诊断X射线辐射防护中无铅屏蔽材料的质量衰减系数计算与性能比较研究

为解决传统铅防护材料的毒性、重量及成本问题，研究人员采用BEAMnrc模拟器对17种无铅屏蔽材料（含W-Sn、Bi2O3-Gd2O3等双/三金属复合材料）在1-120 keV能量范围内的质量衰减系数（μ/ρ）进行系统计算。结果表明，Bi2O3-Sn-Gd2O3在60-120 keV区间表现最优（μ/ρ达6.55-1.97 cm2/g），验证了无铅材料在医疗辐射防护中的替代潜力，为柔性防护装备开发提供关键数据支持。

　　

随着医疗影像技术的普及，铅防护材料的局限性日益凸显——其毒性威胁医护人员健康，重量增加操作负担，且刚性结构限制活动灵活性。尽管铅的辐射屏蔽性能优异，但全球范围内对无铅替代材料的研发需求迫切。特别是在诊断X射线（1-120 keV）能量区间，如何平衡防护效率、材料轻量化和穿戴舒适性，成为辐射防护领域的重大挑战。

为系统解决这一问题，亚苏医科大学的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表研究，通过蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟技术，对17种含钨（W）、铋（Bi）、锡（Sn）、钆（Gd）等元素的无铅复合材料进行性能评估。这些材料创新性地采用22%聚合物基质（PVC/DOTP）提升柔性，同时通过高Z元素组合维持防护效能。研究首次建立涵盖双金属（如W-Gd₂O₃）和三金属（如Bi₂O₃-Sn-Gd₂O₃）复合屏蔽材料的完整质量衰减系数数据库，为医疗防护装备设计提供科学依据。

关键技术方法包括：1）使用BEAMnrc模拟器构建诊断X射线能谱（900百万粒子，12小时/次模拟）；2）参照NIST标准验证铅的μ/ρ值（误差±4.2%）；3）通过SpekCalc软件交叉验证能谱准确性；4）基于对数变换公式计算μ/ρ值，所有材料统一2 mm厚度测试。

主要研究结果

1. 模型验证：BEAMnrc模拟的铅μ/ρ值与NIST数据库高度吻合，在40-120 keV区间差异<4.2%，证实方法可靠性。SpekCalc对比显示70-120 keV能谱匹配度达90%以上。

2. 材料性能排序：

   • 双金属材料中，W-Sn在40 keV时μ/ρ最高（12.49 cm²/g），W-Gd₂O₃在60 keV后显现优势（6.03 cm²/g）。
   • 三金属材料中，Bi₂O₃-Sn-Gd₂O₃综合表现最佳，在120 keV时μ/ρ达1.97 cm²/g，显著优于传统Bi₂O₃-BaSO₄（1.57 cm²/g）。

3. 能量依赖性：所有材料在40 keV时μ/ρ值最大（6.82-12.49 cm²/g），随能量升高呈指数下降，但在K吸收边（如Gd的50.2 keV）出现特征性突变。

4. 组分-性能关系：含Gd₂O₃的材料在中高能区（>60 keV）表现突出，而W-Sn组合在低能区更具优势；聚合物基质的引入使密度降低至2.886-3.414 g/cm³，较纯铅（11.34 g/cm³）大幅减重。

结论与意义
该研究首次系统评估了多元无铅屏蔽材料在诊断X射线能区的衰减特性，揭示Bi₂O₃-Sn-Gd₂O₃等三金属复合材料兼具高防护效率（接近铅的80%）和轻量化特性。通过建立精确的μ/ρ数据库，不仅解决了传统铅防护的环保与健康隐患，更为柔性防护服的材料选择提供量化标准。特别是对钆基材料的性能验证，为开发适用于CT等高能检查的新型防护装备指明方向。未来研究可进一步优化聚合物比例，在机械性能与辐射防护之间寻求最佳平衡点。