タングステンの遮蔽（しゃへい）材料集號
第35號 遮蔽（しゃへい）材料集號
1. はじめに
放射線関連技術が進歩しその利用が拡大する中で、放射線遮へいには、その遮へい能力が優(yōu)れる割に安価である鉛、もしくは鉛含有材料の遮へい材が使用されてきました。しかしながら、鉛は人體に有害な物質であり地球環(huán)境に対して影響を及ぼすものとして世界的にも規(guī)制の動きがあり、その代替材料が求められています。
一方、環(huán)境への影響がきわめて小さなタングステンを主成分とするタングステン合金は、同體積における放射線遮へい能力が鉛と比較して非常に高く放射線遮へい材として利用されています。しかしながら、高溫で焼結するため柔軟性・加工性が悪い、値段も高価であるといった課題があり、その用途は限定されてきました。
上記の課題を克服するために、當社では長年培われてきた粉末冶金技術と複合化技術を融合することによって、タングステンと有機材料からなる全く新しい高密度の複合材料を開発し、柔軟性・リサイクル性を有する環(huán)境に優(yōu)しい「タングステンシート」として商品化しました。
2. タングステンシートの製造方法
タングステンシートの製造方法を図1に示します。高密度と柔軟性・加工性を同時に満足させるために、調整したタングステン粉末とリサイクル使用が可能なエラストマー樹脂を加溫混練する事でタングステンと樹脂の複合材料が得られ、更にシート狀に成形を行なうことで高密度のタングステンシートが得られます。
このシートは形狀250mm×250mm、250mm×500mm、250mm×1000mm、厚み1mm・2mm・3mmを標準サイズとしています。また、ご要望に
応じて最大形狀として800mm×1000mm、厚み1mm以下のシート製作が可能です。
＜図1＞タングステンシートの製造方法
3. タングステンシートの特性
タングステンシートの比重特性、機械的特性（硬さ、引張り試験）、放射線遮へい性能を評価したので以下に示します。
3-1. 比重特性
放射線遮へい能力に影響を及ぼす最も大きな材料特性は比重となりますが、タングステンシートの比重は11.5以上を示し、鉛（比重＝11.3）と同等以上の高比重特性が得られています。
3-2. 機械的特性
表1にタングステンシートの硬さ、及び引張り試験による破斷までの強度、伸び値を示します。材料に柔軟性のあるエラストマー樹脂を使用する事で、硬さは軟質で鉛製品と比較し柔軟で取り扱いが容易となっています。また、放射線遮へいシート材料として十分に実用に耐える機械的特性を有しています。
表1 タングステンシートの硬さおよび引張り試験結果
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測定項目 |
硬さ（デュロメーターA） |
引張り強さ |
切斷時伸び |
|
方法 |
JIS K6253 |
JIS K6251 |
JIS K6251 |
|
単位 |
- |
MPa |
% |
|
測定値 |
95.6 |
4.4 |
25 |
3-3. 放射線遮へい性能
放射線遮へい材に要求される最も重要な特性は放射線遮へい性能ですが、ここではX線を対象にした低エネルギー領域放射線と、原子力発電所等で問題となるCo60γ線を対象にした高エネルギー領域放射線の2種類の放射線に対する遮へい性能を評価しました。
まず、X線に対する遮へい性能として、表2にJISZ4501「X線防護用品の鉛當量試験方法」による鉛當量試験の結果を示します。試験片は100mm×100mm×0.9mmのタングステンシートを用い、管電圧100kV及び150kVのX線について鉛當量を測定しました。タングステンシート1mm厚さあたりの鉛當量は1.1mmPb～1.2mmPbに相當しており、鉛より高い遮へい能力を有していることが確認されました。
次に、高いエネルギー領域の放射線を対象にした遮へい性能試験として、Co60γ線に対する減衰率を測定評価しました。測定條件は線源にCo60 （59.8MBq）を使用し、タングステンシート（250mm×250mm）の厚みを変え線量を測定し放射線の減衰率を求めました。図2にタングステンシート及び、同條件にて測定したタングステン合金、鉛における放射線減衰率を示します。タングステンシートはγ線源に対して鉛と同等の遮へい性能を示すことが確認されました。
表2 タングステンシートの鉛當量試験結果
|
管電圧（kV） |
鉛當量測定値（mmPb）
（100mm×100×0.9mm） |
1mm厚みシート換算
鉛當量（mmPb） |
|
100 |
1.06 |
1.18 |
|
150 |
1.00 |
1.11 |
3-4. 耐放射線性
タングステンシートに対して強い放射線であるγ線を長期間照射し放射線耐久性を評価しました。放射線源として1.2MeVCo60線源を用い560Gy/hrの條件で105Gy相當量のγ線をタングステンシート試験片（サイズ：100mm×30mm×1.4mm比重：11.6）に連続照射し照射前後の機械的特性を測定しました。表3に試験結果を示しますが、γ線照射前後の試験片の外観を比較しても変化は認められず、またγ線照射にて著しい強度劣化は確認されませんでした。
＜図2＞タングステンシートおよびタングステン合金、鉛のCO60γ線減衰率
表3 タングステンシートのγ線照射試験結果
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項目 |
単位 |
照射前測定値 |
照射後測定値 |
|
硬さ（デュロメーターA） |
- |
96 |
97 |
|
引張り強さ |
MPa |
8.15 |
11 |
|
切斷時伸び |
% |
8 |
15 |
|
外観性狀 |
- |
変化なし |
3-5. 耐熱特性
タングステンシートの材料は樹脂とタングステンの複合材料で構成されており、熱特性は樹脂の特性に依存します。タングステンシートにおいては、リサイクル性を考慮し熱可塑性のエラストマー樹脂材料を使用しており、60℃以上の高溫雰囲気では軟化、変形しやすい特徴を有しております。特に溫度の高い狀態(tài)でご使用いただく際はお問い合わせの上、事前に評価確認のほどお願い致します。
4. タングステンシート応用製品
當社では、放射線遮へい部材として標準のタングステンシート以外にもニーズに対応した各種タングステンシート応用製品を提供しております。以下にタングステンシートおよびタングステンシート応用製品をご紹介します。
4-1. タングステンシート
タングステンシートの外観寫真を図3に示します。タングステンシートは高い放射線遮へい性能を示すため、各種X線裝置等の遮へい材として応用できます。例えば、放射線の発生源を収納している容器の內側あるいは外側に接著、ビス留め等で固定して使用することが出來、特にタングステンシートは柔軟性があり、且つハサミ等で簡単に切斷・穴あけが可能であるため、配管や曲面形狀に巻きつけ所定の寸法への切斷・固定等が容易に行えるといった特長があります。
4-2. タングステンマット
原子力発電所では定期検査時の仮設遮へい材として、鉛の毛を袋に織り込んだ鉛毛マットがよく使用されていますが、この代替として図4に示すようなタングステンマットが使用できます。タングステンマットはタングステンシートを表面コーティングされたガラスクロスに縫製、封入したもので、鉛毛マット以上の柔軟性を持ち、使用中の型くずれ（鉛毛が片側に集まる）もなく、取り扱いが容易です。また、タングステンマットは鉛毛マットの1/3程度の厚さで同等の遮へい能力を持つことができるため、保管、廃棄等にも便利と言えます。
4-3. 小徑配管用ロール狀成形品
鉛毛マットでは遮へいし難いとされている小徑配管については、タングステンシートをそのまま巻きつけても良いが、更に遮へい材の設置、撤去の時間を短縮し、作業(yè)者の被爆低減を図る目的に、図5に示すような円筒狀に成形したロール狀成形品が使用できます。これは、あらかじめタングステンシートをロール狀に成形し、配管への著脫をワンタッチで行うことができるようにしたもので、タングステンシートが熱可塑性で、ある程度の加溫で容易にどのような形狀にも成形でき、且つ、常溫ではその形狀を保つことができることを利用しています。
4-4. テープ狀成形品
エルボ配管や、フランジ、バルブといった複雑な形狀箇所への遮へいには、図6に示す特殊成
形法により製作したテープ狀成形品が効果的に使用いただけます。タングステンシートやロー
ル狀成形品では適用が困難な箇所において有効な遮へい材となります。
4-5. フィルム補強タングステンシート
遮へい部材の中でもX線裝置用遮へいカーテンといった部材に対しては柔軟性と繰り替えし曲げにおける耐久性が要求されます。タングステンシートは遮へい性能に優(yōu)れ切斷加工性が良い反面、繰り返し曲げに弱い欠點がありましたが、特殊補強フィルムをタングステンシートにラミネート処理を施し、柔軟性を保ちながら繰り返し曲げ耐久性を改善した遮へいシート材料を開発しております。図7にフィルム補強シートの斷面拡大図を示します。また繰り返し曲げ試験結果を図8に示します。フィルム補強により繰り返し曲げ特性の改善が確認されました。
＜図7＞フィルム補強タングステンシート斷面拡大（遮へい厚み：9.3mm フィルム厚み：0.15mm）
＜図8＞タングステンシート繰り返し曲げ試験結果
A）タングステンシート（補強なし シート厚み：0.3mm）
B）フィルム補強タングステンシート（フィルム厚み：0.15mm シート厚み：0.3mm）
試験方法：デマチャ屆曲試験 折り曲げ角度：90° サイクル：300回/min
5. タングステンシートの応用事例
タングステンシートは上記に説明した各種X線裝置や原子力発電所における遮へい材以外にも、以下のような応用事例においても高い評価が得られています。
5-1. 醫(yī)療機関における遮へいシート
放射線治療をおこなっている病院施設では人體に放射線を照射する際、照射する必要がない箇所への遮へいマスク材として鉛板を使用されていますが、任意の形狀に加工するのが困難でした。そこで、鉛板の替わりにタングステンシートを用いて必要な形狀へと容易に切り出すことが可能となり作業(yè)効率の改善が得られています。
5-2. ウェイト・制震用部材
電子機器、産業(yè)機械における回転體バランスウェイト材として、従來比重の高い鉛材が使用されています。タングステンシートは鉛と同等の比重特性を示すことより鉛代替えのウェイト部材として高くご評価いただいております。
6. まとめ
當社で開発したタングステンシートは、鉛と同等以上の高い放射線遮へい性能を有し、優(yōu)れた柔軟性・加工性・リサイクル性を兼ね備えているため、醫(yī)療用のレントゲン裝置から各種工業(yè)分野におけるX線裝置、また原子力発電所、大型電子加速設備といった放射線施設內で使用される「環(huán)境に優(yōu)しい放射線遮へい材」として、また放射線遮へい材以外にも鉛代替えウェイト部材、等の鉛替材料として応用が期待されます。
Collected By Hanns from www.tungsten-alloy.com
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