される。

管電圧に依存している鉛当量および減衰率の測定によって、特に６０から８０ｋＶのＸ線管電圧での無鉛材料の防護効果は、鉛と比較すると、８０から１００ｋＶのエネルギー範囲での防護効果よりもかなり低いことが判明している。

これには、主に２つの理由がある。一方では、６０ｋＶスペクトルの中間エネルギー、即ち、約２５ｋｅＶでの、スズなどの無鉛材料の質量減衰係数は、鉛の質量減衰係数よりも低い。他方で、この低いエネルギー幅では、特に大きな線量ビルドアップ作用が存在する。言い換えると、材料の防護効果は、二次放射線の形成により放射線出口側で低減される。

高い防護効果を達成するためには、無鉛材料中での線量ビルドアップを、可能な限り低く抑えるべきである。すでに述べたように、二次放射線は、材料中で励起し、広い放射線領域で、材料のシールド効果を低下させる作用を有する。大抵の場合、励起された蛍光放射線は、線量ビルドアップをもたらす。

線量ビルドアップは、ＩＥＣ６１３３１−１に従い、いわゆるビルドアップ係数によって数値的に表現される。

本発明の課題は、６０から１２５ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲にわたって低いか、無視できるだけの量の二次放射線を示し、したがって、最適なシールド効果を保証する無鉛放射線防護材料を提供することである。

本発明の課題は、特許請求項１に記載の無鉛放射線防護材料により達成される。

本発明は、６０から１２５ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲での無鉛放射線防護材料に関し、これは、それぞれ異なるシールド特性を有する少なくとも２つの層からなる層構造を有する。

さらに本発明は、本発明による無鉛放射線防護材料から製造された放射線防護服に関する。

無鉛放射線防護材料が、それぞれ異なるシールド特性を有する少なくとも２つの層を備えることが、本発明では重要である。この２層構造では、一方の層での防護材料の組成は、一方の層だけでは、特に、６０から１２５ｋＶの比較的広いエネルギー範囲にわたるシールド効果に関して所望の特性を達成できないような組成である。２つの層が一緒になって初めて、最適なシールド特性がもたらされる。

それぞれ異なるシールド特性を有する少なくとも２つの層からなる本発明による無鉛放射線防護材料の層構造は好ましくは、二次放射層とバリア層とからなる。

二次放射層は、入射したＸ線の大部分を二次放射線、即ち、蛍光放射線に変換する。

バリア層は、二次放射層で生じた蛍光放射線をブロックして、それ自体は、ほんの僅かな二次放射線しか発生しない。

本発明による無鉛放射線防護材料を加工して、防護服を作ると、二次放射層およびバリア層は層構造として、非常に良好なシールド特性を示す。さらに、二次放射層を、防護服の層として設置する際に、これを、体から遠い方に配置する。バリア層を、体に近接する層として防護服に配置するが、これは、二次放射層で生じた蛍光放射線を、体の方向に対して有効にブロックする。このことにより、Ｘ線放射に対して最適なシールド効率が保証される。

さらに、図面により、本発明を説明する。

無鉛放射線防護材料は、６０から１２５ｋＶ、好ましくは６０から１００ｋＶ、特に６０から８０ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲に特に適している。

二次放射層は、原子番号３９から６０の少なくとも１種の元素またはその化合物を含有する。適切な元素の例は、スズ、ヨウ素、セシウム、バリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジムおよびこれらの化合物である。スズまたはスズとセシウムとの混合物が、特に好ましい。

二次放射層は例えば、スズを５０から１００重量％の量で含有する。本発明の好ましい一実施形態では、二次放射層は、スズを５０から９０重量％の量で、および原子番号３９から６０の少なくとも１種の他の元素および／またはその化合物を１０から５０重量％の量で含有する。

本発明による無鉛放射線防護材料のバリア層は、７１を上回る原子番号の少なくとも１種の元素（ただし鉛を除く）またはその化合物を含有する。好ましい一実施形態では、元素を、ビスマス、タングステンおよびこれらの化合物から選択する。ビスマスを使用することが、好ましい。バリア層が、タングステンを０から３０重量％の量で、および／またはビスマスを少なくとも３０重量％の量で含有することが、有利であることが判明している。

バリア層が、原子番号６１から７１の少なくとも１種の元素またはその化合物をさらに含有すると、二次放射層の二次放射線に対してさらに良好なバリア効果を示すことが判明している。本発明の好ましい一実施形態では、元素を、エルビウム、ホルミウム、ジスプロシウム、テルビウム、ガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ルテチウム、イッテルビウム、ツリウムおよびこれらの化合物の群から選択する。ガドリニウムまたはその化合物が、特に好ましい。

バリア層が、タンタル、ハフニウム、トリウム、ウランおよびこれらの化合物の群からの少なくとも１種の元素を付加的に含有することが、有利であることがさらに判明している。

バリア層に存在するさらなる元素および／またはその化合物の重量割合は、８０重量％までであってよい。さらなる元素および／またはその化合物の量は好ましくは、２０から７０重量％の範囲である。

本発明による無鉛材料の少なくとも２つの層は、マトリックス材料を０から１２重量％、好ましくは２から１０重量％、特に４から８重量％の量で含有する。

マトリックス材料は、粉末の形態で分散されている防護材料のためのキャリア層をほぼ
形成する。マトリックス材料の例は、ゴム、ラテックス、合成軟質または硬質ポリマーおよびシリコーン材料である。

低い二次放射を有する層と高い二次放射を有する層とに分離されていることにより、本発明による無鉛放射線防護材料での線量ビルドアップまたは二次放射率は、市販の無鉛材料においてよりもかなり低いことが、意外にも判明した。このことに関しては、図１を参照する。図１では、ＹＭは、本発明による無鉛材料の曲線を示しており、曲線ＡおよびＢは、層構造を伴わない粉末混合物である市販の無鉛材料をベースとしている。ＹＭ曲線は、Ｐｂ曲線に非常に近似していることが分かるであろうが、これは、本発明による無鉛放射線防護材料は、鉛材料と同様の良好なシールド特性を有することを意味している。

本発明による無鉛放射線防護材料の二次放射層および／またはバリア層は好ましくは、少なくとも１つの純材料層を含有してもよい。「純材料層」との表現は、マトリックス材料に加えて、いずれの場合にも、１種のみの前記の元素やその化合物、即ち１種の防護物質を含有する層を意味する。好ましい一実施形態では、これらの純材料層は、５重量％未満のマトリックス材料を含有する。

別々の純材料層として設けられた防護物質または防護物質の組合せは、全ての材料が例えば粉末の形態で混合されている材料よりもかなり良好な防護効果、即ち、シールド効果を有することが、意外にも判明している。

純材料層が十分に圧縮されている場合に、即ち、シールド材料の粒子の間に存在する間隙が可能な限り小さくて、可能な限り高い密度を有する層が存在する場合に、純材料層は特に良好なシールド効果をもたらすことが、実際に判明している。例えば、適切な粒度分布により、および／または既知のプロセスによる機械的圧縮により、層の圧縮を行う。

好ましい一実施形態では、純材料層は、７５容量％を上回るように圧縮されるべきである。９０容量％を上回る純材料層の圧縮が、特に好ましい。

本発明による無鉛放射線防護材料の好ましい一実施形態では、二次放射層および／またはバリア層は、少なくとも１つの純材料層を含有する。二次放射層は、原子番号３９から６０の元素またはその化合物を含有するような形態である。さらに、これらの元素および／またはその化合物を含有する複数の純材料層を設けることも可能である。

本発明による無鉛放射線防護材料の好ましい他の１実施形態では、バリア層は、７１を上回る原子番号の元素および／またはその化合物の１つまたは複数の純材料層を含有する。さらにバリア層は、原子番号６１から７１の元素またはその化合物の１つまたは複数の純材料層を付加的に含有してもよい。

さらに、６１から７１の原子番号を有する元素および／またはその化合物は、二次放射層とバリア層との間に配置されるいわゆる中間層の形態で別の層中に存在してもよい。

場合によって、高度に圧縮された純材料層が、例えば、フォイルストリップまたはフォイルプレートの形態などの金属フォイルの形態で存在する場合に、最良のシールド結果が得られることが、実際に判明している。

金属フォイルは通常、０．００５から０．２５ｍｍの厚さを有する。

各フォイルを普通は、上下に設置するが、その際、相互に結合させることはない。しかしながら、実際的または技術的理由で、フォイル間に結合を生じさせる必要がある場合に
は、慣用のプロセスにより、このような結合を生じさせることができる。

以下では、既知の無鉛放射線防護材料に比較して、本発明による無鉛放射線防護材料は、シールド効果に関して特に６０ｋＶで非常に良好な結果をもたらすことを示す。

次の材料を、次の成分から製造し、試験した：
成分： スズ４０重量％、酸化セリウム１０重量％、酸化ガドリニウム２０重量％、ビスマス２０重量％、タングステン１０重量％。

放射線防護材料を、次のように加工した：
材料１： 前記の成分を、粉末の形態でポリマーマトリックス中で均一に混合する。
材料２： 個々の成分を、粉末の形態で純材料層として層状にする。
材料３： 前記の成分を、個々に純材料フォイルとして層状にする。

単位面積当たりの重量は、いずれの場合にも４．７ｋｇ／ｍ^２であった。

Ｘ線管のナロービームクラスターでは、下記の表１に記載するように次の減衰係数が得られた：

減衰係数の値から分かるように、層状に配置された本発明による無鉛放射線防護材料（材料２および３）は、材料１の粉末混合物よりも良好なシールド効果を示す。特に、６０ｋＶでは、非常に良好なシールド効果が見られた。

各層が二次放射の高い順に並ぶように、放射線防護材料中の純材料層を層状にすることが重要である。したがって、材料を加工して、放射線防護服を作る場合には、最も高い二次放射率を有する層を体から遠い位置に配置する一方で、最も低い二次放射率を有する層を体に近接して配置する。

他の好ましい一実施形態では、本発明による無鉛放射線防護材料のうちの二次放射層およびバリア層それぞれの少なくとも１つの純材料層は、いわゆるサンドウィッチ構造で存在してもよい。サンドウィッチ構造は、純材料層の間に他の層が設けられている構造と理解されたい。特定の一実施形態では、少なくとも１つの純材料層は、それぞれ一方の面にキャリア層を有する。もしくは、少なくとも１つの純材料層は、両面にキャリア層を有してもよい。キャリア層は好ましくは、ポリマーによって形成される。ポリマーは、マトリックス材料として使用されるものであってもよい。ポリマーは通常、ラテックスまたは弾性ポリマーである。

本発明による無鉛放射線防護材料の層構造中の１つまたは複数のキャリア層が、０．０１から０．４ｍｍの厚さを有すると、有利であることが実際に判明している。

必要ならば、１つまたは複数のキャリア層は、前記のような防護物質を少量含有してもよい。しかしながら、これらは通常、防護物質不含である。

純材料層の一方の面または両方の面に存在するキャリア層は、二次放射層であっても、
バリア層であっても、「内部」の高度に圧縮された材料層の機械的安定性を上昇させるために寄与する一方で、個々の防護層の放射線シールド効果も、改善される。

図２は、本発明による無鉛放射線防護材料のサンドウィッチ構造を示している。防護物質２の高度に圧縮された層は両面で、構造の機械的安定性を高めるキャリア層１に囲まれている。

高い二次放射を有する各層の両面に低い二次放射を有する層を設けることにより、別のサンドウィッチ構造を形成することもできる。この方法では、低い二次放射を有するバリア層のバリア層効果は、高い二次放射を有する層のための直接的なバリア効果（即ち両面での）の提供に寄与する。

通常、放射線防護材料は個々の層では、２から７５μｍの粒径を有する金属粉末の形態である。間隙には、可能な限り少ないマトリックス材料が存在すべきであることが重要である。

偶数層を有する層系では、質量負荷（単位面積当たりの重量）は、１：１であると判明している。例えば、０．５ｍｍ（Ｐｂ）の公称鉛当量では、２層の場合には、１層当り２．６ｋｇ／ｍ^２の単位面積当たりの重量となり、さらにこれをそれぞれ、２層に分けることもできる。

奇数を有する層構造では、単位面積当たりの重量を２：１（二次放射層：バリア層）に分けることが有利であることが判明している。

本発明の好ましい一実施形態では、３つの層からなる層構造の場合での単位面積当たりの重量分配は、１：１：１である。二次放射層：中間層：バリア層を有する層構造の場合に、この分配が特に有利である。中間層は、原子番号６１から７１の少なくとも１種の元素またはその化合物を主に含有する。

本発明による無鉛放射線防護材料は、例えば、放射線防護エプロンなどの放射線防護服を製造するために適している。

加えて、本発明による材料は例えば、防護手袋、患者用カバー、生殖腺防護、卵巣防護、防護用歯科シールド、固定式下半身用防護、テーブル用アタッチメント、固定または移動式放射線防護壁または放射線防護カーテンで有利に使用することができる。

下記の実施例で、本発明をさらに詳述する。

二次放射層に相当する層（Ａ）およびバリア層に相当する層（Ｂ）を有する、本発明による無鉛放射線保護材料を製造する。層（Ａ）は、スズ５４重量％、セリウム３６重量％およびマトリックス材料１０重量％を含有する。層（Ｂ）は、ガドリニウム３６重量％、ビスマス３６重量％、タングステン１８重量％およびマトリックス１０％を含有する。

本発明による無鉛放射線防護材料を製造する。層（Ａ）は、スズ９０重量％およびマトリックス１０重量％を含有し、他方で層（Ｂ）は、ガドリニウム５４重量％、ビスマス３６重量％およびマトリックス材料１０重量％を含有する。

実施例１と同様の層（Ａ）および実施例２と同様の層（Ｂ）を含有する本発明による放射線防護材料を製造する。

実施例２と同様の層（Ａ）および実施例１と同様の層（Ｂ）を含有する本発明による放射線防護材料を製造する。

６０、８０、１００および１２０ｋＶの管電圧に関する、実施例１から４で製造された放射線防護材料の鉛当量（ＬＥ）の測定結果を、下記の表２に示す。防護物質の単位面積当たりの重量はそれぞれの場合で、４．７ｋｇ／ｍ^２である。

様々な材料のビルドアップ係数を示すグラフである。 本発明による無鉛放射線防護材料のサンドウィッチ構造を示す図である。

Claims (14)

1. それぞれ異なるシールド特性を有する少なくとも２つの層からなる層構造を有する、６０から１２５ｋＶの電圧を伴うＸ線管のエネルギー範囲での無鉛放射線防護材料であり、
   前記の層構造は、二次放射層およびバリア層を含み、前記の二次放射層の両側に前記のバリア層を備え、
   前記の二次放射層は、スズを５０から１００重量％の量で含有し、
   前記のバリア層は、７１を上回る原子番号の少なくとも１種の元素またはその化合物を含有し、
   前記の元素は、ビスマス、タングステンおよびこれらの化合物から選択されていることを特徴とする無鉛放射線防護材料。
2. 前記の二次放射層は、スズを５０から９０重量％の量で、および原子番号３９から６０の少なくとも１種の他の元素および／またはその化合物を１０から５０重量％の量で含有することを特徴とする、請求項１に記載の無鉛放射線防護材料。
3. 前記の二次放射層は、スズおよびセリウムもしくはそれらの化合物を含有することを特徴とする、請求項２に記載の無鉛放射線防護材料。
4. 前記のバリア層は、原子番号６１から７１の少なくとも１種の元素またはその化合物をさらに含有することを特徴とする、請求項１に記載の無鉛放射線防護材料。
5. 前記の元素は、エルビウム、ホルミウム、ジスプロシウム、テルビウム、ガドリニウム、ユーロピウム、サマリウム、ルテチウム、イッテルビウムおよびツリウムならびにこれらの化合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の無鉛放射線防護材料。
6. 前記の元素は、ガドリニウムであることを特徴とする、請求項５に記載の無鉛放射線防護材料。
7. 原子番号６１から７１の少なくとも１種の元素またはそれらの化合物が、二次放射層とバリア層との間に配置されている中間層の形態で存在することを特徴とする、請求項４から６までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料。
8. 前記のバリア層は、タンタル、ハフニウム、トリウム、ウランおよびこれらの化合物の群からの少なくとも１種の元素をさらに含有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料。
9. 前記のバリア層は、さらなる元素および／またはその化合物を８０重量％までの量で含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料。
10. 前記の量は、２０から７０重量％の範囲であることを特徴とする、請求項９に記載の無鉛放射線防護材料。
11. 前記のバリア層は、タングステンまたはその化合物を０から３０重量％の量で、および／またはビスマスまたはその化合物を少なくとも３０重量％の量で含有することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料。
12. 前記の少なくとも２つの層が、マトリックス材料を０から１２重量％の量で含有し、前記マトリックス材料は、ゴム、ラテックス、合成軟質ポリマー、合成硬質ポリマー及びシリコーン材料の中から選択されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の無鉛放射線防護材料から製造された放射線防護服。
14. エプロンの形態である、請求項１３に記載の放射線防護服。

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