РЕНТГЕНОЗАЩИТНАЯ РЕЗИНА Российский патент 2003 года по МПК G21F1/10 

Изобретение относится к материалам для защиты от рентгеновского излучения и может быть использовано для изготовления средств защиты персонала и пациентов медицинских рентгеновских кабинетов, а также защитных устройств в медицинской рентгенотехнике.

Известна рентгенозащитная резина, включающая резиновую матрицу на основе синтетического или натурального каучука и металлосодержащий поглощающий наполнитель в виде дисперсного металлического свинца и его соединений [1]. Свинцовый наполнитель, с одной стороны, обеспечивает высокие защитные свойства этой резине, однако, с другой стороны, она имеет существенные недостатки, которые заключаются в том, что, во-первых, свинец из-за высокого содержания (до 90% по массе) и собственной большой плотности (11,34 г/см³) высыпается из резины, а из-за своей токсичности вредно действует на здоровье медперсонала и пациентов. Во-вторых, просвинцованная резина относительно недолговечна, она быстро стареет, растрескивается, значительно утрачивая рентгенозащитные свойства.

Известна рентгенозащитная резина [2] , в которой устранены недостатки вышерассмотренной резины [1]. Это достигается за счет того, что в качестве металлосодержащего поглощающего наполнителя используют высокодисперсный гидрофобный порошок полиэтилсиликоната свинца с пикнометрической плотностью ρ-1,0-1,2 г/см³ (напомним, у чистого свинца ρ-11,34 г/см³), хорошо совместимый с каучуками и являющийся одновременно пластификатором резинотехнической смеси. Недостатки этой резины заключаются в том, что во-первых, для поглощения вторичной флюорисцентной линии свинецсодержащих компонентов в области 75-80 КэВ при воздействии рентгеновского излучения с энергией выше 100 КэВ необходимо вводить дополнительную добавку, например, в виде барита (BaSO₄) - до 11,5% по массе. Во-вторых, при вулканизации листовой резины используют малопроизводительную энергоемкую технологию (вулканизацию проводят в прессе при удельном давлении 10 МПа и температуре -170^oС).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является материал для защиты от рентгеновского и гамма- излучения [4, прототип], включающий каучуковую матрицу и металлосодержащий поглощающий наполнитель в виде сложного окисла редкоземельных элементов (РЗМ).

По сравнению с [2] у резины-прототипа [4] устранен недостаток, касающийся вулканизации листовой резины. Так, при изготовлении резины-прототипа [4] матрицу в виде резиновой смеси предварительно формуют в листы на высокопроизводительном каландре, после чего полученные протяженные листы сворачивают в рулоны и помещают в автоклав, где и осуществляется вулканизация резины в атмосфере горячего воздуха. По сравнению с [2] у прототипа резко падает удельная энергоемкость вулканизации, а производительность многократно возрастает.

К недостаткам прототипа [4] следует отнести недостаточно высокий защитный эквивалент относительно фактической защитной толщины РЗЭ, что вынуждает увеличивать толщину используемых защитных средств и добавлять в качестве металлосодержащего поглощающего наполнителя (кроме РЗЭ) дефицитную и дорогостоящую окись висмута (22,8÷14,6% по массе).

В основу изобретения поставлена задача создания такой рентгенозащитной резины, у которой, благодаря выполнению сложного окисла РЗЭ в виде сегрегированной путем перемешивания полидисперсной смеси из частиц размером 10^-9-10^-3м, распределенных по объему резиновой матрицы, выполненной в виде каландрованных листов и зафиксированных в ней посредством автоклавной вулканизации, а защитный эквивалент рентгенозащитной резины при напряжениях на аноде рентгеновской трубки (40÷128) кВ и соответствующих им энергиям квантов рентгеновского излучения (27÷85) КэВ регламентирован соотношением Х_пр/Х_р= (2÷21), где Х_пр - приведенная защитная толщина РЗЭ в рентгенозащитной резине, а Х_р - фактическая защитная толщина РЗЭ в рентгенозащитной резине, обеспечиваются аномально высокие значения защитного эквивалента рентгенозащитной резины относительно фактической защитной толщины РЗЭ в ней, что в свою очередь, позволяет уменьшить толщины используемых защитных средств и исключить применение дефицитной и дорогостоящей окиси висмута (до 22,8% по массе), а за счет этого обеспечивается снижение себестоимости изготовления рентгенозащитной резины, повышение надежности защиты и комфортности условий работы персонала и условий рентгенодиагностики пациентов медицинских рентгеновских кабинетов.

Поставленная задача решается тем, что в рентгенозащитной резине, включающей каучуковую матрицу и металлосодержащий поглощающий наполнитель в виде сложного окисла РЗЭ, последний выполнен в виде сегрегированной путем перемешивания полидисперсной смеси из частиц размером 10^-9-10^-3 м, распределенных по объему резиновой матрицы, выполненной в виде каландрованных листов и зафиксированных в ней посредством автоклавной вулканизации, а защитный эквивалент ренттенозащитной резины при напряжениях на аноде рентгеновской трубки (40÷128)кВ и соответствующих им энергиям квантов рентгеновского излучения (27-85) КэВ регламентирован соотношением Х_пр/Х_р=(2÷21), где Х_пр - приведенная защитная толщина РЗЭ в рентгенозащитной резине, а Х_р - фактическая защитная толщина РЗЭ в рентгенозащитной резине.

Приведенные выше признаки, характеризующие предлагаемое изобретение, обладают существенной новизной по сравнению с прототипом [4].

В отличие от прототипа [4] существенные признаки, заключающиеся в выполнении сложного окисла РЗЭ в виде сегрегированной путем перемешивания полидисперсной смеси из частиц размером 10^-9-10^-3 м, распределенных по объему резиновой матрицы, выполненной в виде каландрованных листов и зафиксированных в ней посредством автоклавной вулканизации, обеспечивают у наполнителя в виде сложного окисла РЗЭ получение качественно нового эффекта - повышение сечения взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Благодаря этому достигается придание предлагаемой рентгенозащитной резине аномально высоких значений защитного эквивалента. В основе этого эффекта лежит открытие в области физики полидисперсных сред, зарегистрированное в Российской Академии естественных наук под названием "Явление аномального изменения интенсивности потока квантов проникающего излучения моно- и многоэлементными средами" (копия прилагается) [3].

Благодаря [3] установлено, что полидисперсные среды (в нашем случае сложный окисел РЗЭ с размерами частиц 10^-9-10^-3 м) при сегрегации путем их перемешивания самоорганизуются в энергетически взаимосвязанные рентгенопоглощающие ансамбли. Под сегрегацией полидисперсной смеси в данном случае понимают неравномерное (мозаичное) распределение частиц полидисперсной среды, вызываемое перемешиванием смеси вследствие самоорганизации частиц в систему энергетически взаимосвязанных ансамблей (мозаик), обеспечивающих аномально высокое увеличение сечения фотопоглощения, а значит и высокое значение защитного эквивалента.

При изготовлении предлагаемой рентгенозащитной резины предварительно сегрегированный полидисперсный порошок сложного окисла РЗЭ вводится в резиновую смесь и тщательно перемешивается с последней на валках, распределяясь в ее объеме. При этом энергетическая эффективность ансамблей в резиновой смеси (оставаясь еще достаточно высокой!) по сравнению с эффективностью ансамблей, которые образовались в процессе сегрегации непосредственно в полидисперсном порошке сложного окисла РЗЭ, уменьшается на один, а то и два порядка, а в процессе дальнейшего технологического воздействия эта эффективность очень часто вообще утрачивается. Применительно к нашему случаю энергетическая эффективность ансамблей будет утрачена, если, например, проводить вулканизацию резины, как это, например, предусмотрено в [2], т.е. в прессе под высоким давлением. При формировании же матрицы в виде резинового листа на каландре давление между валками действует не по площади (как в прессе), а по образующей (в реальных условиях это тонкая полоса) при полностью свободной остальной площади листа, куда при формовании листа могут мигрировать энергетические ансамбли без разрушения. В случае формования резиновых листов на каландрах имеет значение не величина давления (скажем, атмосферное давление или более высокое давление), а характер приложения давления (!). Поэтому в формуле изобретения на предлагаемую резину указано, что частицы сложного окисла РЗЭ должны быть распределены по объему резиновой матрицы, выполненной в виде каландрованных листов, т.е. в виде листов, сформованных именно на каландрах, на которых энергетические ансамбли (мозаичные структуры) распределяются по объему листа практически без разрушений. Далее свернутые в рулоны каландрованные листы помещают в автоклав и они вулканизируются в атмосфере горячего воздуха (без всякого механического воздействия, при котором могут разрушаться энергетические ансамбли). Более того, в этих условиях до момента завершения вулканизации, при которой неподвижно фиксируются (обездвиживаются) частички в ансамблях, идут процессы (подвижек частичек, т. е. процессы) регенерации ("залечивания") тех ансамблей, энергетическое положение частичек в которых было частично нарушено при каландровании.

При изготовлении резины-прототипа [4] резиновую смесь также формуют на каландре, а каландрованные листы подвергают вулканизации в автоклаве в атмосфере горячего воздуха. Однако при этом достигается лишь повышение производительности и снижение удельной энергоемкости процесса вулканизации.

Отличительные же признаки предлагаемого изобретения, касающиеся выполнения матрицы в виде каландрованных листов и автоклавной вулканизации, наряду с достижением эффектов, которые проявляются при использовании известной резины-прототипа [4], обеспечивают получение дополнительного, качественно нового эффекта, а именно при формовании матрицы в виде резинового листа обеспечивается миграция энергетических ансамблей (практически без их разрушения) в зону матрицы, свободную от непосредственного воздействия каландров, а также обеспечивают частичную регенерацию разрушенных ансамблей в процессе вулканизации резины. В результате указанные отличительные признаки обуславливают соответствие заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

Признак, касающийся регламентации величины защитного эквивалента и условий, при которых эта величина достигается, является новым по отношению к прототипу, т. к. указанный признак в последнем вообще отсутствует.

Известен признак [6], касающийся регламентации величины М - общей массы сегрегированной полидисперсной смеси из частиц с размерами 10^-9-10^-3 мм рентгенопоглощающего наполнителя: М=(0,05÷0,5)m, где m - эквивалентная масса материала рентгенопоглощающего наполнителя, равная по защитным свойствам массе М.

У аналога [6] указанное соотношение относится к регламентации свойства материала с полидисперным наполнителем, состоящим из частиц чистого металла (свинца, вольфрама, гафния, тантала и др.), который используется в конкретном рентгенопоглощающем материале. В случае же предлагаемого изобретения мы имеем дело с частичками не чистых металлов, а сложного окисла РЗЭ, для которого справедливость заявляемого соотношения Хдр/Хр=(2÷21) обусловлена для одного и того же образца рентгенозащитной резины заданными диапазонами напряжений на аноде рентгеновской трубки и соответствующими им энергиями квантов.

Наряду с этим применение сложного окисла РЗЭ по сравнению с чистым металлом обеспечивает получение еще одного качественно нового эффекта - более высокое качество рентгенозащитной резины, т. к. сложный окисел РЗЭ в отличие от применяемых чистых металлов обладает более высокой (лучшей) совместимостью с каучуком, т. к. его пикнометрическая плотность (в среднем около 6,65 г/см³) намного ниже, чем у свинца (11,3 г/см³), вольфрама (19,2 г/см³), гафния (13,1 г/см³), тантала (16,6 г/см³) и др. В то же время, благодаря получаемым аномально высоких значений защитных эквивалентов, рентгенозащитная резина с наполнителем в виде сложного окисла по функциональным свойствам не уступает резинам с чисто металлическими наполнителями.

Проведенный анализ показал, что существенные признаки предлагаемого изобретения по сравнению с рассмотренными аналогами обладают существенными отличиями.

Заявляемый материал изготавливается путем смешения расчетной смеси компонентов на вальцах или резиносмесителе. В смеситель вначале вводится каучук, затем вулканизирующий агент, после чего вводится предварительно сегрегированный путем перемешивания полидисперсный порошок сложного окисла РЗЭ. Полученную смесь смешивают до получения гомогенной матрицы, а затем формуют в виде листа на каландрах; лист рулонируют и помещают в автоклав, где осуществляется вулканизация резины в атмосфере горячего воздуха.

Предлагаемая рентгенозащитная резина по сравнению с прототипом обеспечивает снижение себестоимости изготовления, повышение надежности защиты и комфортности условий работы персонала и условий рентгенодиагностики пациентов медицинских рентгеновских кабинетов, позволяет расширить номенклатуру радиационнозащитных полимерных материалов.

Пример. В матрицу в виде сырой резины на основе синтетического каучука был введен рентгенопоглощающий наполнитель в виде предварительно сегрегированного путем перемешивания порошка полидисперсной смеси из частиц размером 10^-9-10^-3 сложного окисла РЗЭ в количестве 30% по массе. После получения на вальцах из указанной смеси гомогенной матрицы на лабораторном каландре была сформована листовая полоса толщиной 0,32 см по ТУ38-105455-72, из которой после вулканизации в автоклаве был вырезан образец размером (8•4) см. Масса образца составила - 34,4 г, а масса сложного окисла РЗЭ в нем - 11,1 г.

Полученный образец был подвергнут тестированию при следующих режимах: напряжение на аноде рентгеновской трубки U=128 кВ, энергия квантов рентгеновского излучения - Е=85 КэВ. Облучение образца осуществлялось широким пучком рентгеновского излучения. Время облучения 0,5 с.

В сложном окисле чистых РЗЭ присутствует в среднем 81,4%, что в образце при массе сложного окисла, равной 11,1 г, составляет 11,1•0,814=9,04 г. Тогда поверхностная плотность при размерах образца (8•4) см составляет 9,04/32= 0,28 г/см², а средняя пикнометрическая плотность РЗЭ при химическом составе сложного окисла (CeOs - 52%; LaO₂ - 23%; NdO₂ - 19%; РrO₂ - 5%; мех. примеси - 1%) составляет 0,814•(6,789-52+6,18•23+6,908•19+6,475•5): 99= 0,814•6,65=5,4 г/см³.

В результате фактическая защитная толщина РЗЭ в предлагаемой резине составляет Х_р=0,28/5,4=0,052 см.

Рентгенографический контроль с последующим сравнением со ступенчатым свинцовым ослабителем показал, что полученный образец резины имеет защитный свинцовый эквивалент Х_р=0,05 см (при плотности свинца, равной 11,34 г/см³ и линейном коэффициенте ослабления при энергии 85 КэВ, равном 14,7 см^-1). Соответствующая этому защитному свинцовому эквиваленту приведенная защитная толщина РЗЭ составит Х_пр=0,05•11,34/5,4=0,105 [8, с.479-481].

Таким образом, защитный эквивалент предлагаемой резины при данных режимах тестирования (U=128 кВ и Е=85 КэВ) относительно фактической защитной толщины РЗЭ в ней (Х_р=0,052 см) составляет Х_пр/Х_р=0,105/0,052=2,0.

Затем тот же образец был подвергнут тестированию при следующих режимах: напряжение на аноде рентгеновской трубки - 40 кВ, энергия квантов рентгеновского излучения - 27 КэВ. Облучение аналогично осуществлялось широким пучком рентгеновского излучения в течение 0,5 с.

Рентгенографический контроль с последующим сравнением со ступенчатым свинцовым ослабителем показал, что тот же образец резины при данных условиях тестирования имеет защитный свинцовый эквивалент Х_р=0,51 см.

Соответствующая этому защитному свинцовому эквиваленту приведенная защитная толщина РЗЭ составляет 0,51•11,34/5,4=1,07 см.

Таким образом, защитный эквивалент предлагаемой резины при данных режимах тестирования (U=40 кВ и Е=27 КэВ) относительно той же фактической защитной толщины РЗЭ в ней составляет
К=Х_пр/Х_р=1,07/0,052=20,6≈21.

Таким образом, при различных режимах облучения один и тот же образец рентгенозащитной резины согласно изобретению имеет аномально высокие величины защитного эквивалента по отношению к одной и той же фактической защитной толщине РЗЭ в этой же резине.

Источники информации
1. Рентгенотехника. Справочник в 2-х томах под ред. проф. В.В. Клюева. - М.: "Машиностроение", 1980, т.1, с.59.

2. RU 2077745 G 21 F 1/10, 20.04.97. Б. 11.

3. Открытие "Явление аномального изменения интенсивности потока квантов проникающего излучения моно- и многоэлементными средами". Диплом 57, Бюллетень государственного ВАК РФ, М., 3, 1998, c.61.

4. RU 2066491, G 21 F 1/10, 10.09.96 Б. 25 (прототип).

5. RU 2029399, G 21 F 1/00, 20.02.92. Б. 5.

6. RU 2121177, G 21 F 1/00, 3009.97.

7. Румянцев С. В. Радиационная дефектоскопия. - М.: Атомиздат, 1968, с. 526, таблица 20.

8. Неразрушающие испытания (справочник) под ред. Р.Мак-Мастера, М.-Л.: Энергия, 1965. 504.с.

Изобретение относится к материалам для защиты от рентгеновского излучения и может быть использовано для изготовления средств защиты персонала и пациентов медицинских рентгеновских кабинетов, а также защитных устройств в медицинской рентгенотехнике. Технический результат: обеспечение аномально высоких значений защитного эквивалента рентгенозащитной резины относительно фактической защитной толщины РЗЭ в ней в широком диапазоне напряжений на аноде рентгеновской трубки и соответствующих им энергий квантов излучения и, следовательно, уменьшения толщины используемых защитных средств и повышение надежности защиты персонала и пациентов медицинских рентгеновских кабинетов. Сущность изобретения: рентгенозащитная резина включает каучуковую матрицу, наполненную предварительно сегрегированной путем перемешивания полидисперсной смесью сложного окисла редкоземельных элементов (РЗЭ) с размерами частиц 10^-9-10^-3 м, распределенных по объему матрицы. Матрица выполнена в виде каландрованных листов. Листы зафиксированы в ней посредством автоклавной вулканизации. При этом защитный эквивалент рентгенозащитной резины относительно фактической защитной толщины РЗЭ в ней в диапазоне напряжений на аноде рентгеновской трубки (40-128) кВ и соответствующих им энергий квантов рентгеновского излучения (27-85) кэВ регламентирован соотношением Х_пр/Х_р=(2-21), где Х_пр - приведенная защитная толщина РЗЭ в рентгенозащитной резине, а Х - фактическая защитная толщина РЗЭ той же резине.

Рентгенозащитная резина, включающая каучуковую матрицу и металлосодержащий поглощающий наполнитель в виде сложного окисла редкоземельных элементов, отличающийся тем, что сложный окисел редкоземельных элементов выполнен в виде сегрегированной путем перемешивания полидисперсной смеси из частиц размером 10^-9-10^-3 м, распределенных по объему матрицы, выполненной в виде каландрованных листов, и зафиксированных в ней посредством автоклавной вулканизации, а защитный эквивалент рентгенозащитной резины относительно фактической защитной толщины редкоземельных элементов в ней при напряжениях на аноде рентгеновской трубки (40-128) кВ и соответствующих им энергий квантов рентгеновского излучения (27-85) КэВ регламентирован соотношением Х_пр/Х_р= (2-21), где Х_пр - приведенная защитная толщина редкоземельных элементов в рентгенозащитной резине, а Х_р - фактическая защитная толщина редкоземельных элементов в рентгенозащитной резине.