МНОГОСЛОЙНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ТИПА СЭНДВИЧ-СТРУКТУРЫ
SANDWICH TYPE STRUCTURE MULTILAYER MATERIAL FOR RADIATION PROTECTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к области радиационной защиты, а более точно к материалу для радиационной защиты, обладающему сцинтилляционными свойствами, типа сэндвич-структуры, т.е. являющемуся многослойным материалом.
Предшествующий уровень техники
Материалы для радиационной защиты широко используются в медицине при проведении рентгенологического обследования пациентов для защиты тех частей тела пациента, которые не должны подвергаться радиационному (рентгеновскому) излучению, а также для защиты врачей, которые проводят обследование, и других пациентов, находящихся рядом.
Традиционные материалы, которые используются в медицине для защиты от облучения, обычно содержат свинец или оксид свинца. Использование свинца неудобно из-за того, что свинец загрязняет окружающую среду вследствие его токсичности, а также имеет сравнительно высокий удельный вес, поэтому медицинские фартуки, которые надевают на пациента и на врача, проводящего рентгенологическое обследование, например, в стоматологии или рентгенологическом обследовании внутренних органов, очень тяжелые.
В качестве слоя, поглощающего радиацию, можно использовать также сплавы вольфрама, которые обеспечивают хорошую альтернативу свинцу. По сравнению с традиционными экранирующими материалами сплавы вольфрама показывают отличные результаты. Указанные сплавы имеют высокую плотность, поэтому обеспечивают такую же абсорбцию энергии рентгеновского радиационного излучения, что и свинец, но количество используемого для защитной одежды материала меньше на 30%. Однако вольфрам представляет собой материал, очень тяжелый в обработке, он имеет высокую точку плавления и высокую твердость. Для производства сплавов требуется дорогостоящее оборудование. Все это затрудняет и удорожает процесс изготовления защитного материала.
В настоящее время остро стоит проблема, связанная с созданием материала для радиационной защиты, который обеспечивал бы такие же свойства поглощения радиации, как и свинец, но был бы легким и простым в изготовлении.
До настоящего времени не предлагался и не использовался материал для радиационной защиты на основе материалов, проявляющих сцинтилляционные свойства при стимулировании ионизирующим облучением.
Сцинтилляторы - это вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения, например гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т.д. Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближенно пропорционально поглощенной энергии.
Световыход - это количество фотонов, излучаемых сцинтиллятором при поглощении определенного количества энергии, обычно 1 МэВ. Большим световыходом считается величина 50-70 тыс. фотонов на 1 МэВ.
Известно три механизма взаимодействия гамма-кванта с веществом.
Фотоэффект. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома.
γ
γ
γ
Комптон-эффект - это рассеяние γ-квантов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия γ-квантов во много раз превышает энергию связи электрона. В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией E появляется рассеянный фотон с энергией E' < E, а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию.
.
Образование пары электрон–позитронФотон, взаимодействуя с веществом, образует электрон-позитронную пару. Вероятность образования электрон-позитронной пары растет с ростом энергии фотона и с увеличением заряда ядра.
Поглощенная в сцинтилляторе энергия конвертируется в свет, время конвертирования называется временем высвечивания. Зависимость высвечивания сцинтилляторов от времени с момента поглощения частицы (кривая высвечивания) обычно может быть представлена как убывающая экспонента. Типичное время высвечивания неорганических сцинтилляторов - от десятков наносекунд до десятков микросекунд.
10
8
14
10
14
12
Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Однако возможно использование и органических веществ, которые также широко известны в технике, например нафталин СН, антрацен СН, трансстильбен СН.
4
3
12
1.8
.2
5
2
3
2
3
3
5
12
3
В качестве неорганических сцинтилляторов используют NaI, CsI, LiI, ZnS, CdS, BGO (BiGeO), LuYSiO:Ce. Прозрачные керамические сцинтилляторы получают из прозрачных керамических материалов на базе оксидов AlO, YO и производных оксидов YAlO и YAlO, а также MgO, BeO.
Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счет потери энергии падающим излучением. При распаде этих возбужденных состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.
Было обнаружено, что сцинтилляторы можно использовать длярадиационной защиты, но для этого слой материала сцинтиллятора следует с двух сторон окружить по меньшей мере двумя слоями, которые служат для поглощения излучения, с образованием, так называемой сэндвич-структуры.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание материала для радиационной защиты, имеющего сэндвич-структуру и проявляющего сцинтилляционные свойства при стимулировании ионизирующим облучением, который обеспечивал бы такие же свойства поглощения радиации, как и свинец, но не был бы токсичным, при этом был более легким, чем свинец, вольфрам или другие металлы, и имел более простой способ производства, чем сплавы вольфрама.
Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания многослойного материала для радиационной защиты типа сэндвич-структуры, содержащего
слой сцинтилляционного материала, обеспечивающий при поглощении ионизирующего излучения преобразование указанной энергии ионизирующего излучения в множество фотонов сцинтилляции или фотонов низкой энергии на 1 МэВ поданной энергии ионизирующего излучения преимущественно рентгеновского и гамма-диапазона энергий, и равномерное излучение фотонов низкой энергии во всех направлениях,
слой материала для приема и частичного ослабления ионизирующего излучения, размещенный с одной стороны указанного слоя сцинтилляционного материала и предназначенный также для поглощения фотонов низкой энергии из слоя сцинтилляционного материала,
слой материала, предназначенный для поглощения фотонов низкой энергии из слоя сцинтилляционного материала, который также обеспечивает ослабление ионизирующего излучения, и размещенный на стороне указанного слоя сцинтилляционного материала, противоположной стороне, на которой размещен слой материала для приема ионизирующего излучения,
при этом толщина слоя материала для приема ионизирующего излучения меньше толщины слоя сцинтилляционного материала и меньше или равна толщине слоя материала для поглощения фотонов.
Согласно второму варианту воплощения многослойный материал для радиационной защиты типа сэндвич-структуры содержит
множество слоев сцинтилляционного материала, обеспечивающего при поглощении ионизирующего излучения преобразование указанной энергии ионизирующего излучения в множество фотонов сцинтилляции или фотонов низкой энергии на 1 МэВ поданной энергии ионизирующего излучения преимущественно рентгеновского и гамма-диапазона энергий и равномерное излучение фотонов низкой энергии во всех направлениях,
слой материала для приема и частичного ослабления ионизирующего излучения, размещенный с одной стороны первого слоя из указанного множества слоев сцинтилляционного материала и предназначенный также для поглощения фотонов низкой энергии из прилегающего слоя сцинтилляционного материала,
множество слоев материала, предназначенного для поглощения фотонов низкой энергии из слоев сцинтилляционного материала по количеству слоев сцинтилляционного материала, а также для частичного ослабления излучения, и каждый слой из указанного множества слоев размещен на стороне соответствующего слоя сцинтилляционного материала, противоположной стороне, на которой размещен слой материала для приема ионизирующего излучения,
при этом толщина слоя материала для приема ионизирующего излучения меньше толщины каждого из указанного множества слоев сцинтилляционного материала и меньше или равна толщине каждого из слоев материала для поглощения фотонов.
Предпочтительно, толщина слоя сцинтилляционного материала для достижения эффекта 50%-го ослабления излучения, находящегося в пределах 0,001-0,511 МэВ, находится в пределах от 0,01 мм до 26 мм. Для более широкого диапазона значений энергий или для более высокого процента ослабления, верхняя граница диапазона толщины слоя должна быть смещена в сторону увеличения.
Возможно, чтобы все указанные слои многослойного материала были спрессованы с образованием монолитного слоя, либо закреплены любым другим механическим способом (рамка, скручивание). Если позволяют условия, также допускается возможность не закреплять слои, что не влияет на ослабляющую способность.
2
4
3
12
1.8
.2
5
Предпочтительно, чтобы слой сцинтилляционного материала был сформирован из вещества, выбранного из группы, состоящей из NaI, CsI, LiI, ZnS, CdS, BaF, BGO (химическая формула BiGeO), LuYSiO:Ce.
При этом предпочтительно, чтобы слой материала для приема ионизирующего излучения и каждый слой, прилегающий к слою сцинтилляционного материала и предназначенный для поглощения фотонов низкой энергии, были сформированы из металла или сплава, выбранного из группы, состоящей из CU, AL, оксида алюминия, Fe, стали, W.
Предпочтительно толщина слоя материала для приема ионизирующего излучения не более 0,511 МэВ находится в пределах от 0,01 мм до 5 мм (для железа Fe) и толщина каждого слоя из множества слоев материала, прилегающего к слою сцинтилляционного материала и предназначенного для поглощения фотонов низкой энергии, также находится в пределах от 0,01 мм до 5 мм (для железа Fe). Для более высоких энергий и/или необходимости использования металла или сплава из упомянутой группы, толщина слоя будет изменяться в большую сторону.
Согласно изобретению предложено изделие для радиационной защиты, содержащее многослойный материал типа сэндвич-структуры.
Для удобства использования изделие может содержать герметизирующую оболочку, прозрачную для ионизирующего излучения, в которую помещен многослойный материал.
Предпочтительно изделие имеет форму, выбранную из группы, состоящей из пластины, шара, цилиндра, параллелепипеда.
Достигаемый технический эффект заключается в том, что предложенный материала для радиационной защиты, имеющий сэндвич-структуру, имеет низкий удельный вес и малую толщину, но обеспечивает такой же эффект ослабления излучения, какой обеспечивает свинец, легок в изготовлении по сравнению с вольфрамом, не загрязняет окружающую среду и не представляет опасности для здоровья человека в отличие от свинца, обеспечивает снижение затрат на специальное лицензирование для использования. Указанный материал может быть использован в медицине для изготовления одежды для защиты от рентгеновского излучения, для обшивки стен помещения, где проводится радиологическое исследование. Так же может быть использован в качестве коллиматора. Материал на основе сэндвич-структуры может быть использован в широком диапазоне устройств, используемых в первую очередь в областях медицины, индустрии, ядерной энергетики и физики высоких энергий.
Предложенный сэндвич-материал может быть помещен в оболочку из прозрачного к излучению материала для удобства использования.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения, не являющихся ограничительными, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схематично материал для защиты от рентгеновского излучения, имеющий сэндвич-структуру, содержащую три слоя, согласно изобретению;
Фиг.2 изображает схематично материал для защиты от рентгеновского излучения, имеющий сэндвич-структуру, содержащую множество слоев, согласно второму варианту воплощения изобретения;
Фиг.3 изображает вариант выполнения, когда толщина слоя материала для приема ионизирующего излучения равна толщине слоя материала для поглощения фотонов, согласно изобретению;
Фиг.4 изображает вариант выполнения, когда слои материала для приема ионизирующего излучения материала, сцинтилляционного материала и материала для поглощения фотонов имеют различную толщину, согласно изобретению;
Фиг.5 изображает изделие для защиты от рентгеновского излучения медперсонала в виде фартука, защищающего оператора, при проведении рентгенологического обследования, согласно изобретению;
Фиг.6 изображает различные формы изделий для защиты от рентгеновского излучения в виде пластины, шара, цилиндра и параллелепипеда.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Согласно изобретению предложен многослойный материал для радиационной защиты, имеющий сэндвич-структуру.
В первом варианте воплощения многослойный материал 1 (Фиг.1) для радиационной защиты типа сэндвич-структуры содержит слой 2 сцинтилляционного материала, обеспечивающий при поглощении ионизирующего излучения γ преобразование указанной энергии ионизирующего излучения в множество фотонов сцинтилляции или фотонов низкой энергии на 1 МэВ поданной энергии ионизирующего излучения преимущественно рентгеновского и гамма-диапазона энергий и равномерное излучение фотонов низкой энергии во всех направлениях.
Материал 1 содержат также слой 3 для приема ионизирующего излучения γ, размещенный с одной стороны слоя 2 сцинтилляционного материала и предназначенный для частичного ослабления первоначального потока излучения и для поглощения фотонов низкой энергии из слоя 2 сцинтилляционного материала.
Материал 1 содержит также слой 4, предназначенный для поглощения фотонов низкой энергии из слоя 2 сцинтилляционного материала и размещенный на стороне слоя 2 сцинтилляционного материала, противоположной стороне, на которой размещен слой 3 материала для приема ионизирующего излучения, который также может вносить вклад в частичное ослабление падающего ионизирующего излучения.
Толщина слоя 3 материала для приема ионизирующего излучения меньше толщины слоя 2 сцинтилляционного материала и меньше или равна толщине слоя 4 материала для поглощения фотонов.
Во втором варианте воплощения изобретения многослойный материал 1 (Фиг.2) для радиационной защиты типа сэндвич-структуры содержит множество слоев 2, 2’ сцинтилляционного материала (на Фиг.2 показано два слоя), обеспечивающего при поглощении ионизирующего излучения γ преобразование указанной энергии ионизирующего излучения в множество фотонов сцинтилляции или фотонов низкой энергии на 1 МэВ поданной энергии ионизирующего излучения, и равномерное излучение фотонов низкой энергии во всех направлениях. Такой вариант возможен в случаях необходимости сокращения расходов использования сцинтиллирующего вещества при незначительном увеличении слоев металла.
Аналогично первому варианту выполнения материал 1 содержит также слой 3 материала для приема ионизирующего излучения, размещенный с одной стороны первого слоя из указанного множества слоев 2, 2’ сцинтилляционного материала и предназначенный для частичного ослабления первоначального потока и также для поглощения фотонов низкой энергии из прилегающего слоя 2 сцинтилляционного материала,
Материал 1 содержит также множество слоев 4, 4’ материала, предназначенного для частичного ослабления первоначального потока и также для поглощения фотонов низкой энергии из слоев 2, 2’ сцинтилляционного материала, по количеству слоев сцинтилляционного материала, и каждый слой 4, 4’ из указанного множества слоев размещен на стороне соответствующего слоя 2, 2’ сцинтилляционного материала, противоположной стороне, на которой размещен слой материала для приема ионизирующего излучения.
Толщина слоя 3 материала для приема ионизирующего излучения меньше толщины каждого из указанного множества слоев 2, 2’ сцинтилляционного материала и меньше или равна толщине слоя 4, 4’ материала для поглощения фотонов.
Толщина слоя 2 или 2, 2’ сцинтилляционного материала находится в пределах от 0,01 мм до 26 мм для энергии излучения меньшей или равной 0,511 МэВ для случаев, требующих 50%-го ослабления.
Все указанные слои 2, 3, 4 многослойного материала 1 могут быть спрессованы с образованием монолитного слоя, либо просто скреплены, также допускается нескрепление слоев материала между собой.
2
4
3
12
1.8
.2
5
Слой 2 или 2, 2’ сцинтилляционного материала сформирован из вещества, выбранного из группы, состоящей из NaI, CsI, LiI, ZnS, CdS, BaF, BGO (химическая формула BiGeO), LuYSiO:Ce.
Слой 3 материала для приема ионизирующего излучения сформирован из металла или сплава, выбранного из группы, состоящей из CU, AL, оксида алюминия, Fe, стали, W.
Каждый слой из множества слоев 4, 4’ материала, прилегающих к слоям 2, 2’ сцинтилляционного материала и предназначенных для поглощения фотонов низкой энергии, сформирован из металла или сплава, выбранного из группы, состоящей из CU, AL, оксида алюминия, Fe, стали, W.
Толщина слоя 3 материала для приема ионизирующего излучения γ находится в пределах от 0,01 мм до 5 мм (для железа Fe), при необходимости 50%-го ослабления излучения с энергиями до 0,511 МэВ. Для более высоких энергий и/или необходимости использования металла или сплава из упомянутой группы, толщина слоя будет изменяться в большую сторону.
Толщина каждого слоя 4, 4’ из множества слоев материала, прилегающего к слою сцинтилляционного материала и предназначенного для частичного ослабления первоначально потока излучения и поглощения фотонов низкой энергии, находится в пределах от 0,01 мм до 5 мм (для железа Fe при необходимости 50%-го ослабления излучения с энергиями до 0,511 МэВ). Для более высоких энергий и/или необходимости использования металла или сплава из упомянутой группы, толщина слоя будет изменяться в большую сторону. Слои 2, 2’ или 4, 4’ могут быть различной толщины (Фиг. 3 и 4).
Согласно изобретению предложено также изделие для радиационной защиты, содержащее многослойный материал типа сэндвич-структуры. На Фиг.5 показан фартук для медицинского персонала, проводящего рентгенологическое обследование, разделенный на множество ячеек, в каждую из которых помещают пластинку из многослойного материала, причем пластинки перекрывают друг друга, обеспечивая при этом гибкость фартука в целом.
Изделие может быть выполнено в форме пластины, шариков или параллелепипедов и может содержать герметизирующую оболочку, прозрачную для ионизирующего излучения.
Изделия могут использоваться для обшивки стен помещений, в которых проводится радиологическое обследование, или в промышленных технологических помещениях. При этом обеспечивается снижение веса изделий, по сравнению со свинцом и другими металлами и сплавами, исключается загрязнение окружающей среды и вредное влияние на здоровье людей, и удешевляется стоимость изделия и процесс изготовления.
Многослойный материал для радиационной защиты работает следующим образом.
Ионизирующее излучение γ проходит через слой 3, частично ослабляясь за счет обычных процессов ослабления (Фиг. 1), и попадает в слой 2 сцинтилляционного материала, который проявляет сцинтилляцию, когда на него падает ионизирующее излучение, ослабленное слоем 3. Слой 2 сцинтилляционного материала обеспечивает преобразование ионизирующего излучения в множество фотонов сцинтилляции или фотонов низкой энергии на 1 МэВ поданной энергии ионизирующего излучения для широкого диапазона рентгеновского и гамма-излучения, и равномерное излучение фотонов низкой энергии во всех направлениях. Фотоны низкой энергии передаются в слои 3 и 4 в качестве вторичного излучения и слои 3 и 4 поглощают переизлученные фотоны сцинтиллятора, а также частично влияют на ослабление первоначального потока гамма-квантов за счет обычных процессов взаимодействия γ-квантов с веществом слоев 2 и 4, т.е. фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электрон-позитронных пар.
Технология изготовления сцинтилляторов хорошо известна в технике. Однако, поскольку единственное применение сцинтилляторов, известное до сих пор, это ядерная физика, а именно детектирование частиц (томографические аппараты и т.д.), то для данного применения сцинтилляторы в основном изготавливают в виде сцинтилляционных матриц. Сцинтилляционные матрицы представляют собой линейный или двухмерный массив из множества сцинтилляционных пикселей, разделенных между собой оптически изолированными отражающими каналами. В зависимости от типа сцинтилляционного материала и его толщины активная область сцинтилляционных матриц может быть изготовлена от 5 мм до 200 мм при размере отдельного пикселя до 0,2 мм. В зависимости от применения и используемого сцинтиллятора можно изготавливать различные типы отражателей, расположенные между пикселями для минимизации перекрестных помех. Минимальные размеры пикселей сцинтилляционных матриц определяются главным образом механическими свойствами кристаллов, т.е. твердостью, плоскостью ориентации кристалла, простотой машинной обработки. В ядерной медицине сцинтилляционные матрицы могут применяться совместно с позиционно-чувствительными фотоэлектронными умножителями для изготовления детекторов. Очевидно, что в данном применении технологический процесс для производства сцинтилляционных матриц, обеспечивающий превосходный световой выход и отличную однородность между пикселями, представляет собой не только сложный, но и трудоемкий процесс, что несомненно отражается и на стоимости таких изделий. И если для применения в ядерной медицине подобное изготовление вполне оправдано, то для предлагаемого изобретения это не нужно. В предлагаемом изобретении предполагается использование любого типа изготовления сцинтилляторов, но без необходимости применения специальных матриц, увеличивающих стоимость и усложняющих процесс изготовления.
2
1.8
.2
5
4
3
12
4.
Ниже представлена сопоставительная Таблица, в которой приведены данные по толщине и весу материалов для защиты от гамма-излучения, необходимых для ослабления первоначального потока гамма-квантов 0,511 МэВ на 90%. Материалы, используемые до настоящего времени, включают свинец (Pb), вольфрам (W), железо (Fe), бетон. Согласно изобретению предложены для использования сцинтилляционные материалы, такие как NaI, CsI, BaF, LuYSiO:Ce, BGO (химическая формула BiGeO), CdWO
Таблица
Материалы
(Pb)
(W)
(Fe)
Бетон
NaI
CsI
BaF<sub>2</sub>
Lu<sub>1.8</sub>Y<sub>.2</sub>SiO<sub>5</sub>:Ce
BGO (Bi<sub>4</sub>Ge<sub>3</sub>O<sub>12</sub>)
CdWO<sub>4</sub>
Толщина, см
1,1
1,7
6
24
6,3
5
4,8
2,6
2,3
2,2
Вес, кг
212
192
472
564
237
230
234
187
166
176
D
2
1.8
.2
5
4
3
12
4
D
Экспериментальные данные для Pb, W, Fe и бетона получены с учетом дозового фактора B накопления. Экспериментальные данные для многослойного материала типа сэндвич-структуры, в которых в качестве сцинтилляционного материала использованы следующие материалы: NaI, CsI, BaF, LuYSiO:Ce, BGO (BiGeO) и CdWOполучены без учета дозового фактора B накопления. Указанные материалы ослабляют поток ионизирующего излучения 0,511 МэВ на 90%. Для образования сэндвич-структуры было использовано железо Fe, т.е. общая толщина сэндвич-структуры L состояла из толщины сцинтиллятора, и толщины двух слоев железа Fe по 0,6 мм с каждой стороны от сцинтиллятора. Вес указан для пластин метр × метр при указанной толщине L.