JP6670755B2 - 放射線遮蔽材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態において、前記BaF粉末としては、少なくともバリウムを一構成元素とするフッ化物粉末であれば特に制限されず、例えば、フッ化バリウム、フッ化バリウムリチウム、フッ化バリウムイットリウム等が挙げられる。BaF粉末としてはその結晶構造が立方晶系を有するものが、樹脂に粉末として充填した際に結晶の複屈折による透明性の低下が無いため、優れた透明性を有する放射線遮蔽材料を得ることができる。立方晶系を有するバリウム含有フッ化物として、フッ化バリウム、フッ化バリウムリチウムが挙げられる。また、二種類以上のBaF粉末を混合して用いることもできる。特にフッ化バリウムリチウムは構成元素にリチウムを含んでおり、これをBaF粉末として用いた場合には本発明の放射線遮蔽材料に中性子に対する遮蔽性も付与することができる。
本実施形態において、樹脂は透明性を有するものであれば特に制限されないが、代表的な樹脂を例示すれば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、スチレンブタジエン共重合体、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸メチル、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、エチレン系共重合体、ポリビニルアセテート、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。
また、BaFと樹脂の屈折率の差が大きい場合は、樹脂の成分や分子量の調整、また、可塑剤を使用する場合は、その種類や添加量を調整する手段を採用し、樹脂の屈折率をBaF粉末の屈折率により近づけるように調整することにより、透明性を一層高めることも可能である。
本発明において、上記BaF粉末は、20〜80容量%、好ましくは、50〜75容量%の割合で樹脂に充填される。
本実施形態の放射線遮蔽材料は、前記成分に加えて、本実施形態の効果に悪影響を及ぼさない公知の添加剤を公知の割合で添加することも可能である。
本実施形態において、放射線遮蔽材料を構成する樹脂組成物を得るための、樹脂とBaF粉末の混合方法は、用いる樹脂の特性やBaF粉末の平均粒子径や充填量により、公知の方法から採用することができる。例示すれば、ポリ塩化ビニルやエチレン共重合体などの熱可塑性樹脂の場合は、予め樹脂とBaF粉末を混合機等を用いてよく混合した後、バンバリーミキサーや押出機等で樹脂を加熱溶融させながら混練して樹脂組成物を得る方法が用いられる。得られた樹脂組成物は一旦ペレット状等に固化させた後に成形機により成形することもできるし、樹脂の溶融を維持した状態で成形することもできる。成形方法としては、射出成形、押出成形、プレス成形、カレンダー成形、ブロー成形等公知の方法を採用することができる。
本実施形態の放射線遮蔽材料は、適当な成形方法により任意の構造体に加工し、放射線を遮蔽する内容物を確認するために透明性が要求される任意の用途に特に制限無く使用することができる。また、透明であるため着色も容易であり、産業用の資材だけでなく日用品や家庭用品などにも広く好適に用いることができる。
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本実施形態において、前記樹脂組成物を構成するための混合方法は、用いる樹脂の特性や金属フッ化物粉末の平均粒子径や充填量により、公知の方法から採用することができる。例示すれば、ポリ塩化ビニルやエチレン共重合体などの熱可塑性樹脂の場合は、予め樹脂と金属フッ化物粉末を、混合機等を用いてよく混合した後、バンバリーミキサーや押出機等で樹脂を加熱溶融させながら混練して樹脂組成物を得る方法が用いられる。得られた樹脂組成物は一旦ペレット状等に固化させた後に成形機により成形することもできるし、樹脂の溶融を維持した状態で成形することもできる。成形方法としては、射出成形、押出成形、プレス成形、カレンダー成形、ブロー成形等公知の方法を採用することができる。
樹脂の屈折率は、樹脂のみを硬化させた試験片を用いて、市販の屈折率計によって測定することができる。なお、物質の屈折率は光の波長によって異なるが、一般にはナトリウムのD線(589.3nm)を光源とし、当該波長における屈折率(以下、nDともいう)を測定すると良い。当該nDによって、可視領域における屈折率を概ね代表することができる。なお、特定の波長の光に対する透明性が高い放射線遮蔽材を得たい場合には、当該波長を発する光源を用いて屈折率を測定すれば良い。
放射線遮蔽材中のフッ化物粉末が存在する層の厚み及び当該層におけるフッ化物粉末の充填率は、放射線遮蔽材を放射線の入射方向に沿って切断し、得られた断面の反射電子組成像を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより同定できる。反射電子組成像においては、フッ化物粉末と樹脂の密度が大きく異なるため、フッ化物粉末が存在する層を明瞭なコントラストの下で観察することができる。
充填率(vol%)=1/{(ρf/ρp)/(Wf/Wp)+1}×tt/tc×100
ただし、ρf及びρpはそれぞれフッ化物粉末及び樹脂の密度を表し、Wf及びWpはそれぞれ放射線遮蔽材に含まれるフッ化物粉末及び樹脂の重量を表し、tt及びtcはそれぞれ放射線遮蔽材全体の厚み及びフッ化物粉末が存在する層の厚みを表す。
放射線遮蔽材の遮蔽能は、以下の方法で放射線透過率を測定することによって評価できる。遮蔽の対象となる放射線を生じる放射線源と、該放射線に対応する放射線検出器を所定の距離で相対させ、その間に遮蔽材を置かない状態での放射線強度C0を得る。次に放射線源と放射線検出器の間に、放射線遮蔽材を配置した状態での放射線強度C1を得る。得られたC0及びC1を用いて次式によって放射線透過率を求める。
放射線透過率(%)=C1/C0×100
T=e−μt
ただし、Tは放射線透過率を表し、μは減弱係数(mm−1)を表し、tは鉛板の厚み(mm)を表す。
鉛当量(mmPb)=−ln(T)/μ
放射線遮蔽材のヘイズは、日本工業規格(JIS K 7136)に規定された方法によって測定することができる。当該規格に準拠した測定装置が市販されており、これらを制限なく用いることができる。
LiF粉末とBaF2粉末をそれぞれ溶融、固化させることにより得られた塊状のLiF原料およびBaF2原料を、LiF:BaF2が0.57:0.43のモル比であり、かつ、原料の合計量が3kgになるように混合して、カーボン製の内径120mmの坩堝に収容しチョクラルスキー結晶育成炉(CZ炉)内に収容した。次に、炉内を1×10−3Pa以下の真空度に保ち坩堝を600℃まで24時間かけて加熱昇温させ、純度99.999%のCF4ガスを炉内に導入して炉内の圧力80kPaにした。その後、坩堝を900℃まで2時間かけて加熱昇温させて、上記混合物を融解させた。
本実施例にて作製した放射線遮蔽材を上記の方法で評価したところ、放射線透過率は88%であり、放射線遮蔽能(鉛当量)は1.2mmPbであった。
BaF2を原料として実施例1と同様の方法により単結晶体を作製した。
BaF2粉末3kgをカーボン製の内径120mmの坩堝に収容しチョクラルスキー結晶育成炉(CZ炉)内に収容した。次に、炉内を1×10−3Pa以下の真空度に保ち坩堝を600℃まで24時間かけて加熱昇温させ、純度99.999%のCF4ガスを炉内に導入して炉内の圧力80kPaにした。その後、坩堝を1400℃まで2時間かけて加熱昇温させて、上記混合物を融解させた。次いで、坩堝内の原料融液に、BaF2単結晶からなり鉛直方向が<111>方向である種結晶を接触させ、この種結晶を15rpmで回転させながら2.0mm/hの速度で引き上げることにより、BaF2単結晶体からなるインゴットを成長させた。BaF2単結晶体のインゴットを所定の大きさまで成長させた後、溶融液からインゴットを切り離した。次いで、CZ炉を36時間かけて冷却した後に、インゴットをCZ炉から取り出した。得られたインゴットは全長130mm、直胴部の長さが100mm、直胴部の直径が50mmであった。
本実施例では、フッ化物粉末としてBaF2とLaF3からなる固溶体の粉末を用い、樹脂としてポリ塩化ビニルを用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.54及び1.54であり、両者の屈折率の差は0.00である。
ポリ塩化ビニル樹脂粉末(屈折率1.54)300gに対しBaF2−LaF3の粉末を3000gの割合で予備混合し、これを、バンバリーミキサーを用いて溶融混合し、BaF2−LaF3の粉末を72.2容量%含む樹脂組成物よりなる放射線遮蔽材料を得た。この放射線遮蔽材料を加圧プレス機により成形し、4mmの厚みを有する100mm×100mmの放射線遮蔽材を得た。
次に、実施例1と同じ方法で、得られた放射線遮蔽材の放射線透過率を測定したところ、放射線透過率は87%であり、放射線遮蔽能(鉛当量)は1.3mmPbであった。
得られた放射線遮蔽材の断面をSEMで観察し、フッ化物粉末が存在する層(充填層)の厚み及び該層におけるフッ化物粉末の充填率を測定したところ、厚みは4.0mm、充填率は72容量%であった。
本実施例では、フッ化物粉末としてBaY2F8の粉末を用い、樹脂としてエトキシ化ビスフェノールAジメタクリレート 25質量%とトリエチレングリコールジメタクリレート 75質量%からなる共重合体を用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.52及び1.52であり、両者の屈折率の差は0.00である。
BaF2粉末とYF3粉末を、BaF2:YF3が1:2のモル比であり、かつ、合計量が3kgになるように混合したフッ化物粉末の原料を用い、溶融温度を1100℃とする以外は、実施例3と同様にしてBaY2F8のインゴットを得た。該BaY2F8の密度は5.0g/mLであった。次いでBaY2F8のインゴットを実施例3と同様にして粉砕し、篩にかけてBaY2F8の粉末を得た。該粉末の平均粒子径は118μmであった。
次に、実施例1と同じ方法で、得られた放射線遮蔽材の放射線透過率を測定したところ、放射線透過率は88%であり、放射線遮蔽能(鉛当量)は1.2mmPbであった。
得られた放射線遮蔽材の断面をSEMで観察し、フッ化物粉末が存在する層(充填層)の厚み及び該層におけるフッ化物粉末の充填率を測定したところ、厚みは4.0mm、充填率は79容量%であった。
本実施例では、フッ化物粉末としてYbF3の粉末を用い、樹脂としてポリエトキシ化ビスフェノールAジメタクリレートを用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.60及び1.58であり、両者の屈折率の差は0.02である。
次に、実施例1と同じ方法で、得られた放射線遮蔽材の放射線透過率を測定したところ、放射線透過率は84%であり、放射線遮蔽能(鉛当量)は1.7mmPbであった。
得られた放射線遮蔽材の断面をSEMで観察し、フッ化物粉末が存在する層(充填層)の厚み及び該層におけるフッ化物粉末の充填率を測定したところ、厚みは4.0mm、充填率は72容量%であった。
本実施例では、フッ化物粉末として前記BaF粉末2(密度4.8g/mL)を用い、樹脂としてシリコーンを用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.48及び1.41であり、両者の屈折率の差は0.07である。BaF粉末2の平均粒子径は108μmであった。
液状のシリコーン 300gにBaF粉末2 2500gの割合で混合し、真空脱泡により気泡を除去した。得られたフッ化物粉末と液状のシリコーンの混合物を厚みが4.5mmで100mm×100mmのモールドに注入し、シリコーンを硬化させて4.5mmの厚みを有する100mm×100mmの放射線遮蔽材を得た。
次に、実施例1と同じ方法で、得られた放射線遮蔽材の放射線透過率を測定したところ、放射線透過率は89%であり、放射線遮蔽能(鉛当量)は1.1mmPbであった。
得られた放射線遮蔽材の断面をSEMで観察し、フッ化物粉末が存在する層(充填層)の厚み及び該層におけるフッ化物粉末の充填率を測定したところ、厚みは4.0mm、充填率は74容量%であった。
本比較例では、フッ化物粉末として密度3.2g/mLのCaF2の粉末を用い、樹脂としてシリコーンを用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.43及び1.41であり、両者の屈折率の差は0.02である。
本比較例では、フッ化物粉末として前記BaF粉末1を用い、樹脂としてシリコーンを用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.54及び1.41であり、両者の屈折率の差は0.13である。
本比較例では、ポリ塩化ビニル樹脂300gにBaF粉末1を450gの割合で混合し、BaF粉末1が28.8容量%含まれる樹脂組成物を調製する以外は、実施例1と同様にして4mmの厚みを有する100mm×100mmの放射線遮蔽材を得た。
本比較例では、フッ化物粉末としてYb2O3の粉末を用い、樹脂としてエトキシ化ビスフェノールAジメタクリレートの重合体を用いた。該フッ化物粉末及び樹脂の屈折率はそれぞれ1.95及び1.58であり、両者の屈折率の差は0.37である。
Yb2O3の微粉末原料をレニウム製の内径80mmの坩堝に充填し溶融炉内に収容した。次に、炉内にO2 0.01%、H2 10%、N2 90%のガスを流通させて炉内の圧力を大気圧に保ちながら、坩堝を2500℃の溶融温度まで8時間かけて加熱昇温させて、上記混合物を融解させた。溶融温度で3時間保持した後、12時間かけて室温まで徐冷して凝固させ、Yb2O3のインゴットを得た。該Yb2O3のインゴットの密度は9.2g/mLであった。
次にエトキシ化ビスフェノールAジメタクリレート 50gにYb2O3 670gの割合で混合する以外は、実施例5と同様にして4.5mmの厚みを有する100mm×100mmの放射線遮蔽材を得た。
本比較例では、BaSO4粉末をポリ塩化ビニル樹脂に充填した放射線遮蔽材を作製した。該BaSO4粉末及びポリ塩化ビニル樹脂の屈折率はそれぞれ1.64及び1.54であり、両者の屈折率の差は0.10である。
ポリ塩化ビニル樹脂300gに市販のBaSO4粉末(平均粒子径 15μm)を2700gの割合で混合する以外は、実施例1と同様にして4mmの厚みを有する100mm×100mmの放射線遮蔽材を得た。
Claims (19)
- バリウムを一構成元素とするフッ化物粉末を20〜80容量%の割合で含む樹脂組成物よりなる放射線遮蔽材料であって、
前記樹脂組成物を構成する樹脂の屈折率に対する前記フッ化物粉末の屈折率の差が、±0.05の範囲内にある放射線遮蔽材料。 - 前記フッ化物粉末は、フッ化バリウム、又は、フッ化リチウムバリウムである請求項1に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記樹脂組成物を構成する樹脂が、1.4〜1.6の屈折率を有する請求項1又は2に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記フッ化物粉末の平均粒子径は、10〜500μmである請求項1〜3のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 樹脂中に金属フッ化物粉末が充填された樹脂組成物よりなる充填層を有する成形体であって、
前記金属フッ化物粉末の密度は、4.6g/cm3以上であり、
前記樹脂の屈折率に対する前記金属フッ化物粉末の屈折率の差は、±0.07の範囲内であり、
前記充填層は、厚み方向の一部または全部において金属フッ化物粉末の充填率が40容量%以上の層を有する
ことを特徴とする放射線遮蔽材料。 - 前記金属フッ化物粉末を構成する金属フッ化物は、金属フッ化物単体、又は、複数の金属フッ化物の固溶体で構成される請求項5に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記金属フッ化物粉末の粒子形状は、球状である請求項5又は6に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記樹脂の屈折率は、1.4以上1.6以下である請求項5〜7のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記樹脂は、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフィン樹脂又はシリコーン樹脂である請求項8に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体の全光線透過率は、65%以上である請求項5〜9のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体のヘイズは、40%以下である請求項5〜10のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体の鉛当量は、1.0mmPb以上である請求項5〜11のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体は、ゴーグル又は眼鏡のレンズ部である請求項5〜12のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体は、放射線物質含有液輸送用のパイプである請求項5〜12のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体は、放射線遮蔽用のシートである請求項5〜12のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 前記成形体は、放射線物質含有液用のシリンジである請求項5〜12のいずれか一項に記載の放射線遮蔽材料。
- 樹脂と、前記樹脂の屈折率との差が±0.07の範囲にある屈折率を有し密度が4.6g/cm3以上である金属フッ化物粉末とを準備し、
前記樹脂と前記金属フッ化物粉末とを含む樹脂組成物を作製し、
前記金属フッ化物粉末の充填率が40容量%以上である層を少なくとも一部に含むように前記樹脂組成物を成形する
放射線遮蔽材料の製造方法。 - 前記金属フッ化物粉末を準備する工程は、屈折率の異なる複数の金属フッ化物材料を準備し、材料の混合量を調整することによって固溶化後の金属フッ化物の屈折率を調整することを含む請求項17に記載の放射線遮蔽材料の製造方法。
- 前記樹脂を準備する工程は、前記樹脂の屈折率を、屈折率の異なる樹脂の混合物により調整することを含む請求項17又は18に記載の放射線遮蔽材料の製造方法。
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