氧化鉍橡膠復(fù)合材料的X射線防護(hù)性能研究

遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測院 （遼寧 沈陽 110171）

內(nèi)容提要： 含鉛的X射線防護(hù)材料在目前的市場中比較常見，但卻有質(zhì)量偏重、有毒性、易造成環(huán)境污染和生物體傷害等缺點(diǎn)，氧化鉍（Bi2O3）橡膠復(fù)合材料很好地規(guī)避了這些問題。通過對含有不同成分比例的氧化鉍橡膠復(fù)合材料鉛當(dāng)量的測量，分析其對X射線的防護(hù)性能，以便更好地將該類產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際中。

隨著人類需求的不斷提高以及現(xiàn)代科學(xué)的不斷發(fā)展，X射線被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。在提高患者病癥診斷和治療效果的同時(shí)，卻也因?yàn)檩椛鋭┝康脑黾?，對患者和醫(yī)生的健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。為此，輻射安全防護(hù)問題越來越受到人們的普遍關(guān)注，X射線防護(hù)材料成分的研究和應(yīng)用也成為必不可缺的重要組成部分。

目前市場上比較常見的X射線防護(hù)產(chǎn)品如鉛防護(hù)衣、鉛防護(hù)帽、鉛防護(hù)圍領(lǐng)等，都是以鉛作為X射線防護(hù)材料的主要組成成分，有質(zhì)量偏重、有毒性、易造成環(huán)境污染和人體傷害等缺點(diǎn)。鉍是一種新型的“綠色金屬”，其衰減系數(shù)比鉛大。氧化鉍（Bi2O3）具有成本低廉，燒結(jié)揮發(fā)性小，幾乎不會(huì)對人體造成傷害以及環(huán)境造成污染等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為鉛的理想替代品之一。逐漸開始有一些防護(hù)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商，研究將不同比例的氧化鉍加入到橡膠中，制得高密度的橡膠。與鉛橡膠相比，該高密度橡膠更薄、更輕，具有密度大和吸收射線能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與其他有機(jī)化合物或者高分子化合物很好的結(jié)合，制成具有抗X射線輻射功能的復(fù)合材料，在今后X射線防護(hù)材料的制備和研究中將具有廣闊的前景。

1.氧化鉍橡膠復(fù)合材料X射線防護(hù)性能試驗(yàn)

1.1 防護(hù)材料

目前市場上大部分X射線防護(hù)材料仍然采用鉛作為主要元素，而用新材料代替鉛成為目前主要的研究方向。診斷用X射線的能量范圍一般在40～150kV，其中80～100kV最為常用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)X射線能量在40～90kV時(shí)，是鉛的弱吸收區(qū)，而這一范圍的能量區(qū)診斷X射線光子分布最多，也正好是特征峰的所在處。這個(gè)區(qū)域最需要X射線吸收物質(zhì)能起到較好的吸收作用，而鉛的效果卻并不是最佳。

為了更有效地防護(hù)能量在100kV以下的診斷用X射線，需要選擇一些其他元素，其在40～90kV的X射線防護(hù)能力更強(qiáng)，以彌補(bǔ)鉛的不足。鉍的原子序數(shù)較大，具有高密度、高強(qiáng)度以及良好的X射線吸收能力，是防護(hù)X射線很好的一種物質(zhì)。它不容易被身體吸收，不致癌，也不損害DNA構(gòu)造，可以通過排尿帶出體外?；谝陨显?，本文將試驗(yàn)氧化鉍的X射線防護(hù)性能，分析其是否能夠達(dá)到或者超越鉛的應(yīng)用。

1.2 氧化鉍橡膠復(fù)合材料試驗(yàn)

氧化鉍橡膠復(fù)合材料X射線防護(hù)性能試驗(yàn)參照YY 0318-2000《醫(yī)用診斷X射線輻射防護(hù)器具 第3部分：防護(hù)服和性腺防護(hù)器具》中相關(guān)產(chǎn)品的測試方法進(jìn)行。由于只有試驗(yàn)管電壓對防護(hù)性能影響較大，而試驗(yàn)管電流和試驗(yàn)加載時(shí)間的影響很小，因此選擇不影響試驗(yàn)結(jié)果而且盡量較低X射線劑量的固定管電流和加載時(shí)間，即50mA和80ms，分別測量80kV、90kV和100kV試驗(yàn)管電壓下氧化鉍含量10%的橡膠復(fù)合材料、氧化鉍含量20%的橡膠復(fù)合材料和氧化鉍含量33%的橡膠復(fù)合材料（以下簡稱被測樣品）的防護(hù)性能。

1.2.1 鉛當(dāng)量試驗(yàn)。在窄射束情況下，即在X射線源和輻射探測器之間，離輻射探測器大約0.2m的位置放置一個(gè)中間有小圓孔的光闌。在80kV的管電壓條件下，需將0.15mmCu放在射線束中，來減少雜散射線對試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，一般放在限束器的位置上。然后先將被測樣品放置在X射線源和輻射探測器之間，貼近輻射探測器的地方，測量其衰減X射線后的劑量值，再移走樣品，并在同一個(gè)位置放置標(biāo)準(zhǔn)鉛片，測量劑量值。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，盡量選擇劑量值剛好大于和小于并且最接近被測樣品劑量值的兩個(gè)鉛片厚度，通過模擬線性插值法，計(jì)算出被測樣品的鉛當(dāng)量。同樣，在90kV的管電壓下，放入0.20mmCu，100kV的管電壓下，放入0.25mmCu，進(jìn)行鉛當(dāng)量試驗(yàn)。

1.2.2 衰減率試驗(yàn)。在寬射束情況下，即在X射線源和輻射探測器之間，貼近輻射探測器的位置放置一個(gè)中間有小圓孔的光闌。在80kV的管電壓條件下，放置0.15mmCu，將被測樣品放置在X射線源和光闌之間，緊貼光闌的位置上，測量其衰減X射線后的劑量值。然后移走被測樣品，再次曝光，記錄劑量值。兩次劑量值的比值，即得出被測樣品的衰減率。同樣，在90kV的管電壓下，放入0.20mmCu，100kV的管電壓下，放入0.25mmCu，進(jìn)行衰減率試驗(yàn)。

2.氧化鉍橡膠復(fù)合材料X射線防護(hù)性能試驗(yàn)的結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

鉛當(dāng)量試驗(yàn)結(jié)果。80kV、90kV和100kV試驗(yàn)管電壓下，氧化鉍含量10%的橡膠復(fù)合材料測得的鉛當(dāng)量分別是：0.0016mmPb、0.015mmPb、0.0012mmPb；氧化鉍含量20%的橡膠復(fù)合材料測得的鉛當(dāng)量分別是：0.0043mmPb、0.048mmPb、0.0043mmPb；氧化鉍含量33%的橡膠復(fù)合材料測得的鉛當(dāng)量分別是：0.0076mmPb、0.077mmPb、0.0070mmPb。

衰減率試驗(yàn)結(jié)果。80kV、90kV和100kV試驗(yàn)管電壓下，氧化鉍含量10%的橡膠復(fù)合材料測得的衰減率分別是：1.02、1.01、1.01；氧化鉍含量20%的橡膠復(fù)合材料測得的衰減率分別是：1.04、1.04、1.04；氧化鉍含量33%的橡膠復(fù)合材料測得的衰減率分別是：1.08、1.07、1.06。

2.2 結(jié)果分析

從鉛當(dāng)量和衰減率這兩個(gè)指標(biāo)考查的X射線防護(hù)性能試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著氧化鉍橡膠復(fù)合材料中氧化鉍含量的增加，其X射線的防護(hù)性能不斷提高。這主要是由于在此能量下X射線光子與物質(zhì)相互作用主要通過光電效應(yīng)的方式衰減X射線能量，隨著氧化鉍質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使光電效應(yīng)增強(qiáng)，因此衰減系數(shù)增大。鉍作為一種高原子序數(shù)的元素，由于其對X射線光子的衰減系數(shù)高，且無毒，很有希望將來代替鉛成為X射線的綠色屏蔽材料。

由鉛當(dāng)量的測試結(jié)果可以看出，氧化鉍含量20%的橡膠復(fù)合材料的鉛當(dāng)量值是氧化鉍含量10%的橡膠復(fù)合材料的鉛當(dāng)量值的3倍左右，即此時(shí)氧化鉍含量增加1倍，其鉛當(dāng)量值增加2倍。氧化鉍含量33%的橡膠復(fù)合材料的鉛當(dāng)量值是氧化鉍含量20%的橡膠復(fù)合材料的鉛當(dāng)量值的1.8倍左右，即此時(shí)氧化鉍含量增加0.65倍，其鉛當(dāng)量值增加0.8倍。而衰減率測試結(jié)果的數(shù)據(jù)是較為平穩(wěn)的增長。由此可以看出，隨著氧化鉍成分的增加，橡膠復(fù)合材料的防護(hù)性能在增強(qiáng)，但是趨勢是增幅逐漸變小，這主要是由于X射線光子與材料作用后，能量降低，而材料對一些能量降低的光子吸收作用較弱，因此隨著氧化鉍含量的繼續(xù)增加，材料對X射線的防護(hù)性能增幅會(huì)減小。如何能達(dá)到氧化鉍成分適度，價(jià)格適宜，將是未來繼續(xù)研究的方向。

2.3 氧化鉍防護(hù)材料的應(yīng)用

使用氧化鉍的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：①鉍是毒性最小的重金屬之一，且密度和原子序數(shù)高，能夠滿足防護(hù)材料基本需求。②價(jià)格比較適中，較常用的防護(hù)材料主要有鎢、鉛、鉍等。其中鎢的價(jià)格最貴，其次是鉍。雖然鉍比鉛的價(jià)格貴，但考慮到鉛的毒性和未來的安全培訓(xùn)等方面的額外費(fèi)用，鉍的價(jià)格更為適中。③氧化鉍的密度和氧化鉛相近，可以在使用氧化鉛的產(chǎn)品中1:1進(jìn)行取代而減少毒性和污染，更加實(shí)用。

氧化鉍是一種具有優(yōu)良發(fā)光特性的功能粉體，現(xiàn)已有將10%的鎢、鉍、氧化鉍加入到丁基橡膠中，制得高密度的橡膠復(fù)合材料。與鉛橡膠相比，該高密度橡膠更薄、更輕、防護(hù)X射線效果更優(yōu)于含鉛橡膠。氧化鉍的衰減系數(shù)與氧化鉛的衰減系數(shù)相似，說明氧化鉍是氧化鉛的良好替代物，用鉍取代鉛制備的X射線防輻射材料將是一種無毒，防護(hù)效果顯著具有更廣泛前景的復(fù)合材料。此外，由于氧化鉍存在密度過大，表面能較高，極易團(tuán)聚，選擇合適的表面活性劑，適當(dāng)?shù)馗淖儣l件對納米氧化鉍進(jìn)行表面改性，降低氧化鉍的表面能，提高納米氧化鉍粒子與有機(jī)溶劑或高分子基體的相容性，制備出納米氧化鉍復(fù)合材料將拓寬氧化鉍抗X射線輻射功能在更多領(lǐng)域中應(yīng)用。

3.小結(jié)

本文通過對氧化鉍含量10%、20%和33%的橡膠復(fù)合材料的防護(hù)性能進(jìn)行試驗(yàn)，即通過檢測其鉛當(dāng)量和衰減率，來分析和研究此類材料屏蔽X射線的能力。在這三個(gè)材料中，隨著氧化鉍含量的升高，其防護(hù)性能也越來越好，而且本次試驗(yàn)的橡膠復(fù)合材料非常輕薄，加上氧化鉍綠色環(huán)保無毒的特性，未來將有很廣泛的應(yīng)用空間。