JP2013076696A

JP2013076696A - 放射線遮蔽材及びその製造方法

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Publication number: JP2013076696A
Application number: JP2012203709A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kawahara; 愉川原
Original assignee: Kawahara Technical Research Inc
Current assignee: Kawahara Technical Research Inc
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP5571140B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、γ線を遮蔽できる放射線遮蔽材を提供することである。
【手段】本発明は、ビスマス及びチタンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有する放射線遮蔽材及びその製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線遮蔽材及びその製造方法に関する。

放射線は、α線、β線、γ線、Ｘ線、中性子線等の総称を指す。その中でも、α線やβ線はアルミニウム等の薄膜でも容易に遮蔽できる。一方、γ線、Ｘ線、中性子線は物質を透過する性質が高いため、これらを遮蔽する物質が研究開発されている（例えば、特許文献１）。

このうち、γ線を遮蔽する能力が特に高い物質として、市販品の中では、鉛が知られている。しかし、鉛は、人体に有害であり、自然環境への悪影響も懸念されているため、無鉛の放射線遮蔽材が求められている。

特に、近年の原子力発電所の事故により、新たな放射線遮蔽材の開発が急務となっている。

特開平６−１２８４４７号公報

したがって、γ線を遮蔽できる新しい種類の無鉛の放射線遮蔽材の提供が課題である。

本発明者らは、上記問題に鑑み、鋭意研究を重ねてきた。その結果、特定の元素を含む材料を原材料とすることにより、γ線を遮蔽できる物質が得られることを見出した。本発明は、以下の放射線遮蔽材及びその製造方法に関する。

項１．ビスマス、チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有することを特徴とする放射線遮蔽材。

項２．ビスマス２０〜５０質量％、ケイ素３〜２５質量％及びストロンチウム２０〜５０質量％を含有することを特徴とする前記項１に記載の放射線遮蔽材。

項３．チタン２０〜５０質量％、ケイ素３〜２５質量％及びストロンチウム２０〜５０質量％を含有することを特徴とする前記項１に記載の放射線遮蔽材。

項４．タングステン３０〜７０質量％、ケイ素１〜１５質量％及びストロンチウム５〜４０質量％を含有することを特徴とする前記項１に記載の放射線遮蔽材。

項５．さらに、ステンレス成分を含有することを特徴とする前記項１に記載の放射線遮蔽材。

項６．酸化ビスマス、チタン、酸化チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素酸化物、並びに炭酸ストロンチウムを焼成して得られることを特徴とする前記項１に記載の放射線遮蔽材。

項７．ビスマス、チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを有する放射線遮蔽材の製造方法であって、ビスマス化合物、チタン化合物及びタングステン化合物の少なくとも１種、ケイ素化合物、並びにストロンチウム化合物を混合し、焼成する焼成工程を備えた、放射線遮蔽材の製造方法。

項８．前記焼成工程が、上記化合物に加えて、さらにホウ酸を混合し、焼成する工程である、前記項７に記載の製造方法。

項９．前記焼成工程が、上記化合物に加えて、さらにステンレス成分を混合し、焼成する工程である、前記項７又は８に記載の製造方法。

本発明の放射線遮蔽材は、γ線を遮蔽することができる。

図１は、本発明の製造方法のフローチャートの一例を示す。

１．放射線遮蔽材
本発明の放射線遮蔽材は、ビスマス、チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有することを特徴とする。これらの元素を組み合わせることにより、γ線を良好に遮蔽することができる。また、ケイ酸塩系化合物であるため鉛よりも比重が軽く、さらには加工性にも優れている。

本発明の放射線遮蔽材のうち、ビスマスおよびチタンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有する放射線遮蔽材（第一態様）が好ましく挙げられる。

第一態様において、ビスマス（Ｂｉ）及びチタン（Ｔｉ）の少なくとも１種の含有量は、例えば２０〜５０質量％、好ましくは３０〜４０質量％である。

ケイ素（Ｓｉ）の含有量は、例えば３〜２５質量％、好ましくは５〜１５質量％である。

ストロンチウム（Ｓｒ）の含有量は例えば、２０〜５０質量％、好ましくは２５〜４０質量％質量％である。

また、本発明の放射線遮蔽材のうち、タングステン、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有する放射線遮蔽材（第二態様）も好ましく挙げられる。

第二態様において、タングステン（Ｗ）の含有量は、例えば、３０〜７０質量％、好ましくは４０〜６０質量％であり、ケイ素の含有量は、例えば，１〜１５質量％、好ましくは、２〜１０質量％である。

ストロンチウムの含有量は例えば、５〜４０質量％、好ましくは、１５〜３５質量％である。

本発明の放射線遮蔽材は、上記必須元素に加えて、酸素原子（好ましくは５〜３０質量％、より好ましくは１０〜２０質量％）を含んでいてもよい。また、上記以外の放射線吸収原子（例えば、エルビウム等のランタノイド元素）等を含んでいてもよく、さらには、ホウ素原子、製造上不可避な不純物等を含んでいてもよい。

本発明の放射線遮蔽材は、上記元素（必須元素、酸素元素および放射線吸収原子等）に加えて、さらに、ステンレス成分を含有することが好ましい。これを含有することにより、放射線遮蔽性能がより良好となる。

ステンレス成分は、主成分としての鉄と、クロムとを含むものであり、これら以外に、ニッケル、マンガン、窒素等の添加物を含んでいてもよい。

ステンレス成分としては、具体的には、例えば、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどのオーステナイト系ステンレス；ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４１０Ｓなどのマルテンサイト系ステンレス；ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０Ｌ、ＳＵＳ４２９などのフェライト系ステンレス；ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌなどの二相系ステンレス、ＳＵＳ６３０，ＳＵＳ６３１などの析出硬化系ステンレス等を使用すればよい。好ましくは、オーステナイト系ステンレスである。

ステンレス成分を含有する場合は、上記元素（必須元素、酸素元素および放射線吸収原子等）の合計量１００質量部に対して、例えば、１０〜１０００質量部、好ましくは、５０〜５００質量部、より好ましくは、１００〜３００質量部配合すればよい。

本発明では、有害性の観点から、鉛元素を実質的に含まないことが好ましい。例えば、５質量％以下、好ましくは１質量％以下である。

本発明の放射線遮蔽材の形状は、遮蔽材の使用方法等に応じて適宜決定すればよいが、例えば、粒状（粉体）、ペレット状、塊状、フィルム状、板状等が挙げられる。特に、本発明の遮蔽材は、粉体加工が可能で、他の有機物（粉状、繊維状）等に混入させ、様々な遮蔽用途に使用することができる。

粒状の場合は、例えば、平均粒子径が０．１μｍ〜１０００μｍ、好ましくは１μｍ〜１００μｍとすればよい。

また、本発明の放射線遮蔽材は、上記必須元素等を含有する化合物単独で使用してもよいし、例えば、水、有機溶剤（アルコール、エーテル等）、界面活性剤、樹脂バインダー、無機粒子、有機粒子、本発明以外の放射線遮蔽材等といった添加剤と併せて使用してもよい。

本発明の放射線遮蔽材料は、放射線を遮蔽（防護）する用途に様々な形で使用できる。例えば、防護エプロン、医療用エプロン、防護服、宇宙服、壁紙、外装壁面、屋根材、化粧品、日焼け止め、顔用クリーム、医療機器（マンモグラフィー等）などに使用することができる。

２．放射線遮蔽材の製造方法
本発明の放射線遮蔽材の好適な製造方法は、ビスマス化合物、チタン化合物およびタングステン化合物の少なくとも１種、ケイ素化合物、並びにストロンチウム化合物を混合し、焼成する焼成工程を備える。具体的には、例えば、
（ｉ）酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、チタン、酸化チタンおよびタングステンの少なくとも１種、
（ｉｉ）ケイ素酸化物、並びに
（ｉｉｉ）炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、
を混合し、焼結する工程を経ることにより製造することができる。

ビスマス化合物としては、例えば、ビスマス単体、酸化ビスマス等が挙げられる。

チタン化合物としては、例えば、チタン単体、酸化チタン等が挙げられる。

酸化チタンは、一酸化チタン（ＴｉＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）等のいずれでもよい。

タングステン化合物としては、例えば、タングステン単体、酸化タングステン等が挙げられる。

ケイ素化合物としては、例えば、ケイ素酸化物、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ケイ酸塩等が挙げられる。

ケイ素酸化物としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）等のいずれでもよいが、本発明ではＳｉＯ_２が好適に用いられる。

ストロンチウム化合物としては、例えば、炭酸ストロンチウム、酸化ストロンチウム等が挙げられる。

配合割合は限定的でないが、例えば、
（１）酸化ビスマス３０〜６０質量％、好ましくは４０〜５０質量％
ケイ素酸化物５〜３０質量％、好ましくは１０〜２０質量％、
炭酸ストロンチウム３０〜６０質量％、好ましくは４０〜５０質量％、
（２）チタン又は酸化チタン３０〜６０質量％、好ましくは４０〜５０質量％
ケイ素酸化物５〜３０質量％、好ましくは１０〜２０質量％、
炭酸ストロンチウム３０〜６０質量％、好ましくは４０〜５０質量％、
（３）タングステン３０〜７０質量％、好ましくは４０〜６０質量％
ケイ素酸化物１〜３０質量％、好ましくは５〜２０質量％、
炭酸ストロンチウム２０〜５０質量％、好ましくは３０〜４０質量％、
等とすればよい。

上記原料に加えて、さらにホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）等のホウ素化合物を加えてもよい。これにより、焼成時に金属間の電子移動を容易にさせ、酸化還元作用を促進させることができる。ホウ酸の配合量は限定的でないが、好ましくは０．１〜５質量％、より好ましくは０．５〜３質量％である。

さらには、ステンレス成分を加えてもよい。配合量は、例えば、上述化合物（例えば、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）及びホウ酸）の合計量１００質量部に対して、例えば、１０〜１０００質量部、好ましくは、５０〜５００質量部、より好ましくは、１００〜３００質量部とすればよい。

混合した後、ボールミル、ロッドミル等の粉砕機で上記原料を粉砕してもよいし、粉砕しなくてもよいが、本発明では粉砕することが好ましい。

焼成温度は、例えば、電気炉にて５００〜２０００℃、好ましくは８００〜１５００℃とすればよい。

焼成雰囲気は、大気雰囲気及び不活性ガス雰囲気のいずれでもよいが、好ましくは大気雰囲気である。

焼成時間は、焼成温度、焼成雰囲気等に応じて適宜決定すればよいが、例えば、１０分〜１０時間、好ましくは３０分〜５時間とすればよい。

本発明では、上記焼成する焼成工程に代えて、または焼成工程後に、プラズマ焼結工程を行ってもよい。これにより、得られる放射線遮蔽材のγ線の吸収量を向上させることができる。

プラズマ焼結は、常法に従って行えばよく、例えばプラズマ焼結機で、５００〜２０００℃（好ましくは７００〜１５００℃）にて焼結すればよい。

焼結時間は、焼結温度に応じて適宜決定すればよいが、例えば、５分〜２時間、好ましくは１０分〜１時間とすればよい。

本発明を、以下に実施例を用いて、さらに詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
ＳｉＯ_２（岩井化学薬品社製）１２．５８質量％、ＳｒＣＯ_３（本荘ケミカル社製）４２．４２質量％、Ｂｉ_２Ｏ_３（岩井化学薬品社製）４３．８５質量％及びＨ_３ＢＯ_３（岩井化学薬品社製）１．１５質量％をボールミル混合器に入れ、１時間混合した。次いで、電気炉に入れ、大気雰囲気で、９００℃、２時間の条件で焼成した。焼成後、常温まで自然冷却し、ボールミル混合機にて平均粒子径が７μｍになるまで粉砕した（図１）。これにより、実施例１の放射線遮蔽材を得た。

なお、実施例１の放射線遮蔽材の組成比率を測定したところ、Ｂｉ３７．０５質量％、Ｓｉ９．６８質量％、Ｓｒ３５．１２質量％、Ｏ（酸素原子）１３．９４質量％であり、残りは不純物であった。

比重を測定したところ、４．７８ｇ／ｃｍ^３であった。蛍光Ｘ線分析で測定したところ、上記実施例１は、Ｂｉ_２Ｏ_３＋ＳｒＳｉＯ_３であることが推定された。
＜実施例２＞
ＳｉＯ_２（岩井化学薬品社製）１２．５８質量％、ＳｒＣＯ_３（本荘ケミカル社製）４２．４２質量％、Ｔｉ（トーホーテック社製）４３．８５質量％及びＨ_３ＢＯ_３（岩井化学薬品社製）１．１５質量％をボールミル混合器に入れ、１時間混合した。次いで、プラズマ焼結機（ＳＰＳシンテック社製、製品名「ＳＰＳ−１０３０」）にて、１０００℃で、約３０分焼結した。これにより、実施例２の放射線遮蔽材（ペレット状、厚み３ｍｍ）を得た。

なお、実施例２の放射線遮蔽材の組成比率を測定したところ、Ｔｉ３７．９５質量％、Ｓｉ６．４５質量％、Ｓｒ２７．３７質量％、Ｏ（酸素原子）１７．７３質量％であり、残りは不純物であった。

比重を測定したところ、４．６７ｇ／ｃｍ^３であった。蛍光Ｘ線分析で測定したところ、上記実施例２は、ＳｒＴｉＯ_２．６＋ＴｉＯ＋ＳｒＳｉＯ_３であることが推定された。

＜実施例３＞
ＳｉＯ_２（岩井化学薬品社製）１０．００質量％、ＳｒＣＯ_３（本荘ケミカル社製）３４．００質量％、Ｗ（日本ユテク社製）５５．００質量％及びＨ_３ＢＯ_３（岩井化学薬品社製）１．００質量％をボールミル混合器に入れ、１時間混合した。次いで、電気炉に入れ、大気雰囲気で、１２００℃、２時間の条件で焼成した。焼成後、常温まで自然冷却し、ボールミル混合機にて平均粒子径が５０μｍになるまで粉砕した。これにより、実施例３の放射線遮蔽材を得た。

なお、実施例３の放射線遮蔽材の組成比率を測定したところ、Ｗ４０質量％、Ｓｉ６質量％、Ｓｒ２８質量％、Ｏ（酸素原子）１５質量％であり、残りは不純物であった。

比重を測定したところ、５．３１ｇ／ｃｍ^３であった。蛍光Ｘ線分析で測定したところ、上記実施例３は、Ｓｉ（ＷＯ４）＋ＳｒＳｉ＋Ｗであることが推定された。

＜実施例４＞
ＳｉＯ_２４０．００質量％、ＳｒＣＯ_３３８．２０質量％、ＭｇＯ２０．００質量％、Ｅｕ_２Ｏ_３０．４０質量％、Ｄｙ_２Ｏ_３０．４０質量％、Ｈ_３ＢＯ_３（岩井化学薬品社製）１．００質量％をボールミル混合器に入れ、５時間混合した。次いで、電気炉に入れ、大気雰囲気で、１２３０℃、２時間の条件で焼成し、焼成物を得た。
次いで、焼成物３１．９質量％とステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ、ニラコ社製）６８．１質量％とを混合し、電気炉に入れ、大気雰囲気で、１２００℃、２時間の条件で焼成し、実施例４の放射線遮蔽材を得た。

比重を測定したところ、４．３６ｇ／ｃｍ^３であった。蛍光Ｘ線分析で測定したところ、上記実施例４は、（Ｃｒ_０．７Ｍｏ_０．３）＋Ｆｅ_３Ｎｉ_２＋Ｆｅ_７Ｎｉ_３＋（Ｆｅ，Ｍｇ）（Ｃｒ，Ｆｅ）_２Ｏ_４であることが推定された。
＜比較例＞
鉛板（厚さ１ｍｍ、市販品）、アルミニウム板（厚さ３ｍｍ、市販品）をそれぞれ比較例１及び比較例２とした。

＜γ線遮蔽性能試験＞
実施例１の放射線遮蔽材については、さらにプラズマ焼結によりペレット状（厚み３ｍｍ）に加工した。下記の条件にて、実施例及び比較例の試料にγ線を照射し、遮蔽率を測定した。この結果を表１に示す。
条件（Ｌａｓｅｒ：ＣＯ_２，Ｐｏｗｅｒ：１Ｗ，Ｍａｇｎｅｔ：１０Ａ，Ｅｎｅｒｇｙ：１．７ＭｅＶ，Ｃｕｒｒｅｎｔ：２００ｍＡ，Ｃｏｌｌ：３ｍｍφ，ＤＴＣＴ：ＮａＩ６）

上記の結果から、γ線遮蔽性能において、本発明の実施例１〜４は、厚みを考慮するとγ線遮蔽性能としては非常に有用な鉛板（比較例１）には及ばないものの、実用的な厚さで十分な高さの遮蔽率を示し、良好なγ線遮蔽能を有していることが分かる。特に、比較例２のアルミニウムと比較すると、より高い遮蔽率を示し、十分なγ線遮蔽能を有していることが分かる。

また、本発明の放射線遮蔽材は、比重が鉛の比重（１１．３４）よりも大幅に軽く、粒状や板状に容易に変形することができ加工性にも優れている。よって、さまざまな用途や形態で使用可能であることが分かる。また、本発明の放射線遮蔽材は、電子線を遮蔽することも可能とする。

Claims

ビスマス、チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを必須元素として有することを特徴とする放射線遮蔽材。
ビスマス２０〜５０質量％、ケイ素３〜２５質量％及びストロンチウム２０〜５０質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
チタン２０〜５０質量％、ケイ素３〜２５質量％及びストロンチウム２０〜５０質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
タングステン３０〜７０質量％、ケイ素１〜１５質量％及びストロンチウム５〜４０質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
さらに、ステンレス成分を含有することを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
酸化ビスマス、チタン、酸化チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素酸化物、並びに炭酸ストロンチウムを焼成して得られることを特徴とする請求項１に記載の放射線遮蔽材。
ビスマス、チタンおよびタングステンの少なくとも１種、ケイ素、並びにストロンチウムを有する放射線遮蔽材の製造方法であって、ビスマス化合物、チタン化合物及びタングステン化合物の少なくとも１種、ケイ素化合物、並びにストロンチウム化合物を混合し、焼成する焼成工程を備えた、放射線遮蔽材の製造方法。
前記焼成工程が、上記化合物に加えて、さらにホウ酸を混合し、焼成する工程である、請求項７に記載の製造方法。
前記焼成工程が、上記化合物に加えて、さらにステンレス成分を混合し、焼成する工程である、請求項７又は８に記載の製造方法。