辐射防护材料铅当量随X射线峰值管电压变化的研究

在医用X射线放射诊断和放射治疗工作中，为了保障公众和工作人员的身体健康，根据不同的辐射防护目的，常常采用不同材质与不同厚度X射线屏蔽防护材料（简称防护材料）。在X射线机房防护中，为了屏蔽散漏X射线，常用粘土砖、重晶石混凝土防护涂料及铅玻璃和铅防护门等；在放射诊疗活动中，工作人员需要佩戴铅橡胶衣、铅橡胶围裙和铅玻璃眼镜以及近年研制出不同品种无铅材料防护用品。在评价和应用辐射防护材料时，除了要考虑防护材料的物理形态，力学性质，机械强度和加工工艺外，主要考虑该材料对X射线的屏蔽性能，为此国际电工委员会在1994年发布了相应的检测标准[1]。
    辐射防护材料对X射线的屏蔽性能通常用铅当量表示。所谓铅当量是为了比较防护材料对X射线的屏蔽性能，用铅作为比较标准，把某厚度某种材料的屏蔽效果与达到同种屏蔽效果的铅的厚度表达，称为该厚度防护材料的铅当量，其单位以毫米铅（mmPb）表示。
    在日常检测中我们发现，同一厚度的防护材料的铅当量并不是一个固定不变的，有些防护的铅当量是随着检测时使用的X射线峰值管电压而变化。为了深入了解防护材料的铅当量值随X射线管峰值电压变化的规律，我们在中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所的医用放射诊疗设备应用质量控制实验室，对五种常用的医用X射线的防护材料的屏蔽性能与X射线管峰值电压关系进行了测量和研究。研究结果表明，对含铅的防护材料和用品，铅当量随检测时使用的X射线峰值电压变化不大；而对非含铅的防护材料和用品，铅当量随检测时使用的X射线峰值电压变化较大。因此，我们认为，无论是对含铅和非含铅的防护产品，当用铅当量表示对射线屏蔽性能时，有必要注明检测时X射线峰值管电压，以便规范防护产品铅当量表示方法。
1 材料与方法
1.1  防护材料  检测中选取了X射线诊疗中常用的几种辐射防护产品，包括铅橡胶板、铅防护眼镜、无铅橡胶板、防护涂料和粘土砖等五种材料。它们性状及厚度如表1所示。
                             表1. 常用X射线防护材料的性状及物理特性
物理特性 铅橡胶 铅防护眼镜 无铅橡胶 防护涂料 粘土砖
厚度（mm） 1.60 2.52 1.70 11.0 50.0
性  状 黑色 透明 灰色 土红色 砖红色

物理特性 铅橡胶 铅防护眼镜 无铅橡胶 防护涂料 粘土砖
厚度（mm） 1.60 2.52 1.70 11.0 50.0
性  状 黑色 透明 灰色 土红色 砖红色
1.2  测量条件  本实验室承担的防护材料铅当量检测是通过国家计量认证考核的项目之一。X射线是由德国PHILIPS 公司生产的MG324高稳定度X射线机提供。在X射线出口处采用立体角为11.7度的限束系统。因此，提供的有用X射线为窄束。测量的峰值管电压从70kV到150kV可调，调节步节10 kV，共9能量点。X射线束的总过滤为2.5 mmAl。
1.3  仪器  防护材料铅当量测量使用的是PTW DCI-8500精密电流积分剂量仪和TK-30球型空气电离室。该设备是由国际原子能机构（IAEA） 援助标准仪器。仪器的量程可通过更换标准电容的方式实现，测量量程可达10个量级。TK-30球型空气电离室的体积为30 cm3,具有优良的能量响应特性。
1.4  方法
1.4.1  几何条件 依据现行（GBZ/T 147-2002）《X射线防护材料衰减性能的测定》[2]推荐的几何条件完成对标准铅片和防护材料衰减比的测量。为了减少在测量中铅或防护材料散射对电离室的影响，d-e间的距离增加到500mm, 见图1所示。
                                      
                                  图1. 铅当量测量的几何条件示意图
图中，a：X射线管；b：限束系统和过滤片；c：被检的标准铅片或防护材料；d：限束光阑；e：TK-30球型空气电离室。我们分别在测量几何条件不变的情况下将空白和被测的标准铅片和防护材料放置于距X射线管靶焦点500 mm处的测量支架上分别测量剂量读数。在样品后放置一个直径50 mm圆孔的正方形光阑是为了减少散射线对电离室的贡献而专门加工的。
1.4.2  标准铅片衰减比的测量  首先在C位置没有放置任何标准铅片条件下，测量某一峰值管电压时，即空白的剂量读数A0 。 空白时的值A0称为无衰减束（初级线束）测量值；然后将一系列不同厚度的标准铅片（化学纯度为99.99%，厚度精为±0.01 mm）分别放置在C位置，在相同测量条件下测量不同厚度的标准铅片剂量读数值A pb 1、A pb 2、A pb 3…A pb i，i代表标准铅片的厚度。经衰减后的测量值称为衰减束（次级线束）测量值。通常我们把APb/ A0称为衰减比或透过率。
1.4.3  绘制衰减比-标准铅厚度曲线  把测量的衰减比与标准铅厚度绘制在半对数图上，画出铅衰减标准曲线。
1.4.4  在70kV～150kV范围内，按照上述方法每隔10 kV测得并绘制每种峰值管电压条件下铅衰减标准曲线，即（APbI/ A0）70、（APbI/ A0）80、…（APbI/ A0）K, K代表X射线峰值管电压。
1.4.5  按（4.2）的方法，在C位置处依次放置防护材料（本次检测的五种防护材料：铅橡胶板、铅防护眼镜、无铅橡胶板、防护涂料和粘土砖等），测量它们的衰减比Am/ A0   ,m代表某种防护材料。通过查铅衰减标准曲线可获得该防护材料在某一峰值管电压条件下的铅当量，即（APbI/ A0）K=（Am/ A0）K时标准铅片的厚度，mmPb。
2  测量结果
2.1  结果  五种防护材料的铅当量，随X射线管峰值电压而相应变化的对应关系显示在图2中。
                    
                       图2.  辐射防护材的铅当量与X射线峰值电压的关系图
    从图2的结果可以发现，检测的防护材料可分成两类，一类是在70 kV至150 kV X射线范围内铅当量随峰值管电压变化不大(约在5%以内)的含铅防护材料，如，铅橡胶板和铅眼镜等；另一类是随峰值管压变化较大(约在18～40%)的非含铅的防护材料，如无铅橡胶板、粘土砖和防护涂料等。而且，可以发现非含铅防护材料的铅当量在90 kV～100 kV处出现峰值，而X射线低能量端和高能量端的铅当量呈下降趋势。该变化趋势与文献[3]报道结果一致。
2.2  结果分析
2.2.1  改变X射线峰值管电压的本质是改变X射线光子的能量。在X射线束的总过滤不变的条件下，根据Duane-Hunt公式[4]，增加X射线峰值管电压，也就是增加了X射线谱的高端能量光子的成分，因而使得X射线谱的平均光子能量向高端能量移动。
2.2.2  当一束光子穿过物质时，其穿透率即衰减比的大小主要取决物质的衰减系数μ（质量衰减系数或线性衰减系数）和物质的厚度d（质量厚度或线性厚度）。其通用的数学表达式为A/ A0=Be-μd，B是累积因子，其定义比较复杂，见文献[5]。虽然B与物质厚度与光子能量有关，但对窄束X射线 B≈1。
对高纯度标准铅片，衰减系数μ只是一组与光子能量有关的值，该值可在许多参考文献中查得；而对防护材料来说，衰减系数μ就不是单一值了，它的值是由防护材料可能存在的一种或多种化合物和混合物组成，即μ总=μ1+μ2+…+μn。由此不难看出，对高纯度标准铅片，其衰减系数可表示为μ总=μpb ，而对含铅类防护材料，它的衰减系数可以表示为μ总=μpb+Σμn 。Σμn为材料中杂质或介质的衰减系数的总和。因此，在铅起主导作用的屏蔽材料中，它的铅当量随峰值管电压变化与标准铅片基本一致就不难理解了。当然，其一致程度取决与杂质或介质Σμ，在防护性能中所起作用大小。
对非含铅的防护材料，由于它的衰减系数中没有铅的贡献，即μ总=Σμn，因此，这类材料铅当量随X射线峰值管电压的变化主要取决于防护材料本身衰减系数与纯铅的衰减系数之比随光子能量的变化。然而，由于防护材料的组成非常复杂，获得它们的衰减系数几乎是不可能的。因此，很难通过计算来获得它们的铅当量，更不可能预测它们的铅当量随x射线峰值管电压的变化关系，这些指标只能通过实际检测确定。
3  讨论
3.1  在本项研究中，检测的防护材料可分成两类。一类是在70 kV至150 kV X射线范围内铅当量随峰值管电压变化不大的，它们是铅橡胶板和铅眼镜。另一类是随峰值管压变化较大的，它们是无铅橡胶板，粘土砖和防护涂料等。产生变化的主要原因是由于物质的衰减系数随光子能量变化所致。因此，一种防护材料铅当量与X射线峰值管电压的变化，取决于防护材料是否含铅以及其它介质材料在屏蔽X射线中所做的贡献。在X射线屏蔽的防护材料中，铅的屏蔽作用愈大，防护材料铅当量随峰值管电压变化愈小；反之，其他化合物或混合物等介质材料对屏蔽的贡献愈大，防护材料随峰值管电压变化愈大。
3.2  铅和含铅的防护材料是传统上广泛应用的X射线屏蔽材料。然而，随着科学的发展和新材料的研制，以及铅在生产和应用中可能造成环境污染并给身体带来危害深入认知，一些非含铅的X射线屏蔽材料的研发及应用在国内外已有了长足进展。依据我国目前实施的法规、标准，从事防护器材研制开发、生产、销售的单位，应定期将其产品送到具有国家计量认证资质的检测机构，检测其衰减性能，即特定x射线峰值管电压条件下的铅当量。在销售的产品中，应采用规范的表示方式，除了标明防护材料的铅当量值，还应同时注明该铅当量值检测时所使用的x射线峰值管电压kVp值。只有这样，在医用X射线放射诊疗工作中，我们才能有的放矢地使用好各种各样的X射线防护材料。
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