X 射线防护材料铅当量的试验和分析

1 辽宁省医疗器械检验检测院 （辽宁 沈阳 110171）

2 沈阳工业大学生物医学工程专业 （辽宁 沈阳 110870）

内容提要： 铅当量是X射线防护产品最重要的性能指标，铅当量的大小决定着X射线防护产品屏蔽X射线的能力。通过对三种常用X射线防护材料铅当量的测量，分析每种材料的铅当量随X射线管电压升高的变化规律，来说明X射线防护产品在标出铅当量的同时应标明X射线管电压的重要性。

在医用X射线放射诊断和治疗工作中，为减少患者和医务工作人员受到射线伤害，根据不同的防护目的，常采用不同材质和厚度的X射线防护材料，如铅橡胶衣、铅玻璃眼镜、以及不同品种的无铅材料防护产品。评价和应用这些防护材料时，用铅当量表示的产品防护性能成为最重要的指标。

所谓铅当量，是以铅作为比较标准。当某种防护材料与某一厚度的铅达到相同的屏蔽效果时，把此时的铅厚度称之为该防护材料的铅当量，通常以毫米铅（mmPb）表示。在防护产品铅当量检测中发现，同一产品的铅当量随着试验管电压的变化而不同。选取铅橡胶、无铅橡胶和铅玻璃三种防护材料作为研究对象，发现铅橡胶和铅玻璃的铅当量随着试验管电压的升高而变化不大，而无铅橡胶的铅当量随着试验管电压的升高，呈现先升高后下降的较为明显的抛物线变化。因此在防护产品标出铅当量的同时，应注明X射线管电压。

1.不同防护材料铅当量的测量

X射线防护材料铅当量的测量参照YY 0292.1-1997《医用诊断X射线辐射防护器具 第1部分 材料衰减性能的测定》中的方法进行。固定试验管电流和试验加载时间为100mA和100ms，分别测量60～150kV试验管电压下铅橡胶、无铅橡胶和铅玻璃三种防护材料的铅当量，以研究射线能量对铅当量值的影响。

1.1 测量条件

本次试验使用定期校准的医用X射线摄片装置，以及按照YY 0292.1-1997中“图2窄射束的几何图形”设计制作的光阑工装作为测试基础设备，完成管电压从60kV～150kV可调，调节步长为10kV，共10能量点的窄射束铅当量测试。此外，在测试过程中使用数字式剂量仪记录每次曝光的得到的剂量值，使用不同厚度的铜片作为不同管电压下的附加衰减，以及必不可少的铅片作比对。

1.2 测量方法

根据现行YY 0292.1-1997《医用诊断X射线辐射防护器具 第1部分 材料衰减性能的测定》标准，完成对防护材料铅当量的测试。为了减少在测试中X射线散射线对测试结果的影响，通过限束器和光阑形成窄射束，如图1所示。

a与c之间的距离为1500mm，b与c之间的距离为200mm。分别在测量几何条件不变的情况下将被测的防护材料和标准铅片放置于c的位置，由d位置上的剂量仪表读数。b位置上的光阑是为了减少散射线对测量结果的影响。

图1. X射线通过限束器和光阑形成窄射束（1a.球管和限束器；1b.光阑；1c.被测防护材料或者铅片；1d.剂量记录仪表）

首先，测量X射线穿透标准铅片衰减后得到的剂量值。从0.1mmPb增加到1.0mmPb，调节步长为0.1mmPb，每档曝光3次，记录3个剂量值，取平均数。然后换将防护材料放在c的位置上，选择3个具有代表性的点，每个点曝光3次，取平均数，并在3个平均数中选择最大值，因为剂量表读取到的数值越大，说明防护材料衰减的能力越薄弱，选择最不利的点来最严厉的衡量防护材料的衰减性能。最后，查看防护材料的剂量值最接近夹在哪两个标准铅片厚度的剂量值之间，通过模拟线性插值法，计算出防护材料的铅当量。

2.铅当量测量结果与分析评价

2.1 测量结果

在60～150kV管电压范围内，每隔10kV测得标准铅片和3种防护材料的剂量值，观察随X射线管电压变化的铅当量值，如图2所示。

从图2的结果中可以发现，检测的防护材料可以大致分为两类。一类是在60～150kV管电压范围内铅当量值随X射线管电压变化不大的含铅防护材料，即铅橡胶和铅玻璃；另一类是随X射线管电压变化较大的无铅防护材料，即无铅橡胶。同时可以发现，无论是含铅防护材料还是无铅防护材料，铅当量在90～110kV时达到最大值，而X射线低电压和高电压端的铅当量呈现下降趋势，无铅防护材料尤为明显。

2.2 结果分析

改变X射线管电压的本质是改变X射线光子的能量。在X射线束总滤过不变的情况下，增加管电压值，即是增加X射线谱的高端能量光子成份，从而使得X射线谱的光子平均量向高端能量区移动。

图2. 3种防护材料随X射线管电压变化的铅当量值

当X射线穿透物质时，其衰减率的大小主要取决于物质的衰减系数μ和物质的厚度d。通常计算公式为A/A0=Be-μd，其中B是累积系数，是物质衰减的宽射束中的空气比释动能率与校正后的衰减的窄射束中的空气比释动能率的比值，一般约等于1。对于高纯度标准铅片，衰减系数μ只是与光子能量有关的值；而对于防护材料来说，衰减系数μ是由组成防护材料的多种物质共同决定，即μ=μ1+μ2+μ3+……+μn。由此可见，对于高纯度标准铅片，其衰减系数可表示为μ=μpb，而对于含铅类防护材料，它的衰减系数可以表示为μ=μpb+∑μn。∑μn为材料中除铅成分外，其他全部组成成分衰减系数的总和。因此，含铅量高的防护材料的铅当量，随X射线管电压的变化与标准铅片基本一致。其一致程度取决于其他组成成分在防护性能中作用的大小。

对于无铅防护材料，物质组成的衰减系数中没有铅成分的贡献，即μ=∑μn，因此这类防护材料铅当量随X射线管电压的变化主要取决于本身衰减系数与纯铅的衰减系数之比随光子能量的变化。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，更难预测铅当量随X射线管电压的变化关系。而且经验证，除铅以外的其他材料，在X射线防护性能上相对不稳定，才会出现随X射线管电压的变化而出现较大变化的情况。

3.小结

本文检测的防护材料分为两类。在60～150kV X射线管电压范围内，一类是铅当量值变化不大的铅橡胶和铅玻璃，另一类是铅当量值变化较大的无铅橡胶。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，所以防护材料铅当量值随X射线管电压的变化，取决于防护材料是否含铅以及其他组成成分在屏蔽X射线中所起到的作用。在X射线防护材料中，铅的含量和作用越大，铅当量随X射线管电压变化越小；反之，其他成分越多的防护材料，铅当量随X射线管电压变化越大。因此，X射线防护产品在标识出防护性能铅当量值的同时，还应标明X射线管电压。