JP2001208891A - 積層軽量放射線遮蔽材 - Google Patents
積層軽量放射線遮蔽材Info
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- G21F1/12—Laminated shielding materials
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- G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
- G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
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- G21F1/103—Dispersions in organic carriers
- G21F1/106—Dispersions in organic carriers metallic dispersions
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 軌道に乗って回っている宇宙船の宇宙船用部
材のための電子及び陽子放射線に対して放射線遮蔽を与
える積層材若しくは構造体である。 【解決手段】 積層材若しくは構造体は、３枚の薄板層
を有する。第１層は、選択的に電子及び陽子放射線を減
じる小なるZ/A（原子番号／原子量）比を有する１つ以
上の材料からなる。但し、これらは、その過程で制動放
射線を生成し得る。第２層は、選択的に制動放射線を減
じる大なるZ2/A（原子番号の二乗／原子量）比を有する
１つ以上の材料からなる。但し、かかる材料は、その過
程で光電子を生成し得る。第３層は、第１及び第２層を
通過する電子及び陽子とともに、光電子を減じる比率が
前記第２層から発した小なるZ/A（原子番号／原子量）
を有する１つ以上の材料からなる。
材のための電子及び陽子放射線に対して放射線遮蔽を与
える積層材若しくは構造体である。 【解決手段】 積層材若しくは構造体は、３枚の薄板層
を有する。第１層は、選択的に電子及び陽子放射線を減
じる小なるZ/A（原子番号／原子量）比を有する１つ以
上の材料からなる。但し、これらは、その過程で制動放
射線を生成し得る。第２層は、選択的に制動放射線を減
じる大なるZ2/A（原子番号の二乗／原子量）比を有する
１つ以上の材料からなる。但し、かかる材料は、その過
程で光電子を生成し得る。第３層は、第１及び第２層を
通過する電子及び陽子とともに、光電子を減じる比率が
前記第２層から発した小なるZ/A（原子番号／原子量）
を有する１つ以上の材料からなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、放射線遮蔽材に
関し、特に、改良された積層軽量放射線遮蔽材に関す
る。
関し、特に、改良された積層軽量放射線遮蔽材に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】電子エンクロージャをシールドするため
に一般的に行われている従来の解決方法は、典型的には
アルミニウムからなる壁の厚さを、必要とされる遮蔽能
力に応じて増加させることである。フィジカル・サイエ
ンス社（Physical Sciences Inc.）及びコンポジット・
オプティクス社（Composite Optics Inc.）は、積層軽
量遮蔽材の試作品を製造している。また、遮蔽材料が米
国特許第5,324,952号及び米国特許第4,833,334号におい
て開示されている。米国特許第5,324,952号は、中性子
線からシールドするための遮蔽材について開示してい
る。一方で、米国特許第4,833,334号では、Ｘ線からシ
ールドするための遮蔽材を開示している。しかしなが
ら、いずれの特許も、特に本発明に関連していない。
に一般的に行われている従来の解決方法は、典型的には
アルミニウムからなる壁の厚さを、必要とされる遮蔽能
力に応じて増加させることである。フィジカル・サイエ
ンス社（Physical Sciences Inc.）及びコンポジット・
オプティクス社（Composite Optics Inc.）は、積層軽
量遮蔽材の試作品を製造している。また、遮蔽材料が米
国特許第5,324,952号及び米国特許第4,833,334号におい
て開示されている。米国特許第5,324,952号は、中性子
線からシールドするための遮蔽材について開示してい
る。一方で、米国特許第4,833,334号では、Ｘ線からシ
ールドするための遮蔽材を開示している。しかしなが
ら、いずれの特許も、特に本発明に関連していない。
【０００３】スフィエス（B.D.Spieth）等による1998年
12月に発表された論文「コンポジット構造体の背面にお
ける電子線シールド(Shilding Electronics Behind Com
posite Structures)」では、多様な人工衛星軌道での放
射線遮蔽において、中央層としてのタンタルを含む３層
構造体について言及している。スフィエス等の論文で
は、金属からなる中央層の使用と地球静止軌道での遮蔽
について開示している。かかる論文では、３層多層構造
体の効果として、反りを最小限にすることをも示唆して
いる。この論文では、遮蔽効果を最適化するための材料
の選択（例えば、ポリマー外側層若しくは大きい原子番
号／低弾性中心層）については、何らの開示若しくは示
唆もしていないのである。かかる論文では、外側層と金
属中央層との間における熱膨張の不整合によって積層体
が剥離する危険性を最小限にすることについて何らの開
示若しくは示唆もしていないのである。
12月に発表された論文「コンポジット構造体の背面にお
ける電子線シールド(Shilding Electronics Behind Com
posite Structures)」では、多様な人工衛星軌道での放
射線遮蔽において、中央層としてのタンタルを含む３層
構造体について言及している。スフィエス等の論文で
は、金属からなる中央層の使用と地球静止軌道での遮蔽
について開示している。かかる論文では、３層多層構造
体の効果として、反りを最小限にすることをも示唆して
いる。この論文では、遮蔽効果を最適化するための材料
の選択（例えば、ポリマー外側層若しくは大きい原子番
号／低弾性中心層）については、何らの開示若しくは示
唆もしていないのである。かかる論文では、外側層と金
属中央層との間における熱膨張の不整合によって積層体
が剥離する危険性を最小限にすることについて何らの開
示若しくは示唆もしていないのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、例えば、
宇宙環境において使用されるが如き場合、従来の材料の
限界を越えて、大幅な質量の低減及び／若しくは信頼性
の向上を与える積層軽量放射線遮蔽材が望まれている。
宇宙環境において使用されるが如き場合、従来の材料の
限界を越えて、大幅な質量の低減及び／若しくは信頼性
の向上を与える積層軽量放射線遮蔽材が望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、電子及び陽子
放射線に対して軌道上にある宇宙船用部材に放射線遮蔽
を与える積層材若しくは多層構造体を提供する。本発明
の受託人によって現在使用されている材料と比較して、
本発明による積層材は、大幅に減じられた質量であって
も、軌道上での宇宙船用部材として、電子及び陽子放射
線に対して等価の放射線遮蔽を与える。あるいは、本発
明による積層材は、等価の質量であれば、大幅に増加し
た放射線遮蔽を与えるように構成され得る。
放射線に対して軌道上にある宇宙船用部材に放射線遮蔽
を与える積層材若しくは多層構造体を提供する。本発明
の受託人によって現在使用されている材料と比較して、
本発明による積層材は、大幅に減じられた質量であって
も、軌道上での宇宙船用部材として、電子及び陽子放射
線に対して等価の放射線遮蔽を与える。あるいは、本発
明による積層材は、等価の質量であれば、大幅に増加し
た放射線遮蔽を与えるように構成され得る。
【０００６】本発明による積層材若しくは構造体は、３
つの薄板層からなる。第１層は、選択的に電子及び陽子
放射線を減じる低Z/A（原子番号／原子量）比を有する
１つ以上の材料からなる。但し、これらは、その過程に
おいて制動放射線を生成し得る。第２層は、選択的に制
動放射線を減じる高Z2/A（原子番号の２乗/原子量）比
を有する１つ以上の材料からなる。但し、これらはその
過程で光電子を生成し得る。第３層は、第１及び第２層
を通過する電子及び陽子とともに第２層から発せられた
光電子を減じる低Z/A（原子番号/原子量）比を有する１
つ以上の材料からなる。
つの薄板層からなる。第１層は、選択的に電子及び陽子
放射線を減じる低Z/A（原子番号／原子量）比を有する
１つ以上の材料からなる。但し、これらは、その過程に
おいて制動放射線を生成し得る。第２層は、選択的に制
動放射線を減じる高Z2/A（原子番号の２乗/原子量）比
を有する１つ以上の材料からなる。但し、これらはその
過程で光電子を生成し得る。第３層は、第１及び第２層
を通過する電子及び陽子とともに第２層から発せられた
光電子を減じる低Z/A（原子番号/原子量）比を有する１
つ以上の材料からなる。
【０００７】本発明の特徴的な積層構造は、電子線、陽
子線及び二次的に生成された放射線を順次、減じる。本
発明は、遮蔽を最大としつつ且つ単位質量あたりの遮蔽
効果の最適比率範囲を与える一方で、質量を最小にす
る。積層材の設計は、層間の熱膨張の不整合効果を考慮
に入れており、故に、層間剥離及び反りの危険性を最小
限に低減している。また、本発明は、一般的に利用でき
る材料を使用している。
子線及び二次的に生成された放射線を順次、減じる。本
発明は、遮蔽を最大としつつ且つ単位質量あたりの遮蔽
効果の最適比率範囲を与える一方で、質量を最小にす
る。積層材の設計は、層間の熱膨張の不整合効果を考慮
に入れており、故に、層間剥離及び反りの危険性を最小
限に低減している。また、本発明は、一般的に利用でき
る材料を使用している。
【０００８】また、本発明は、例えば、アルミニウムよ
りも質量において小さい。本発明は、例えば、バックグ
ラウンドとしての物理化学的な設計の如き、材料につい
ての特別な公式を必要としない。本発明は、最大効果を
得るために中央に大なる原子番号の材料を使用する。本
発明は、例えば、バックグラウンドとしての複合材料設
計とは異なり、反りを最小にするために、好ましくは対
称形である設計を使用している。
りも質量において小さい。本発明は、例えば、バックグ
ラウンドとしての物理化学的な設計の如き、材料につい
ての特別な公式を必要としない。本発明は、最大効果を
得るために中央に大なる原子番号の材料を使用する。本
発明は、例えば、バックグラウンドとしての複合材料設
計とは異なり、反りを最小にするために、好ましくは対
称形である設計を使用している。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の多様な特徴及び効果は、
添付図面において構造上の要素を指定した参照番号と合
わせて、以下の詳細な説明に関して及びその中におい
て、より容易に理解され得るであろう。図面を参照しつ
つ説明すると、図１は、本発明の原理による典型的な積
層軽量放射線遮蔽材10若しくは多層構造体10を示してい
る。積層軽量放射シールド材10若しくは多層構造体10
は、３つの層11、12、13からなる。第１層11は、小なる
Z/A（原子番号/原子量）比、例えばボロン、炭素（グラ
ファイト）、アラミド若しくは他の高分子基ファイバ強
化非金属マトリクス複合材料を含む１つ以上の材料から
なる。変更態様を有することなく、第１層11を形成して
いる材料は、市販の複合材からも形成することができ
る。第１層は、異なる小なるZ/A材料の複数のサブ層か
らなり得る。第１層11は、選択的に電子及び陽子放射線
を減じるが、その過程において、制動（二次）放射線を
生成し得る。
添付図面において構造上の要素を指定した参照番号と合
わせて、以下の詳細な説明に関して及びその中におい
て、より容易に理解され得るであろう。図面を参照しつ
つ説明すると、図１は、本発明の原理による典型的な積
層軽量放射線遮蔽材10若しくは多層構造体10を示してい
る。積層軽量放射シールド材10若しくは多層構造体10
は、３つの層11、12、13からなる。第１層11は、小なる
Z/A（原子番号/原子量）比、例えばボロン、炭素（グラ
ファイト）、アラミド若しくは他の高分子基ファイバ強
化非金属マトリクス複合材料を含む１つ以上の材料から
なる。変更態様を有することなく、第１層11を形成して
いる材料は、市販の複合材からも形成することができ
る。第１層は、異なる小なるZ/A材料の複数のサブ層か
らなり得る。第１層11は、選択的に電子及び陽子放射線
を減じるが、その過程において、制動（二次）放射線を
生成し得る。
【００１０】前記第２層12は、大なるZ2/A（原子番号の
二乗／原子量）比、例えば金、鉛、銀、チタン、タンタ
ル若しくはタングステンの如き、１つ以上の材料からな
る。したがって、例えば、前記第２層12を形成している
材料は、市販の金属箔から形成することができる。前記
第２層は、ファイバ強化金属若しくは非金属マトリック
ス複合材からもなり得て、かかるファイバは、大なるZ2
/A材料、例えばタンタル若しくはタングステンで被覆さ
れている。前記第２層は、異なる大なるZ2/A材料の複数
のサブ層からなり得るが、かかる材料を接着する大なる
Z2/A材料のサブ層間には他の材料があってもよい。前記
第２層12は、選択的に制動放射線を減じるが、その過程
において、光電子を生成し得る。前記第２層12は、内部
積層応力を最小にするために、低引張係数及び低引張強
度を有し、若しくは、第１層11及び第３層13と近い熱膨
張係数を有する材料で形成されることが好ましい。第３
層13は、小なるZ/A（原子番号/原子量）比を有する１つ
以上の材料からなる。第３層13は、第１層と同じ材料か
らなっていてもよい。第３層13は、異なる小なるZ/A材
料の複数のサブ層からなることもできる。第３層13は、
第１及び第２層を通り抜ける電子及び陽子とともに、前
記第２層12から発せられた光電子を減じる。第３層13の
厚さ及び材料特性は、積層軽量放射線遮蔽材10若しくは
構造体10の反りを最小にするために第１層12の厚さ及び
材料特性と同じであることが好ましいが、必要条件では
ない。第１層11及び第３層13の熱膨張は、積層材の反り
を最小にするために前記第２層と近い値にし得る。
二乗／原子量）比、例えば金、鉛、銀、チタン、タンタ
ル若しくはタングステンの如き、１つ以上の材料からな
る。したがって、例えば、前記第２層12を形成している
材料は、市販の金属箔から形成することができる。前記
第２層は、ファイバ強化金属若しくは非金属マトリック
ス複合材からもなり得て、かかるファイバは、大なるZ2
/A材料、例えばタンタル若しくはタングステンで被覆さ
れている。前記第２層は、異なる大なるZ2/A材料の複数
のサブ層からなり得るが、かかる材料を接着する大なる
Z2/A材料のサブ層間には他の材料があってもよい。前記
第２層12は、選択的に制動放射線を減じるが、その過程
において、光電子を生成し得る。前記第２層12は、内部
積層応力を最小にするために、低引張係数及び低引張強
度を有し、若しくは、第１層11及び第３層13と近い熱膨
張係数を有する材料で形成されることが好ましい。第３
層13は、小なるZ/A（原子番号/原子量）比を有する１つ
以上の材料からなる。第３層13は、第１層と同じ材料か
らなっていてもよい。第３層13は、異なる小なるZ/A材
料の複数のサブ層からなることもできる。第３層13は、
第１及び第２層を通り抜ける電子及び陽子とともに、前
記第２層12から発せられた光電子を減じる。第３層13の
厚さ及び材料特性は、積層軽量放射線遮蔽材10若しくは
構造体10の反りを最小にするために第１層12の厚さ及び
材料特性と同じであることが好ましいが、必要条件では
ない。第１層11及び第３層13の熱膨張は、積層材の反り
を最小にするために前記第２層と近い値にし得る。
【００１１】積層放射線遮蔽材10若しくは構造体10は、
ホットプレス、オーブン若しくはオートクレーブを使用
して作られ得る。積層放射線遮蔽材の層及びサブ層10
は、同時硬化若しくは逐次（二次的に）接着され得る。
未硬化の非金属マトリックスに予め埋め込まれたファイ
バファブリックが、第１層11及び第３層13に使用され得
る。粘着材として使用する未硬化非金属マトリクスが、
同時硬化過程の間、前記第２層12を接着するのに使用さ
れても良い。金属箔が前記第２層12に使用される場合、
金属箔の表面は、積層材の隣接層への粘着力を高めるた
めに処理されなければならない。この処理は、研磨、化
学エッチング及び／若しくはプライマー処理でありえ
る。未硬化非金属マトリクスに予め埋め込まれたファイ
バファブリックが、前記第２層12に使用され得る。その
場合には、３つの層11、12及び13が同時に硬化すること
が有利である。
ホットプレス、オーブン若しくはオートクレーブを使用
して作られ得る。積層放射線遮蔽材の層及びサブ層10
は、同時硬化若しくは逐次（二次的に）接着され得る。
未硬化の非金属マトリックスに予め埋め込まれたファイ
バファブリックが、第１層11及び第３層13に使用され得
る。粘着材として使用する未硬化非金属マトリクスが、
同時硬化過程の間、前記第２層12を接着するのに使用さ
れても良い。金属箔が前記第２層12に使用される場合、
金属箔の表面は、積層材の隣接層への粘着力を高めるた
めに処理されなければならない。この処理は、研磨、化
学エッチング及び／若しくはプライマー処理でありえ
る。未硬化非金属マトリクスに予め埋め込まれたファイ
バファブリックが、前記第２層12に使用され得る。その
場合には、３つの層11、12及び13が同時に硬化すること
が有利である。
【００１２】既存のエンクロージャのための端部カバー
は、平面的に作られた積層放射線遮蔽材10若しくは構造
体10から容易に作成され得る。それに加えて、遮蔽材10
は、適切な道具によって加工されて複合体に形成され得
る。このような場合、図２に示すように、遮蔽材10の全
ての３つの層11、12及び13は、複合体の輪郭と同じにな
る。
は、平面的に作られた積層放射線遮蔽材10若しくは構造
体10から容易に作成され得る。それに加えて、遮蔽材10
は、適切な道具によって加工されて複合体に形成され得
る。このような場合、図２に示すように、遮蔽材10の全
ての３つの層11、12及び13は、複合体の輪郭と同じにな
る。
【００１３】上記の如く、積層軽量放射線遮蔽材若しく
は多層構造体が開示されてきた。上記実施例は、単に本
発明の原理の応用例を表したのであって、多くの特定の
うちの幾つかの実施例を示しているだけであると理解さ
れるだろう。明らかな如く、多くの他の配置は、本発明
の範囲内において、当業者によって容易に工夫され得
る。材料は、構造上の必要条件及び／若しくは熱の必要
条件及び／若しくは放射線遮蔽の必要条件若しくは必要
条件の組合せを満足するように選択することができる。
は多層構造体が開示されてきた。上記実施例は、単に本
発明の原理の応用例を表したのであって、多くの特定の
うちの幾つかの実施例を示しているだけであると理解さ
れるだろう。明らかな如く、多くの他の配置は、本発明
の範囲内において、当業者によって容易に工夫され得
る。材料は、構造上の必要条件及び／若しくは熱の必要
条件及び／若しくは放射線遮蔽の必要条件若しくは必要
条件の組合せを満足するように選択することができる。
【図１】 本発明の原理による典型的な積層軽量放射線
遮蔽材若しくは構造体を示す。
遮蔽材若しくは構造体を示す。
【図２】 複合体の輪郭と同じである層によって形成さ
れた典型的な複合体遮蔽構造体の断面図である。
れた典型的な複合体遮蔽構造体の断面図である。
10 積層軽量放射線遮蔽材 11 第１層 12 第２層 13 第３層
フロントページの続き (72)発明者 ミッチ メールマン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94566 プレザントン ルンドランチロー ド 1153
Claims (22)
- 【請求項１】 選択的に電子及び陽子放射線を減衰させ
るとともにその過程において制動放射線を生成する小な
る原子番号／原子量比を有する１つ以上の材料からなる
第１層と、 選択的に制動放射線を減衰させるとともにその過程にお
いて光電子を生成する大なる原子番号の二乗／原子量比
を有する１つ以上の材料からなる第２層と、 前記第１及び第２層を通過する電子及び陽子とともに前
記第２層から発せられた光電子を減じる小なる原子番号
／原子量比を有する１つ以上の材料からなる第３層と、
を含む軽量放射性遮蔽構造体。 - 【請求項２】 前記第１及び／若しくは第３層は、ボロ
ンファイバ強化非金属マトリクス複合材からなることを
特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項３】 前記第１及び／若しくは第３層は、炭素
ファイバ強化非金属マトリクス複合材からなることを特
徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項４】 前記第１及び／若しくは第３層は、高強
度、高弾性及び／若しくは高熱伝導率炭素ファイバ強化
非金属マトリクス複合材からなることを特徴とする請求
項１記載の構造体。 - 【請求項５】 前記第１及び／若しくは第３層は、アラ
ミドファイバ強化非金属マトリクス複合材からなること
を特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項６】 前記第１及び／若しくは第３層は、高分
子基ファイバ強化非金属マトリクス複合材からなること
を特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項７】 前記第１層は、異なる低Z/A比材料の複
数のサブ層からなることを特徴とする請求項１記載の構
造体。 - 【請求項８】 前記第２層は、金からなることを特徴と
する請求項１記載の構造体。 - 【請求項９】 前記第２層は、鉛からなることを特徴と
する請求項１記載の構造体。 - 【請求項10】 前記第２層は、銀からなることを特徴と
する請求項１記載の構造体。 - 【請求項11】 前記第２層は、チタンからなることを特
徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項12】 前記第２層は、タンタルからなることを
特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項13】 前記第２層は、タングステンからなるこ
とを特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項14】 前記第２層は、金属箔からなることを特
徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項15】 前記第２層は、内部積層応力を最小にす
るために低い引張係数且つ低い引張強度を有することを
特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項16】 前記第２層は、異なる高Z2/A比材料の複
数のサブ層からなることを特徴とする請求項１記載の構
造体。 - 【請求項17】 前記第２層は、ファイバが高Z2/A材料で
被覆されたファイバ強化金属若しくは非金属マトリクス
複合材からなることを特徴とする請求項１記載の構造
体。 - 【請求項18】 前記高Z2/A材料は、タンタル若しくはタ
ングステンからなることを特徴とする請求項17記載の構
造体。 - 【請求項19】 前記第２層は、内部積層応力を最小にす
るために前記第１及び第３層と近い熱膨張を有すること
を特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項20】 前記第１及び第３層の熱膨張特性は、内
部積層応力を最小にするために前記第２層と近い熱膨張
特性を有することを特徴とする請求項１記載の構造体。 - 【請求項21】 前記第３層の厚さ及び材料特性は、反り
を最小にするために実質的に前記第１層の厚さ及び材料
特性と同じであることを特徴とする請求項１記載の構造
体。 - 【請求項22】 前記第３層は、低Z/A材料の複数のサブ
層からなることを特徴とする請求項１記載の構造体。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US48963500A | 2000-01-24 | 2000-01-24 | |
| US09/489635 | 2000-01-24 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001208891A true JP2001208891A (ja) | 2001-08-03 |
Family
ID=23944649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000363979A Pending JP2001208891A (ja) | 2000-01-24 | 2000-11-30 | 積層軽量放射線遮蔽材 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1120795A1 (ja) |
| JP (1) | JP2001208891A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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