JP3557864B2 - 放射線遮蔽材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線遮蔽を目的とする材料およびその製造方法に関し、放射線治療用遮蔽材のみならず、原子力関係の放射線遮蔽や工業・医療用放射線検査機等の放射線遮蔽の分野において用いられる放射線遮蔽材に関する。
【0002】
【従来の技術】
放射線遮蔽の分野においては、放射線治療および測定において目的とする部位のみに必要量の放射線を照射し、放射線照射の必要の無い部位には照射を行わないようにして、正常細胞の破壊や、必要以上の被爆を防ぐことが必要である。しかし、放射線遮蔽対象となる部位にのみ照射するのは困難であるため、必要部位以外では放射線を遮蔽するための遮蔽材が用いられている。
【0003】
従来、かかる放射線遮蔽材として、放射線防護衣等の高い遮蔽能の要る用途には鉛、鉛化合物、若しくは鉛合金、またはアンチモン等を樹脂またはゴムに配合した材料が一般に使用され、また比較的弱い放射線の場合はアクリル板等が用いられている。さらに、高い放射線遮蔽機能が要求される部位にはタングステンが用いられている。
【0004】
放射線遮蔽材として鉛または鉛合金を用いる場合、所定の形状にするために鋳型を作製し、この鋳型に鉛または鉛合金を溶解して鋳込み成形を行う方法や、直径数mm程度の鉛または鉛合金球を作製し、所定の形状に造られた型枠に充填して使用する方法がある。
【0005】
しかしながら、上記の方法で放射線遮蔽材を使用するには種々の問題がある。まず、放射線遮蔽材として鉛または鉛合金を用いる場合には、上述の工程を経るため、コスト高となる上、溶解での作業環境の悪化や人体への悪影響などが問題となる。また、所定の形状を得た後においても、本放射線遮蔽材表面に腐食が発生し、取り扱い時に腐食成分が脱離するなど衛生上の問題もある。
【0006】
さらに、鉛合金の融点は約80℃と低く、医療用として使用する場合には、熱湯中100℃前後で加熱滅菌処理が行えない上に、200℃前後の耐熱性が要求される原子力発電所の配管等には用いることが出来ない。
【0007】
放射線遮蔽材としてアクリル板等を用いる場合には、放射線遮蔽能力が低いため、遮蔽材の厚みを厚くする必要がある。このため切断等の機械加工が容易でなく、専用の設備を必要とし、コスト高となるなどの問題がある。また、これを医療用として使用する場合には、滅菌するために用いる有機溶剤によりアクリル板が溶解するなどの問題がある。
【0008】
さらに、タングステンを用いる場合は、所定の形状に圧延または切断加工して使用する方法が一般的である。しかし高比重、硬質かつ脆いため、取り扱いによっては自重や衝撃によって破損し使用不能となったり、切断や加工が容易でないため高価になるという問題がある。
【0009】
また、前述した全ての材料には以下の問題がある。先ずこれらを可動部等の応力がかかる部位に使用すると、応力または疲労による破損等が発生し、使用することが出来ない。さらに複雑な凹凸形状にして使う場合、材料が容易には弾性変形しないため、被遮蔽体に容易には密着させ難く被遮蔽材との間に空間が生じ、2次的に発生した放射線がそこで散乱し、遮蔽精度を低下させる等の問題もある。
【0010】
例えば特開昭62−124133号公報、特開昭62−212465号公報、特開平2−77696号公報および特開平8−110393号公報には鉛または鉛化合物(鉛酸化物等)等を樹脂またはゴムに配合した遮蔽材が開示されているが、これらはタングステンなどの重金属に比べると放射線遮蔽能力が低い。このため、例えば医療用などの高い遮蔽能力の要る用途に用いる場合には厚みまたは寸法を大きくする必要があり、限られた空間での使用には問題がある。配合材にアンチモンを用いても同様である。また、これらは、有機溶剤等に溶解しやすい場合が多く、200℃前後の高温に耐えることが出来ない問題もある。さらに、こうした毒性物質の取り扱いおよび廃却処分では、環境および人体への悪影響がある。
【0011】
特開平3−12597号公報および特開平3−12598号公報には中性子線およびγ線の遮蔽材として酸化ガドリニウム、水酸化ジルコニウム、炭化硼素、鉛、および鉛酸化物の粉末を天然または合成ゴムに配合した放射線防護用手袋が開示されている。しかしこれらも遮蔽能力が低く、高い遮蔽能力を得るためには、その厚みを大きくする必要があり、手袋としての使用感が低下する。
【0012】
また、以上の問題を解決する手段の一例が、特開平8−122492号公報に開示されているが、有機溶剤等に溶解し易く、しかも200℃前後の高温に耐えられない樹脂を使っているため、用途が限られる。また、樹脂剤又は可塑剤の少なくとも一方を溶剤に溶かした後に溶剤を乾燥除去する過程でタングステンが沈降し、その分布が不均一になりやすいため、遮蔽能力が不均一になり易い。
【0013】
特開昭62−12896号公報には特定のシリコーンゴム中にタングステン粉末を充填させたγ線遮蔽材が開示されている。これは2液混合によってゴム成分を硬化させているため、硬化中に比重の高いタングステン粉末が重力等によって材料中に均一に分散し難く、均一な遮蔽能力を得難い。
【0014】
また、シリコーンゴムは、引裂きに弱く、耐磨耗性および耐屈曲亀裂性が低い上に耐油性に劣るため、この遮蔽材を応力のかかる部位に使用した場合、破損または磨耗し易く長期間の使用が出来ない。さらに、原子力発電所等の配管のように高温の油成分と接触する可能性のある部所には使用できない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
前記のごとく、従来の放射線遮蔽材においては、鉛または鉛合金板、アクリル板またはタングステン板等が用いられてきたが、これらの材料では所定の形状を得るための成形や加工に要するコストが高くなる。さらに鉛などの有毒物質を含むものでは環境・衛生上の問題が発生する。また使う樹脂によっては高温での使用ができなかったり、実用時の有機溶剤に耐えられない場合もあるため、放射線遮蔽能力が低く材料寸法を大きくする必要があったり、可動部位に使用できない等の問題がある。さらにタングステン板を用いた場合、難加工であることや重量が嵩むこと等、その取り扱いが非常に困難であるという問題がある。
【0016】
本発明は、かかる従来の事情に鑑み、前記の材料に代わる環境上の問題がなく、高い放射線遮蔽能力を有し、成形および加工が安価かつ簡易であり、取り扱いが容易なうえ、耐熱性および耐薬品性に優れ、可動部位にも使用可能な弾性変形能を有する放射線遮蔽材、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する放射線遮蔽材は、放射線吸収率の高い材料の粉末と、加硫ゴムからなり、材料全体が弾性変形能を有することを特徴とする。
【0018】
また、本発明が提供する放射線遮蔽材の製造方法は、放射線吸収率が高い材料の粉末を未加硫ゴムにあらかじめ分散させ、その後所定の形状となるように加硫成形する事を特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の放射線遮蔽材においては、比重が12以上(鉛、鉛合金の比重より大である。)の放射線吸収率の高い材料からなる粉末を加硫ゴム中に混合分散させ、前記粉末の各粒子が加硫ゴムに取り込まれた状態となっているため、材料全体が弾性変形能を有している。
【0020】
このため、本発明の放射線遮蔽材は取り扱いが容易であり、加工が極めて簡単で加工コストも大幅に低減できる。さらに高い放射線遮蔽能力を得るために粉末の含有量を多くした場合でも自重や衝撃による破損等が生じ難い。
【0021】
また、材料全体に弾性変形能を有するため、従来の材料では使用不可能であった可動部位等の放射線遮蔽に関しても使用可能であるばかりか、凹凸形状の面にも容易に密着させることが可能である。また、単に密着させるだけでなく、片側または両側に粘着層を設けた形で使用すれば、配管等へ巻き付けて接着固定することも容易である。さらに、この放射線遮蔽材では、放射線吸収率の高い材料が加硫ゴムに取り込まれているため、取り扱う上で当該粉末の脱離による汚れの発生や、粉末材料の腐食等、衛生上の不具合も生じることがない。
【0022】
次に放射線吸収率の高い材料の比重が12以上であれば、鉛や鉛合金等の比重12未満の材料を使用したものと比較して、本発明に含まれる当該材料の比率が少なくても同等以上の放射線遮蔽能力が得られる。
【0023】
タングステン、タングステン化合物、またはタングステン基合金を使用すれば、高い放射線遮蔽能力を得ることが出来るうえ、鉛や鉛合金を使用した場合に比較して、環境および人体への悪影響が殆ど無く、衛生的かつ安全な製品を提供することができる。因みにタングステンのγ線吸収係数(cm -1 )は、γ線のエネルギーが1.5MeVにて、約1という大きいものである。タングステン化合物、タングステン基合金も同様に高い。他方鉛のそれは、γ線のエネルギーが1.5MeVにて、約0.6である。
【0024】
本発明の遮蔽材中の粉末の含有率は80重量%以上99重量%以下である。好ましくは85重量%以上95重量%以下である。粉末含有率が80重量%より少ないと、当該材料全体の放射線遮蔽能力が低下し、実用的ではない。また、いかに比重の軽い加硫ゴムを用いたとしても粉末含有率が99重量%を超える場合には、粉末粒子が加硫ゴムに完全に取り込まれなくなり、材料全体の弾性変形能が保持できなくなる。
【0025】
本発明の遮蔽材に分散される粉末は、その平均粒径が、フィッシャーサブシーブサイザー法で計量されるそれ(以下F.s.s.s.粒径と称す。)で10μm以下であるとともに、4μm以上100μm以下の粒径の粒子群60重量%以上95重量%以下、4μm未満の粒径の粒子群が5重量%以上40重量%以下の構成からなる混合粉末である。なおF.s.s.s.粒径は、JIS H 2116による装置で測定した粉末全体の平均粒径であり、実際の粉末では、その平均粒径に対してある範囲の粒径分布がある。即ちF.s.s.s.粒径が10μm以下の場合で個々の粒子では10μmを越すものも存在する。F.s.s.s.粒径を10μm以下とすることによって、粉末粒子が加硫ゴムに取り込まれ易くなり、材料全体の弾性変形能を保持する事が容易となり、粉末粒径の制御されていない従来材に比べ実用信頼性が一層向上する。
【0026】
本発明の材料では上記のように、分散される粉末の平均粒径を制御するとともに、さらに4μm以上100μm以下の粒径の粒子群を有する粉末が60重量%以上95重量%以下、4μm未満の粒径の粒子群を有する粉末が5重量%以上40重量%以下の比率で混在するようにする。このように二つの粒子群を混在させることによって、同一平均粒径の粉末のみの場合に比べ混合後の粉末のかさ密度をより大きくすることができる。例えば平均粒径を10μm以下としただけの第一の遮蔽材に対し、それと同じ弾性変形能を得ようとするならば、このような組み合わせの混合粉末を第一の遮蔽材と同じ重量使っても、材料全体に占める粉末の体積割合を増やすことができる。その結果遮蔽材の放射線遮蔽能力を高めることができる。なお上記の「かさ密度」は、JIS Z 9211によるもので、固体粒子の単位体積当りの質量である。
【0027】
本発明の遮蔽材を製造する際の粉末の好ましい形態の具体例としては、5μm以上10μm以下のF.s.s.s.粒径を有する粉末と、0.5μm以上5μm未満の同粒径を有する粉末とを粒径分布に応じた配合比にて混合したものを用いる場合がある。これによっても前文節に記載された有利な効果が、より容易に実現できる。
【0028】
本発明で用いる加硫ゴムは特に種類を限定するものではないが、フッ素ゴムが好ましい。これにより平均200℃の環境下で使用可能で、かつケトン類を除く殆どの有機溶剤、薬品に耐えることが可能な弾性変形能を有する放射線遮蔽材を提供することができる。またフッ素ゴムの加硫剤としてパーオキサイドを用いた場合には特に耐薬品性に優れ、ポリオールを用いた場合には特に耐熱性に優れる放射線遮蔽材を提供できる。その他の加硫ゴムとしては、一般の樹脂以上の耐熱性を有するエチレン・プロピレンゴム、高い耐油性を有するニトリルゴム、さらにこれらより安価な天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴムなどが、使用される環境に応じて使用可能である。
【0029】
また、放射線吸収率の高い材料にタングステン粉末等の導電性を有するものを用い、さらに加硫ゴムに例えばカーボン粉末(カーボンブラックとも称される。)等を添加し導電性を付加すれば、材料全体が導電性になるため、放射線遮蔽材としての用途に加えて電磁波遮蔽材としての用途を付加することができる。
【0030】
また、本発明材に加硫ゴムを用いることにより、様々な特殊な性能を付与することができる。例えば加硫ゴムの組成を食品衛生上問題のないものだけに限定し、粉末に例えば衛生的なタングステンを用いれば、食品用X線検査装置等の食品に直接触れる部位の放射線遮蔽材として使用することができる。また加硫ゴムに市販の抗菌剤を分散すれば、優れた抗菌性を付与することができる。このように衛生用途により、はるかに優れた放射線遮蔽材が提供でき。さらに分散させる充填剤の種類や量によっても、硬さ、強度など、その機能レベルを変えることができる。このためゴムの弾性変形能を最大限に保つことのできる薄くて強いものから、ゴムの弾性変形能を残したまま金属のように加工ができる程に厚く、硬目のものまで作ることが出来る。このように用途および/または形状に応じた種々の機能を有する放射線遮蔽材を提供できる。
【0031】
一方、本発明の放射線遮蔽材の製造は、放射線吸収率が高い材料の粉末を未加硫ゴムにあらかじめ分散させ、その後所定の形状となるように加硫成形する方法によって行う。本方法は、対象とする粉末とゴムとの混合物およびその成形体が取り扱い易く、塑性加工もし易いため、従来の加硫ゴム製品の製造設備で容易に行うことができるため、生産コストを低減することができる。
【0032】
また放射線吸収率の高い粉末材料にタングステン、タングステン化合物、またはタングステン基合金を使用することによって、従来の鉛や鉛合金を使用する場合のように、製造中これらの粉末に分解や化学反応がおこり難くなる。このため繰り返し利用が可能で耐久性に優れた遮蔽材が得られる。したがって従来の鉛や鉛合金を使用した遮蔽材に比べ作業環境の悪化や人体への悪影響等も少ないという利点がある。以下実施例により更に説明する。
【0033】
【実施例】
(参考例1) F.s.s.s.粒径3μmのタングステン粉末88重量%と加硫剤としてパーオキサイドを適当量配合した未加硫のフッ素ゴムを12重量%秤量し、これをオープンロールにて15分混合した。その後加圧プレスにて1mm厚の加硫ゴムシート(以下、試料1と称す)を製作した。また同一F.s.s.s.粒径のタングステン粉末を95重量%と加硫剤として硫黄を適当量配合した未加硫のEPDMゴム(エチレンープロピレンゴム。以下同じ)を5重量%秤量し分散させた試料を同様に製作した(以下、試料2と称す)。
【0034】
これらの試料1および2の断面を走査電子顕微鏡(以下SEMと言う。)で観察したところ、加硫ゴム中にタングステン粉末がほぼ均等に分散しているのを確認できた。試料1および2の遮蔽材全体の比重はいずれも約9であり、放射線遮蔽能力は一例として6MVのX線における放射線吸収特性を測定したところ、同一厚みの鉛合金板の約96%であり、同じく同一厚みの市販の含鉛シート(比重約4)の約2倍で、鉛合金とほぼ同等でかつ含鉛シートよりも優れた放射線遮蔽能力を有していることが確認された。
【0035】
試料1および2の引張強さを測定したところ、いずれも60Kg/cm2以上あり、使用中に自重で垂れたり、変形したりすることがないことを確認した。また伸び(G.L.=100mm 以下同じ。)は200%以上であり弾性変形能を有していた。
【0036】
これらの試料1および2は同一厚みの鉛板に比べて容易に切断可能で、また微小な曲面にも密着可能な弾性変形能を有することを確認した。更に繰り返し屈曲させると、同一厚みの鉛板が90度で50回屈曲(1往復の屈曲で、1回とする。)において疲労で切断するのに対し、試料1および2は全く影響を受けず疲労の痕跡はなかった。
【0037】
試料1および2の上方2mの所から重量5kgの鉄球を試料上に自然落下させたところ、いずれの試料にも亀裂等の破損は生じなかった。同様の落下試験を同一寸法のタングステン板で行ったところ、亀裂が生じた。
【0038】
試料1および2を温度を変えた空気中に曝露したところ、試料1は200℃で少なくとも56日間伸びと引張強さを保持した。また試料2は、200℃では1日間で伸びと引張強さの低下が見られたが100℃で少なくとも56日間伸びと引張強さを保持した。
【0039】
試料を室温で各種薬液に浸漬した結果、試料1はメチルエチルケトン等のケトン類以外ではほとんど膨潤せず、全く溶解しないことを確認した。また試料2はガソリン、ベンゼンに溶解したが、その他のものにはほとんど侵されなかった。
【0040】
試料1および2と鉛合金を、大気中にて温度60℃で湿度90%の環境下に100時間保持したところ、鉛合金には腐食の発生が観察されたが、試料1及び2は全く腐食していなかった。
【0041】
(参考例2) F.s.s.s.粒径1μmのタングステン粉末15重量%とF.s.s.s.粒径8μmのタングステン粉末85重量%をあらかじめ混合した。本混合粉末90重量%と加硫剤としてパーオキサイドを適当量配合した未加硫のフッ素ゴムを10重量%秤量し、これをオープンロールにて15分混合した。その後加圧プレスにて1mm厚の加硫ゴムシート(以下、試料3と称す)を製作した。また前記混合粉末96重量%と加硫剤として硫黄を適当量配合した未加硫のEPDMゴムを4重量%秤量した試料を同様に製作した(以下、試料4と称す)。
【0042】
これらの試料3および4の断面をSEMで観察したところ、加硫ゴム中にタングステン粉末がほぼ均等に分散しているのを確認できた。試料3および4の遮蔽材全体の比重はいずれも約10であり、同一粒径の粉末のみを用いて同一方法で製作した試料1および2と比較して、放射線遮蔽能力が約1割向上した。
【0043】
また、試料3および4の引張強さ、伸び、耐熱性、耐薬品性およびその他の特性は、それぞれ試料1および2とほぼ同一であった。
【0044】
(実施例1) さらに、F.s.s.s.粒径1μmのタングステン粉末とF.s.s.s.粒径10μmのタングステン粉末をあらかじめ種々の配合比にて混合した。本混合粉末と加硫剤としてパーオキサイドを適当量配合した未加硫のフッ素ゴムを秤量し、これをオープンロールにて15分混合した。その後加圧プレスにて1mm厚の加硫ゴムシート(以下、試料5と称す)を製作した。
【0045】
ここで混合粉末とフッ素ゴムの配合割合は製作した試料5の引張強さおよび伸びが試料1と同一になるように(引張強さ60Kg/cm 2以上で伸び200%以上)決定した。ここで、本試料5についてゴム成分を除去した後、残タングステン粉末の粒度分布を測定して、4μm以上100μm以下の粒径を有する粉末の重量%をXとし、4μm未満の粒径を有する粉末の重量%をYとした。X値、Y値、混合粉末とフッ素ゴムの配合割合および比重は表1の通りとなった。
【0046】
【表1】
【0047】
上記の結果より、試料1と同様の引張強さおよび伸びを有する試料は、4μm以上100μm以下の粒径を有する粉末(上表中X値)が60重量%以上95重量%以下で、4μm未満の粒径を有する粉末(上表中Y値)が5重量%以上40重量%以下の試料であり、それらは全て比重が9.5以上となった。それらの試料の放射線遮蔽能力については、一例として6MVのX線における放射線吸収特性を測定したところ、同一厚みの鉛合金の1〜1.1倍の吸収率を示し、鉛合金以上の放射線遮蔽能力を有していることが確認された。
【0048】
(参考例3) また、F.s.s.s.粒径3μmのタングステン粉末を92重量%と、未加硫のSBRゴム(スチレンとブタジエンによる一般用合成ゴム)および加硫剤とで8重量%としたものに導電性を付加するためにカーボンブラックを適当量配合した。これをオープンロールにて5分混合した。その後加圧プレスにて1mm厚の加硫ゴムシート(以下、試料6と称す。)を製作した。試料6の放射線遮蔽能力を試料1と同じ計量法で確認したところ、試料1に比べ約2割低下した。しかしながら試料6に導電性が付加されることにより新たに電磁波遮蔽能力が得られ、本発明材において放射線遮蔽能力に電磁波遮蔽能力を付加可能であることが確認された。
【0049】
尚、放射線吸収率の高い材料として、タングステン、タングステン化合物、またはタングステン基合金の他にタンタル(比重16.6)、レニウム(比重21.0)およびオスミウム(比重22.5)(γ線吸収係数(cm-1)が、γ線のエネルギー1.5MeVにて、約0.7以上1.2以下のもの)やこれらの化合物または合金等を単独あるいは二種以上混合して使用することも可能であり、またゴム材および加硫剤の種類および混合比率はタングステン等の粉末の種類、必要とする放射線遮蔽能力、比重もしくは物性等により、適宜選択することができることを確認した。また、例えば本発明材に顔料などによって着色することもできる。このように 本発明の遮蔽材では種々の特性を制御したり、種々の機能を付加したりすることが容易にできる。
【0050】
【発明の効果】
本発明によれば、衛生的で、高い放射線遮蔽能力を有し、成形および加工が安価かつ簡易であり、取り扱いが容易なうえ、耐熱性および耐薬品性に優れ、可動部位にも使用可能な弾性変形能を有する放射線遮蔽材およびその製造方法を提供することができる。
Claims (12)
- 粉末と加硫ゴムからなる放射線遮蔽材であって、前記粉末を80重量%以上99重量%以下含み、該粉末は、その比重が12以上で放射線吸収率が高く、そのF.s.s.s.粒径が10μm以下であるとともに、4μm以上100μm以下の粒径の粒子群60重量%以上95重量%以下、4μm未満の粒径の粒子群が5重量%以上40重量%以下の構成からなる混合粉末であり、弾性変形能を有することを特徴とする放射線遮蔽材。
- 前記粉末がタングステン、タングステン化合物、又はタングステン基合金の少なくとも一種の粉末であることを特徴とする請求項1に記載の放射線遮蔽材。
- 放射線吸収率の高い材料の粉末のγ線吸収係数が、γ線のエネルギー1.5MeVにて、0.7以上1.2以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の放射線遮蔽材。
- 加硫ゴムが加硫酸フッ素ゴムであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の放射線遮蔽材。
- 加硫ゴムに導電性を持たせたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の放射線遮蔽材。
- 粉末を未加硫ゴムにあらかじめ分散させ、その後所定の形状となるように加硫成形する放射線遮蔽材の製造方法であって、前記粉末が比重が12以上で放射線吸収率が高く、そのF.s.s.s.粒径が10μm以下であるとともに、4μm以上100μm以下の粒径の粒子群60重量%以上95重量%以下、4μm未満の粒径の粒子群が5重量%以上40重量%以下の構成からなる混合粉末であり、該粉末を80重量%以上99重量%以下分散させることを特徴とする放射線遮蔽材の製造方法。
- 前記粉末が、5μm以上10μm以下のF.s.s.s.粒径の粉末と、0.5μm以上5μm以下のF.s.s.s.粒径の粉末との混合物であることを特徴とする請求項6に記載の放射線遮蔽材の製造方法。
- 前記粉末のγ線吸収係数が、γ線のエネルギー1.5MeVにて、0.7以上1.2以下であることを特徴とする請求項6または7に記載の放射線遮蔽材の製造方法。
- 前記未加硫ゴムが未加硫のフッ素ゴムであることを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の放射線遮蔽材の製造方法。
- 加硫剤としてパーオキサイド又はポリオールの少なくとも一種を用いることを特徴とする請求項9に記載の放射線遮蔽材の製造方法。
- 前記未加硫ゴムに導電性付加剤を配合することを特徴とする請求項6から10のいずれかに記載の放射線遮蔽材の製造方法。
- 前記導電性付加剤が、カーボン粉末であることを特徴とする請求項11に記載の放射線遮蔽材の製造方法。
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