JP2004198431A - 放射線遮蔽システム、放射線遮蔽筐体を提供するプロセス、および遮蔽電子システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高価で時間がかかる専用の外部放射線遮蔽材を製造する必要なく、外部の電離放射線に対してシステムを硬化させる方法を提供する。
【解決手段】 電離放射線にさらされると破壊しやすい少なくとも１つの部品１０を有する放射線遮蔽システム、および放射線遮蔽システムを作る方法であって、破壊しやすい部品は、高原子番号金属層１４が熱溶射手法を用いて表面上に堆積された剛性のハウジング１２によって防護されている。
【選択図】 図２

Description

発明の分野
この発明は、外部の電離放射線から損傷を受けやすい部品を遮蔽するためのシステムおよび方法に関する。特に、この発明は、外部電離放射線から、電子、有機または超小型機械部品を、高原子番号の金属の層で被覆されたハウジングを用いて遮蔽するシステムおよび方法を提供する。さらに、この発明は、熱溶射手法により堆積された高原子番号金属層を有するハウジングを用いた放射線遮蔽システムに関する。

発明の背景
今日の軍用、宇宙用および商用電子機器設計の多くは、厳しい人工または自然の放射線環境において、および或る極端な場合ではその双方の組合せにおいて動作することが要求される。電子機器を電離放射線環境にさらすことは、壊滅的な損傷、動作寿命の減少、および、回路を防護するために物理的な防護が利用されていないならば重要なデータの損失を結果としてもたらし得る。

電子機器と同様、車両に搭載されて保持されているかまたは静止した場所に内蔵されているかもしれない他の部品は、電離放射線による損傷または破壊を受けやすい。これらは、有機体、超小型機械素子、および磁気、光、電子または有機記憶システムを含むが、それらに限定されない。

電子システムおよび或る程度までは有機、超小型機械、およびさまざまな記憶システムの設計および生産中に採用されてそれらのシステムを望ましくない環境上の影響から防護する措置は、システム硬化慣例として公知である。システム硬化の主要な一局面は、専用の放射線遮蔽による外部の電離放射線源の減衰である。遮蔽材料の質量、密度、および厚さの組合せを介して、外部電離放射線環境は数桁低減可能であり、それにより放射線に影響されやすいシステムへの損傷の可能性を低減させる。

航空機、宇宙船、および地上用車両に搭載された電子機器および他の装置用のハウジングは、ほとんどの場合、空間および重量制限をまず考慮して設計される。特に、物理的構造内にきっちりと詰められなければならない電子機器用のハウジングはしばしば、電子機器が搭載される構造に最も効率よく整合するような形状および寸法に作られる。さらに、航空機および宇宙船に使用される電子機器用のハウジングは、ハウジングの厚さ、寸法および密度が電子機器の構造的防護または熱防護にとって必要なだけ大きい状態で、できるだけ軽量であるように設計される。

電離放射線からの損傷を受けやすいかもしれない電子機器および他の部品用のハウジングは通常、重量および寸法の考慮事項を念頭において設計されてはいないため、それらは外部の電離放射線からの防護を提供するにはあまり適していない。重量および寸法の低減に関連する典型的な目標とは対照的に、防護されていない部品の放射線遮蔽は伝統的に、大きな質量を有する高原子番号材料で構築された専用のハウジングとして提供されてきた。放射線遮蔽筐体は通常、高原子番号金属から、特化された打抜き加工プロセス、成形プロセス、フライス加工プロセス、および溶接プロセスを用いて製造されるが、それらのプロセスはハウジングの重量および寸法を非常に増加させる。筐体の放射線減衰特性が比較的重くて高密度の材料を必要とするだけでなく、筐体は、筐体を構築する正確な寸法の金属材料の入手可能性が欠如しているために、設計余裕をしばしば考慮に入れなければなら
ない。

必要とされるのは、高価でかつ時間がかかるプロセスである専用の外部放射線遮蔽材を製造する必要なく、外部電離放射線に対してシステムを硬化させる方法である。

発明の概要
この発明は、放射線を減衰する高原子番号金属層が熱溶射堆積手法により堆積されることで被覆された剛性のハウジング内に含まれる、電子、有機、圧電性電子、電磁気、超小型機械、または記憶部品などの、電離放射線にさらされることによる損傷または破壊を受けやすい部品（総称して「破壊しやすい部品」）で構成されるシステム、およびシステムを作る方法である。ハウジングは破壊しやすい部品へ構造的防護を提供し、一方、高原子番号金属層は、内部の部品が放射線の外部源から防護されるよう、外部電離放射線を減衰する。

このシステムは、供給業者から破壊しやすい部品とともに提供されたかもしれないものなどの既存の未硬化のハウジングの修正を可能にする。この発明によれば、未硬化のハウジングを必要な高原子番号の金属材料で被覆してもよく、そのため重金属材料のハウジングを一から製造する必要はない。

金属製のハウジングはさまざまな寸法、形状、および重量で提供され、航空機、宇宙船、およびミサイルなどの飛行システムに搭載された金属製のハウジングはほとんど常に、重量を念頭において設計されている。ハウジングはほとんどの場合、アルミニウムまたは低密度の金属から構築されている。ハウジングの厚さおよび補強は、破壊しやすい部品の防護に必要な構造的防護および熱防護によって決まる。ハウジングの形状は、ハウジングが存在する車両または他の物理的場所の空間制限によって決まる。限られた空間内に設置されるハウジングはしばしば、従来とは異なる形状に形成されなければならない。

高原子番号の金属皮膜は、熱溶射手法を用いてハウジングに塗布される。高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、およびプラズマアーク溶射（ＰＡＳ）の変形などの熱溶射堆積手法は、金属粒子を熔融状態または可塑性状態で基材へ向けて超音速で投射し、粒子が基材に衝突してその上に一体型の皮膜層を形成するようにする方法である。熱溶射は伝統的に、腐食抑制および耐摩耗性皮膜を提供するために用いられてきた。

発明者たちは、タンタル、タングステン、および鉛などの高原子番号金属層を既存の剛性のハウジングの外部表面へ塗布するのに、熱溶射手法を用いてもよいことを発見した。高原子番号金属は、高密度および低有孔率の皮膜としてハウジングへ塗布されてもよく、それは電離放射線の優れた減衰を提供する。

熱溶射手法を用いて高原子番号金属を既存のハウジング上へ堆積させることにより、以前のめっき方法よりも経済的に皮膜が塗布され得る。また、めっきに関連する有害な化学物質が不要となる。なぜなら、ＨＶＯＦプロセスは、酸素と、プロセス中に燃焼される燃料と、金属粉末としか必要とせず、それらはハウジングに塗布されない場合には再利用されてもよく、またＰＡＳプロセスは、アルゴン、窒素、水素またはヘリウムなどのプラズマガスと、高電圧電流と、金属粉末としか必要とせず、それらはハウジングに塗布されない場合には再利用されてもよいためである。

熱溶射手法を用いて高原子番号の金属皮膜を既存のハウジングへ塗布する別の利点は、新しいハウジングを一から製造する必要がないことである。高原子番号金属は、形状、寸
法、または向きにかかわらず、ハウジングに直接塗布されてもよい。かつては、１つ以上の破壊しやすい部品のシステムに遮蔽を追加する場合には、ハウジング全体を高原子番号の金属材料で、または多数の専用の高原子番号の遮蔽材で構築しなければならなかったであろう。高原子番号金属のハウジングまたは遮蔽材、特に従来とは異なる形状および寸法のものの製造は、高価でありかつ時間がかかるものであった。

また、熱溶射プロセスを用いると、高原子番号の金属皮膜が、不必要な遮蔽材料による不要な重量またはかさ無しで、適切な放射線防護を提供するよう設計された正確な厚さに塗布され得る。

このため、この発明は、ハウジングを被覆し、それにより外部電離放射線から効率的に遮蔽されたシステム、特に電子システムを作り出す、時間効率がよく経済的な方法を提供する。

このようにこの発明を一般用語で説明してきたが、ここで添付図面を参照する。図面は必ずしも一定の比率に応じて描かれてはいない。

発明の詳細な説明
以下、この発明の好ましい実施例を示す添付図面を参照して、この発明をより十分に説明する。しかしながら、この発明は、多くの異なる形で実施されてもよく、ここに述べられる実施例に制限されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が完璧かつ完全であるように、およびこの発明の範囲を当業者へ十分に伝えるように提供されている。全体を通して、同じ番号は同じ要素を指す。

図１を参照すると、破壊しやすい部品１０が剛性のハウジング１２内に含まれており、ハウジング１２は随意に、接合されて破壊しやすい部品１０の防護のための一体型のハウジングを形成する多数のセグメント１２ａ、１２ｂで構成されてもよい。

詳細な説明のため、電離放射線による損傷または破壊を受けやすいかもしれない例示的な部品として、電子部品を用いる。電子部品に関してここで説明される放射線遮蔽システムは、電離放射線にさらされることにより生じる損傷または破壊を受けやすい、超小型機械素子、圧電性電子素子、磁気記憶部品、光記憶部品、電子記憶部品、有機記憶部品、光学素子、および人間を含む有機体を含むがそれらに限定されない他の部品にも、同等に適用可能である。

電子部品１０は、電子パーツおよび／または電子、機械、電磁気要素が上に搭載されたあらゆる種類のボードまたはパネルタイプの構造であってもよく、プリント配線基板または配線板、トランスデューサ、および内蔵された電子機器を有する多機能パーツを含む。一般に、この発明は、少なくとも１つの計算機能を実行するよう設計された電子部品１０を考慮しており、それらの電子部品は、外部の電離放射線にさらされると、その計算機能の中断を受けやすい。

ハウジング１２は多数の電子部品１０を含んでいてもよく、構造的部品など、本来電子的でなく電離放射線による破壊を受けにくいかもしれない部品も含んでいてもよい。

図２を参照すると、金属層１４が熱溶射手法を用いてハウジング１２上に堆積される。電子部品への損傷を避けるため、高原子番号の皮膜が通常、部品の設置前または部品がハウジングから取外された後で塗布される。しかしながら、電子部品１０が熱溶射プロセスなどの環境に関連する熱条件および機械的条件に耐えるよう設計されている場合、ハウジ
ング１２は、電子機器がハウジング内に残ったままで、十分に被覆され得ることが考えられる。

ハウジングは、タンタル、タングステン、プラチナ、鉛、およびそれらの組合せから選択されたものなどの高原子番号金属の粒子を、熔融状態または可塑性状態でハウジングへ向けて高速で投射する熱溶射手法を用いて被覆される。金属粉末がハウジングの表面に衝突するため、金属粒子は、ハウジングの表面上に、非常に高密度で孔が最小限しかなく、均一で正確に制御された厚さを有する一体型の金属皮膜を形成する。

そのような皮膜を形成可能な数種類の熱溶射手法が工業的に利用可能であり、一般に、デービスアンドアソシエーツ（Davis and Associates）のデービス Ｊ．Ｒ．による「表面硬化、溶接被覆加工、および異種金属接合（Hardfacing, Weld Cladding, and Dissimilar Metal Joining）」、『ＡＳＭハンドブック−溶接、ろう付け、およびはんだ付け（ASM Handbook - Welding, Brazing, and Soldering）』、第６巻第１０版（オハイオ（OH）州、ＡＳＭ（American Society for Metals）メタルズパーク（Metals Park）、１９９３年）に記載されている。これらの溶射手法は、電気アーク溶射（ＥＡＳ）、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）、およびプラズマアーク溶射（ＰＡＳ）を含む。ハウジング１２を被覆する際に用いるのに特に有用な手法は、高密度の皮膜を作り出す能力という理由から、ＨＶＯＦ手法およびＰＡＳ手法である。

ＨＶＯＦプロセスは、密度が高く有孔率が非常に低い皮膜を塗布可能なフレーム溶射皮膜堆積プロセスである。ＨＶＯＦ装置の制御された熱出力およびガス高速は、熱エネルギおよび運動エネルギの双方を金属粉末粒子へ付与する。この種の一溶射装置は、ここに引用として援用されるロトリコ（Rotolico）への米国特許４，９９９，２２５号に開示されており、コネチカット（Conn.）州ノーウォーク（Norwolk）のパーキンエルマー社（Perkin Elmer Corporation）から入手可能である。この発明で利用されるものなどの高密度の皮膜を堆積させる際に用いられるよう特に設計されたＨＶＯＦ装置の別の変形は、米国特許第６，２４５，３９０ Ｂ１号に開示されている。この一般的な種類の他のＨＶＯＦ溶射装置および同様のＰＡＳ溶射装置は市場で入手可能であり、当業者には公知である。

図２をなお参照すると、一実施例では、ＨＶＯＦ熱溶射装置３０は、金属粒子１６の溶射を供給し、それによりハウジングの表面上に金属皮膜１４を作り出すために、ハウジング１２ａ、１２ｂの表面に対して位置付けられている。

熱溶射装置の変形はたくさんあるが、例示的な簡略化された種類のＨＶＯＦ溶射ノズルを図２に示す。ここで、水素、プロパン、メタン、または灯油などではあるがそれらに限定されない燃料２０が、酸素２２と組合され、燃焼室２４内で燃焼される。燃料の燃焼はガスの超音速噴出を作り出し、それはノズル２６を縦断してノズル２６の端から出る。金属粒子が、燃焼室２４の下流の入口点２８でノズルへ投射される。このため、金属粒子は超音速で被覆される対象へ向けて投射される。

金属粒子１６がハウジングの表面上に超音速で衝突することにより、ハウジングと溶射された皮膜材料との間に機械的連結が生じる。ＨＶＯＦ装置のノズルから投射された金属粒子の速度は通常、音速の１〜２倍である。ハウジングの表面上への高速の可鍛性の衝突粒子溶射１６は、９７−１００％というほぼ理論密度の均一な皮膜１４を作り出す。

熱溶射手法を用いることにより、正確な厚さの皮膜が塗布され得る。皮膜の厚さは、ハウジングの表面へ塗布される金属粉末の量と、金属粉末が表面上に圧縮される密度とに依存する。適正な放射線遮蔽のためには、皮膜は、金属の理論密度およびほぼゼロの酸化物含有量に近づくよう、有孔率が低いことが望まれる。皮膜の所望の厚さおよび密度は予め
定められ、被覆されるハウジング内に含まれる電子機器の設計特徴、ハウジング／電気機器によって遭遇されると予想される放射線のレベル、および、下にあるハウジング材料によって以前から提供されている放射線遮蔽に基づいている。

以前から既存のハウジング上に正確な厚さを有する皮膜を形成する利点は数倍ある。第１に、電子部品用の放射線遮蔽を提供するために新しい専用の放射線減衰ハウジングを作る必要がない。以前は、遮蔽を提供するため、軽量のハウジングは、電子機器を電離放射線から防護可能な専用ハウジングによって包囲されなければならなかった。これは好適な材料からハウジングを製造することを伴い、それは、ハウジングの従来とは異なる形状のため、しばしば厄介で費用がかかった。熱溶射プロセスを用いることによって、低原子番号金属から通常構築される古いハウジングをベース材料として使用し、その上に金属のより厚くより重い遮蔽層を形成してもよい。

また、専用の放射線遮蔽交換ハウジングを構築するよりも既存のハウジングを被覆する方が、単位当り、はるかによりコスト効率がよい。熱溶射プロセスは、高原子番号材料から専用のハウジングを機械加工、成型、または他の方法で形成する必要なく、既存のハウジング上に金属の均一な層を塗布する。

また、熱溶射手法は、従来の製造手法では組合せられないかもしれない材料を被覆できる。ハウジングを異種材料の皮膜で被覆する能力は、放射線遮蔽材の生産において非常に有用である。なぜなら、それにより、タングステンなどの高原子番号金属が、他の材料で構築された軽量ハウジング上に被覆可能となるためである。たとえば、サンディア国立研究所（Sandia National Laboratories）での実験は、ＨＶＯＦ手法を用いて、３４００℃のタングステン粒子をアルミニウム基材へ、アルミニウム（Ｔ_m＝６６０℃）を溶かすことなく塗布することに成功している。

ハウジング１２は通常、金属から形成されるが、２００°Ｆ以上の短期間の加熱に耐えることができる任意の剛性材料から形成されてもよい。好ましいハウジング材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、およびそれらの任意の組合せを含む。そのようなハウジング材料は、Ｔ_m＞２００°Ｆを有する熱可塑性物質などの高分子材料も含む。

図３および４を参照すると、この発明の一実施例によれば、高原子番号金属の均一な皮膜１４が熱溶射手法を用いてハウジング１２へ塗布され、その後、破壊しやすい部品が、高原子番号で被覆されたハウジング５０内に取り付けられる。被覆されたハウジング５０内に一旦封入されると、電子機器１０は、外部放射線４０からの改良された遮蔽を有し、電子部品の動作の干渉なく、予め定められた大きさの放射線に耐えることができる。遮蔽されたハウジング５０は、航空機、宇宙船、ミサイルなどの無人打上げ車両、および宇宙へ向かう人工衛星などを含む、元々そのためにそれが設計された適切な車両または装置内に取り付けられてもよい。もちろん、このシステムは、静止システム、および移動性の陸上ならびに海上システムにも同等に適用可能である。

図３の実施例は全方向からの放射線遮蔽を提供しており、放射線の潜在的な源の方向がわからない状況において適用可能である。

図５に示すように、ハウジング１２全体を覆わずに、高原子番号金属層で被覆された領域１４をハウジング１２上に設けてもよい。放射線源４０からの放射線の方向が予めわかっている場合には、放射線源４０と、放射線にさらされることにより損傷または破壊しやすいハウジング内の部品１０との間に、高原子番号金属１４を配置しさえすればよい。たとえば、そのようなハウジングは、電子機器または他の破壊しやすい部品が定期的にｘ線
にさらされ得る病院などの医療環境で使用されるかもしれない、ということが考えられる。そのような場合、ハウジング全体を被覆する必要なく、ハウジングのその部分が、放射線源に面するハウジングの表面上で被覆され得る。

この発明の多くの修正および他の実施例が、前述の説明および関連図面において提示された教示の恩恵を有する、この発明が属する技術分野の当業者の念頭に浮かぶであろう。したがって、この発明は開示された特定の実施例に制限されるべきでないこと、および、修正ならびに他の実施例は特許請求の範囲に含まれるよう意図されていることを理解されたい。特定の用語がここに採用されているが、それらは包括的かつ説明的な意味でのみ使用されており、限定の目的では使用されていない。

ハウジング内の電子部品の斜視図である。 この発明の一実施例に従った、ハウジングを被覆する熱溶射被覆装置の斜視図である。 この発明の一実施例に従った放射線遮蔽ハウジング内の電子部品の斜視図である。 この発明の一実施例に従った放射線遮蔽システムを表わす図である。 この発明の一実施例に従った、放射線遮蔽の一領域を有するハウジング内の電子部品を表わす図である。

符号の説明

１０ 部品、１２ ハウジング、１４ 金属層。

Claims (27)

1. 放射線遮蔽システムであって、
   電離放射線にさらされると破壊しやすい少なくとも１つの部品と、
   少なくとも１つの破壊しやすい部品を実質的に包囲する剛性のハウジングと、
   剛性のハウジングの少なくとも一部の上に堆積された、熱溶射された金属層とを含む、放射線遮蔽システム。
2. 破壊しやすい少なくとも１つの部品は、電子部品、有機体、超小型機械素子、圧電性電子部品、磁気記憶システム、光記憶システム、電子記憶システム、有機記憶システム、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の遮蔽システム。
3. 破壊しやすい少なくとも１つの部品は電子部品である、請求項２に記載の遮蔽システム。
4. 少なくとも１つの電子部品は、少なくとも１つの計算機能を実行するよう設計されており、電子部品は、外部の電離放射線にさらされると、少なくとも１つの計算機能の中断を受けやすい、請求項３に記載の遮蔽システム。
5. 金属層は、タンタル、タングステン、鉛、およびそれらの組合せからなる群から選択された高原子番号金属で構成される、請求項１に記載の遮蔽システム。
6. 高原子番号金属層は、金属の理論密度の９７％〜１００％の実密度を有する、請求項５に記載の遮蔽システム。
7. 剛性のハウジングは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、可塑性物質、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項１に記載の遮蔽システム。
8. 金属層は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）熱溶射、およびプラズマアーク溶射（ＰＡＳ）からなる群から選択された熱溶射手法を用いて堆積される、請求項１に記載の遮蔽システム。
9. 破壊しやすい部品の外部の放射線源をさらに含み、放射線は、破壊しやすい部品に遭遇する前に、剛性のハウジングおよび堆積された金属層によって減衰される、請求項１に記載の遮蔽システム。
10. 遮蔽システムは車両の電子システムに取り入れられている、請求項１に記載の遮蔽システム。
11. 車両は、航空機、宇宙船、陸上車両、水中船、およびミサイルからなる群から選択される、請求項８に記載の遮蔽システム。
12. 電子部品用の放射線遮蔽筐体を提供するプロセスであって、
    剛性のハウジングを提供するステップと、
    ハウジングの表面の少なくとも一部の上に、金属の皮膜層を、熱溶射手法を用いて堆積させるステップと、
    被覆されたハウジングを、放射線にさらされると破壊しやすい部品のまわりに、ハウジングが破壊しやすい部品を実質的に包囲するように位置付けるステップとを含む、放射線遮蔽筐体を提供するプロセス。
13. 金属層は、タンタル、タングステン、鉛、およびそれらの組合せからなる群から選択された高原子番号金属で構成される、請求項１２に記載のプロセス。
14. 高原子番号金属層は、金属の理論密度の９７％〜１００％の実密度を有する、請求項１３に記載のプロセス。
15. 剛性のハウジングは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、可塑性物質、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項１２に記載のプロセス。
16. 金属層は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）熱溶射、およびプラズマアーク溶射（ＰＡＳ）からなる群から選択された熱溶射手法を用いて堆積される、請求項１２に記載のプロセス。
17. 破壊しやすい部品は、電子部品、有機体、超小型機械素子、圧電性電子部品、磁気記憶システム、光記憶システム、電子記憶システム、有機記憶システム、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１２に記載のプロセス。
18. 破壊しやすい部品は電子部品である、請求項１７に記載のプロセス。
19. 遮蔽電子システムであって、
    少なくとも１つの電子部品と、
    電子部品を実質的に包囲する放射線遮蔽材とを含み、
    放射線遮蔽材は、
    剛性のハウジングと、
    剛性のハウジングの表面上に堆積された、ハウジングとは異なる組成を有する金属層とを含む、遮蔽電子システム。
20. 金属層は、タンタル、タングステン、鉛、およびそれらの組合せからなる群から選択された金属で構成される、請求項１９に記載の遮蔽システム。
21. 剛性のハウジングは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、可塑性物質、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料で構成される、請求項１９に記載の遮蔽システム。
22. 電子部品の外部の放射線源をさらに含み、放射線は、電子部品に遭遇する前に、剛性のハウジングおよび堆積された金属層によって減衰される、請求項１９に記載の遮蔽システム。
23. 遮蔽システムは車両の電子システムに取り入れられている、請求項１９に記載の遮蔽システム。
24. 金属層は、タンタル、タングステン、鉛、およびそれらの組合せからなる群から選択された高原子番号金属で構成される、請求項１９に記載の遮蔽システム。
25. 高原子番号金属層は、金属の理論密度の９７％〜１００％の実密度を有する、請求項２４に記載の遮蔽システム。
26. 剛性のハウジングは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ベリリウム、ベリリウム合金、可塑性物質、およびそれらの組合せからなる群から選択された材
    料で構成される、請求項２４に記載の遮蔽システム。
27. 金属層は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）熱溶射、およびプラズマアーク溶射（ＰＡＳ）からなる群から選択された熱溶射手法を用いて堆積される、請求項１９に記載の遮蔽システム。

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