基于蒙特卡洛模拟的医用聚合物中β辐射屏蔽效果的定量评估

《Radiation Measurements》：Quantitative assessment of beta radiation shielding in medical polymers based on Monte Carlo simulations

本研究通过蒙特卡洛模拟（MCNP6.2）系统评估了PS、PET、PVC、PVDC和PVT五种医疗级聚合物对7种β发射同位素（能量范围5.7keV-2.28MeV）的衰减性能，发现卤素聚合物（PVC/PVDC）因高密度和强电子散射效应表现出最佳衰减特性（HAT值低至1.4×10^-7m），而烃类聚合物（PS/PVT）衰减较弱，PET居中。研究建立了聚合物化学成分与衰减行为的强相关性，为辐射屏蔽材料设计提供了量化依据。

　　

Kevser H???ro?lu Ayar|?zgür Ak?al?|Ozan Toker|Orhan ??elli

土耳其伊斯坦布尔Yildiz技术大学文理学院物理系，邮编34220

摘要

聚合物材料的辐射阻力和杀菌性能在医疗和制药技术中至关重要。本研究利用蒙特卡洛（MCNP6.2）模拟方法，对五种医用级聚合物（PS、PET、PVC、PVDC和PVT）中的β粒子衰减进行了定量评估。研究考虑了七种β发射同位素（³H、⁶³Ni、¹⁴C、¹⁴⁷Pm、⁹⁹Tc、⁹⁰Sr和⁹⁰Y），覆盖了5.7 keV至2.28 MeV的能量范围。通过对数回归（R² > 0.99）描述了透射厚度关系，并将半吸收厚度（HAT）作为屏蔽性能的紧凑指标进行评估。研究结果表明，聚合物的化学成分与其衰减行为之间存在密切关联。含卤素聚合物（PVC和PVDC）在中高能量下表现出最低的HAT值和最强的衰减能力，而基于碳氢化合物的PS和PVT则具有较高的透射率及较低的能量吸收能力。PET表现出中等性能，既具有较好的透明度，又具备一定的衰减能力。HAT值跨越了两个数量级，从低能量³H的约1.4 × 10^-7 m到高能量⁹⁰Y的约9.2 × 10^-5 m，这突显了β能量的显著影响。这些发现为选择和设计用于辐射环境的医疗组件、放射性药物包装或杀菌系统的聚合物屏蔽层提供了定量指导。

引言

β辐射由放射性衰变过程中释放的高能电子组成，在医疗技术中得到广泛应用，包括杀菌系统、放射性药物包装以及辐射暴露的诊断或治疗设备（Bertinetti等人，2024年；Hamza等人，2025年）。由于聚合物具有机械柔韧性、化学稳定性、低密度和易于加工等优点，因此在这些系统中被广泛使用（Bijanu等人，2021年；Houriet等人，2025年；More等人，2021年；Nambiar和Yeow，2012年；Toto等人，2024年）。传统的医用级聚合物，如聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氯乙烯（PVDC）和聚对乙烯基甲苯（PVT），在辐射辅助医疗系统中得到广泛应用（Kanaan等人，2021年；Mohanty等人，2022年）。PS和PVT常用于辐射探测器及剂量测量仪器中的光学元件（Yan等人，2025年；Yasmint等人，2025年）。PVC常用于医疗管材、血袋和柔性设备外壳，而PET和PVDC则作为保护膜、包装封装层及放射性药物容器（Ranjan，2021年；Satchanska等人，2024年）。

最近的研究通过蒙特卡洛建模和实验辐照表明，γ射线、X射线和电子束杀菌方法产生的剂量分布相似，并且对常见医用聚合物造成的结构变化较小（Bian等人，2025年；Hasan等人，2024年；Kroc，2023年）。此外，Sharifi等人（2021年）研究了医用级PMMA在25和50 kGy电子束杀菌下的物理化学和生物响应，发现其结构和光学性能几乎没有退化，生物相容性得以保持。同时，多项研究还探讨了聚合物材料对电离辐射的结构和光学响应，包括辐照后的聚合物网络（Azevedo等人，2025年）、聚合物-基体复合材料（Sayyed等人，2021年），以及聚合物和半导体系统中的辐射诱导的光学或电子变化（Alawaideh等人，2024年；Kaky等人，2024a；Sayyed等人，2024年）。先前的蒙特卡洛分析表明，聚合物中的辐照效应受电子散射、深度能量沉积和组成依赖的衰减等因素共同影响，这直接推动了本研究中采用的多同位素、厚度分辨模拟策略（Kaky等人，2024b）。

文献中广泛研究了聚合物材料对γ射线和中子辐射的衰减特性。此外，一些高Z值无机系统也表现出优异的光子屏蔽性能，例如Na₂CO₃改性的CRT玻璃（Al-Buriahi等人，2024年）、AlSN–Zr玻璃系统（Alrowaili和Al-Buriahi，2025年）、含有CaO和CaF₂的硅酸盐玻璃（Al-Buriahi等人，2024年）、Bi₂O₃掺杂的硼酸盐玻璃（Al-Buriahi，2023年）、蒙特卡洛评估的钡锌铝硼硅酸盐玻璃（Khattari和Al-Buriahi，2022年），以及含Pb的陶瓷复合材料（如Al₂O₃–B₂O₃–ZnO–PbO（Al-Buriahi等人，2025年）。Zeng等人（2023年）研究了基于聚合物的辐射屏蔽复合材料的最新进展，指出高Z值陶瓷填料（如Bi₂O₃、BaTiO₃和WO₃）通过增加密度和有效原子序数显著提升了γ射线衰减能力。Akman等人（2020年）通过实验验证，添加BaTiO₃和CaWO₄的聚合物复合材料显著提升了γ射线屏蔽性能，证实了高Z值添加剂的贡献。Al-Buriahi等人发现，PET、聚苯乙烯和聚碳酸酯等商用聚合物在γ射线和中子辐照下表现出良好的屏蔽效果，衰减性能主要受原子组成和密度控制，而非几何厚度（Al-Buriahi等人，2021年）。Hiremath等人证明了高Z值掺杂的PVA聚合物在多重屏蔽方面的有效性，能够有效阻挡γ射线、中子和带电粒子（Hiremath等人，2023年）。Mansouri评估了28种常见聚合物在80–120 keV光子能量下的性能，量化了μ、μ_m、HVL、TVL、MFP和Z_eff等参数，发现其在X射线衰减方面表现优异（Mansouri，2025年）。Aliyu等人研究了多层聚合物-陶瓷复合材料，这种材料结合了聚合物的低重量和可加工性与陶瓷的高密度特性，从而提升了对β射线和γ射线的屏蔽效果（Aliyu等人，2026年）。尽管本研究关注的是块状聚合物板，但辐射屏蔽效率不仅受宏观尺度吸收的影响，纳米尺度上的能量转换和散射过程也会影响β粒子的相互作用，尤其是在薄膜配置中。针对β伏特器件的涂层研究显示，纳米级的CdTe和SiO₂层具有显著的衰减效果；此外，这些研究还揭示了β粒子吸收与电荷收集效率之间的相关性（Daruich de Souza等人，2022年；del Sordo等人，2009年；Xie等人，2022年）。然而，尽管对光子和中子相互作用进行了大量研究，传统医用聚合物的β粒子衰减行为仍缺乏系统性的多同位素蒙特卡洛研究，也未有基于HAT等定量指标的研究报告。

H???ro?lu等人（2026年）的最新研究对比分析了3D打印聚合物和透明保护层对β辐射的屏蔽效果（H???ro?lu等人，2026a，2026b）。他们引入了半吸收厚度（HAT）这一新指标，用于指定吸收50%入射β射线所需的材料厚度，并开发了高精度的对数回归模型（R² > 0.99）来量化屏蔽性能。尽管这种方法为评估聚合物提供了有力工具，但关于传统医用聚合物（PS、PET、PVC、PVDC和PVT）的β衰减特性的系统研究在文献中尚缺乏。这些数据的缺失限制了我们对广泛应用于医疗和放射性药物系统的材料β屏蔽行为的理解。

本研究通过系统性的蒙特卡洛评估（MCNP6.2）量化了五种常用医用级聚合物在七种β发射同位素作用下的β粒子衰减情况，这些同位素的能量范围从低到高。研究获得了高精度的厚度-透射关系（R² > 0.99），并得出了关键的衰减参数，包括透射比和半吸收厚度（HAT）。此外，明确了化学成分对衰减的影响，区分了含卤素聚合物的优异屏蔽性能与基于碳氢化合物的材料的较高透射率。这些发现阐明了聚合物组成在β衰减中的作用，为选择和设计用于辐射环境的医疗和制药系统的聚合物材料提供了定量依据。

材料与方法

本研究调查了五种医用级聚合物（PS、PET、PVC、PVDC和PVT）的β射线屏蔽性能。使用MCNP6.2进行β粒子传输模拟，考虑了七种β发射同位素：氚（³H）、镍-63（⁶³Ni）、碳-14（¹⁴C）、钷-147（¹⁴⁷Pm）、锝-99（⁹⁹Tc）、锶-90（⁹⁰Sr）和钇-90（⁹⁰Y）。这些同位素的能量范围覆盖了5.7 keV至2.28 MeV。连续的β射线谱数据以ENDF-6格式获取

结果与讨论

表1总结了所研究聚合物的物理特性，包括其化学成分和密度。在所选材料中，PVDC的密度最高（1.63 g cm^-3），这得益于其较高的氯含量，从而增强了电子-物质的相互作用，进而提高了衰减能力。相比之下，PVT和PS的密度最低（1.03–1.06 g cm^-3）。PET和PVC的密度处于中间范围

结论

本研究对五种具有医疗和工业意义的聚合物（PS、PET、PVC、PVDC和PVT）在七种β发射同位素作用下的β射线传输进行了系统性的蒙特卡洛分析，这些同位素的能量范围较广。模拟结果表明，β射线的传输能力强烈依赖于电子能量，主要受聚合物组成和密度的影响。含卤素聚合物（PVC和PVDC）在中高能量下表现出最高的衰减能力

作者贡献声明

Kevser H???ro?lu Ayar：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。?zgür Ak?al?：数据可视化、验证、数据分析、概念构思。Ozan Toker：方法论设计、数据分析、概念构思。Orhan ??elli：撰写与编辑、验证、项目监督、方法论实施。

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