JP2014016348A - 耐放射線シールド - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙用途に用いる改善された耐放射線シールドを提供する
【解決手段】宇宙または高高度用途に用いる耐放射線シールドであって、前記シールドは、可撓性ポリマー材料の層状の基材内に保持される複数の重なり合った平面ガラス断片を備え、前記断片のそれぞれは、宇宙または高高度用途における使用に好適な耐放射線ガラスから形成され、前記基材の層状方向に整列して配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、耐放射線シールドに関し、より詳細には、宇宙用途に用いる耐放射線シールドに関する。

宇宙船の太陽電池アレイに使用される大気圏外用太陽電池は、宇宙環境に存在する低エネルギー陽子および他の放射線を吸収し、従って、該電池に作用し、その性能を低下させる放射線を防ぐために、または少なくともその強度を低減するために、ある種の透明なシールドを必要とする。従来、この役割には、特別に調合されたガラスまたは溶融石英の薄いシートが使用されてきた。これらの材料は、脆弱で硬質であり、通常、太陽電池と個別に取り付ける必要があり、また、隣接する電池間の領域は宇宙環境に曝され、これにより、宇宙船の許容バス電圧（従って、配電効率および導体重量）は制限され、太陽電池アレイは放電による損傷を受け易い状態になる。

そのために、従来は、添付の図面の図１に示されるように、適度に安定なシリコン接着剤内にガラスまたは溶融石英のビーズ／顆粒を含む複合材料から形成された透明なシールドを提供することが提案されている。そのようなシールドは可撓性であり、被覆材としてまたは宇宙船の太陽電池アレイの全範囲に広がる大きなシートに適用することができる。しかし、このタイプの複合材料は、その構造から隣接するビーズ／顆粒間のシリコンの露出が相当な面積となるため、それ自体に避けられない問題がある。陽子損傷によるシリコン基材のひび割れを示す図２の拡大画像により例示されるように、露出したシリコン接着剤は低エネルギー陽子放射線の照射により劣化し易いことが試験により示されている。

本発明の好ましい目的は、宇宙用途に用いる改善された耐放射線シールドを提供することである。

本発明によれば、宇宙または高高度用途に用いる耐放射線シールドであって、前記シールドは、可撓性ポリマー材料の層状の基材内に保持される複数の重なり合った平面ガラス断片を含み、前記断片のそれぞれ、宇宙または高高度用途における使用に好適な耐放射線ガラスから形成され、前記基材の層の方向に整列して配置される。

好ましくは、前記シールドは透明である。

好ましくは、前記断片は少なくとも０．５μｍ厚である。

有利なことに、前記断片は３μｍから１０μｍの間の厚さを有する。

好都合なことには、前記断片の長さ及び幅の少なくとも一方が０．５ｍｍから１ｍｍの間である。

有利なことに、前記耐放射線ガラスは酸化セリウムを含有する。

好都合なことには、前記耐放射線ガラスはホウケイ酸ガラスである。

好ましくは、前記耐放射線ガラスはＣＭＸガラスである。

あるいは、前記耐放射線ガラスはＣＭＧガラスである。

前記耐放射線ガラスはＣＭＯガラスでもよい。

好ましくは、前記基材はシリコン樹脂を含む。

あるいは、前記基材はフッ化エチレンプロピレンを含む。

好都合なことには、前記基材はポリイミドを含む。

好ましくは、前記断片は前記基材全体にわたって積層構成となっている。

有利なことに、前記シールドは、複数の前記重なり合った断片のそれぞれが前記ポリマー材料を実質的に含まない露出面を形成し、それにより、全体として、この層の外表面を画定する層を形成する。

前記シールドは、宇宙船への適用に好適なシートまたはフィルムの形で提供されてもよい。

あるいは、前記シールドは、宇宙船の表面に適用される被覆の形で提供されてもよい。

好ましくは、前記シールドは、太陽電池アレイ上の保護層として提供される。

前述したタイプの本発明の防護シールドは、シリコン接着剤の基材内にガラスまたは溶融石英のビーズ／顆粒を含む複合材料で構成される前述の従来技術の提案と比べて、基材の露出が大幅に減少し、宇宙環境の耐性が改善することが見い出された。前記ガラス断片は、わずか数ミクロンの厚さであっても、低エネルギー陽子を吸収することができ、それにより、支持基材の下層材料の損傷を防ぐことができることも見出された。

本発明をより理解しやすくするために、そして、そのさらなる特徴を正しく認識するために、ここで、以下の添付の図面を参照し、例示として本発明の実施形態を記載する。

図１は、シリコン接着剤の基材内に保持されているガラスのビーズ／顆粒から形成された、先行技術の太陽電池用透明シールドの顕微鏡写真である。 図２は、図１の配置におけるシリコン基材の拡大画像であり、宇宙環境での陽子への曝露によるシリコンの損傷を示す。 図３は、本発明のシールドに使用される複数の薄いガラス断片を示す概略図である。 図４は、本発明のシールドの断面図であり、基材中に重なり合う関係で支持される、図３の複数の断片が含まれている。 図５は、前記断片が互いに重なり合う様子を示す概略図である。

次に、図面をさらに詳細に見ていくと、前に説明した通り、図１は、先行技術の太陽電池アレイ用透明シールドの製造に使用される複合材料１の拡大図を示す。複合材料１は、複数の一般に球状またはほぼ球状のガラスまたは溶融石英のビーズまたは顆粒２を含んでなり、それらは、シリコン接着剤３の基材内に保持されている。シリコン基材特有の可撓性のために、このタイプのシールドは可撓性を有し、そのため、宇宙用太陽電池アレイの全範囲にわたる大きなシートとして適用することができ、またはシリコン接着剤３の硬化前に同形の被覆材として適用することができる。しかしながら、分かるように、一般に球状またはほぼ球状の形状のビーズまたは顆粒であるということは、隣接するビーズまたは顆粒間に残されたシリコンの領域が存在することを意味する。そのため、シリコンのこれらの領域は宇宙環境で低エネルギー陽子放射線に曝され、その結果、シリコンの露出領域は宇宙環境で劣化し易くなる。図２は、このタイプの放射線劣化の性質を示しており、特に、シリコン基材３の露出領域の広範囲に及ぶひび割れ４を示す（図２では高倍率で表示した）。

図３は、以下でさらに詳細に説明するように、先行技術でビーズ／顆粒２が配置される代わりに、本発明において使用される実質的に平面の複数のガラス断片５を平面図に示す。断片５は全て、宇宙用に特別に調合されたタイプの耐放射線ガラスから形成されるため、宇宙環境に存在する電子放射線、陽子放射線および紫外線に対して安定している。例えば、そのようなガラスがセリウムドープガラス（好ましくは、酸化セリウムの形である割合のセリウムを含有する）であることが想定される。そのようなガラスは、好ましくは、ホウケイ酸ガラスであよい。本発明のための断片５の生産において好適に使用するために提案される好適なガラスの種類としては、「ＣＭＸ」ガラス、「ＣＭＧ」ガラスおよび「ＣＭＯ」ガラスがあり、これらは、Qioptiq Space Technology社が独占的に供給するガラス組成物である。

スペクトルの可視領域および赤外領域で高透過率を有する太陽電池のカバーやスリップを製造するために、セリウムを（典型的には、５重量％まで）包含することによって電離放射線に曝された場合に暗色化に耐えるように調合されたホウケイ酸ガラスを使用することが知られている。薄い断片に形成されたそのような任意のガラスは本発明において使用可能であると考えられる。例えば：

ＣＭＧは、Qioptiq Space Technology社が独占的に供給するホウケイ酸ガラス組成物であり、次の成分：ＳｉＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｂ₂Ｏ₃（総量は８１〜９１ｍｏｌ％である）、Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ（総量は７．６〜１０．６ｍｏ１％である）、ならびにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯおよびＰｂＯの１以上（総量は０〜７ｍｏｌ％で）を含んでなること；および、ガラス組成物は、同様の膨張係数を有するガリウムヒ素／ゲルマニウム太陽電池と特に同じである６４．０〜７０．０×１０^-7／℃という範囲内の線膨張係数を示すことを特徴としている。

ＣＭＸもQioptiq Space Technology社が独占的に供給するホウケイ酸ガラス組成物であり、ＣＭＸは、ＣＭＧと大体似ているが、従来の電池／カバーガラス組立品における接着剤の保護のためにＵＶスペクトルの吸収を増加させるように調合されたものである。

ＣＭＯは、Qioptiq Space Technology社が独占的に供給する三つ目のホウケイ酸ガラス組成物であり、ホウケイ酸ガラス組成物中に少なくとも５重量％の酸化バリウムを含めることによって製造される。バリウムは紫外線スペクトルの吸収が低いため、それを使用することによって紫外線吸収が低い耐放射線ガラスを製造することが可能になり、該ガラスが宇宙船の外装に使用される場合には過熱の問題を軽減できる。

他の製造業者も、類似用途のガラス、例えば、以前はCorning Inc.により製造され、JDS Uniphase Corporationにより宇宙用に加工されたガラスコード０２１３および０２１４を提供している。０２１３は、放射線安定度およびＵＶ吸収性を与えるために公称５％の二酸化セリウムが添加されたホウケイ酸ガラス組成物である。０２１４は、低レベルの二酸化セリウムで放射線に対して安定であるように調合されており、短波長は０２１３より良好に透過する。

ガラス断片５は、該断片の全てが互いに全く同じ厚さを有する必要はないが、全てがほぼ同じ厚さを有するように構成されることが好ましい。０．５μｍ以上の断片厚を用いることによって、宇宙環境で受ける低エネルギー陽子放射線が効率的に遮蔽されることが見出された。しかしながら、現在のところ、３μｍ〜１０μｍの範囲の厚さを有するガラス断片を使用することが好ましく、それは、これらの商業規模での生産が比較的容易であると共に非常に良好な耐放射線を与えるためである。

ガラス断片５の全てが、図３に見られるようにそれらの幅および長さに関してほぼ同じ寸法を有することが好ましい。しかしながら、この点についても、本発明にとって厳密に同一の寸法である必要はないと考えられることに留意されたい。現在、好ましい断片５は、０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲に入る長さおよび幅を有する。従って、分かるように、該断片は、長さおよび幅に関して比較的低いアスペクト比を有することが好ましい。

ガラス断片５は、良好な光学特性および接着特性を有する可撓性ポリマー材料の基材内に包含される。本発明の好ましい実施形態では、透明なカバーやシールドにおける使用に適切な光学特性および接着特性を有することが見出されていることから、可撓性シリコン樹脂の基材を採用する。しかし、シリコンの代わりに、例えば、フッ化エチレンプロピレン樹脂またはポリイミドなどの別のポリマー材料も基材に使用可能であることが分かるであろう。

図４は、本発明のシールド６の断面図を示している。シールド６は、シリコン樹脂の薄層状基材７中に配置された複数のガラス断片５を備える。図４から、さらに図５（上から見た該断片の選定された配置を示す）でも分かるように、断片５は、該基材全体にわたって互いに重なり合う関係で配置されるため、該基材の厚み方向の全体にわたって重なり合った断片の層として位置する傾向がある。断片５は全てが、該基材の層状方向８に整列するように、互いに一般に平行に配置される。隣接する断片が重なり合う関係は、先行技術の可撓性シールドと比べて、機械的耐久性が改善し、最も重要な放射線および紫外線遮蔽が改善する点に関して、本発明のシールドの有効性において重要である。低アスペクト比の形状の断片５を用いることにより、支持基材７全体にわたって断片が重なり合う効果は、より高いアスペクト比の細長い断片を用いる場合と比べて向上する。

隣接する断片５間で重なり合う関係は重要であるが、これは、上で説明したように、隣のビーズまたは顆粒がそれらの間に間隙を残して隣接することから先行技術のシールドに関する問題となっており、該断片間にある支持基材７の相当な領域の露出を防ぐ役目を果たしているためである。よって、本発明のシールドで断片５が重なり合う性質が支持基材７を放射線曝露から守る。分かるように、基材７用の可撓性材料と極薄ガラス断片を用いることにより、シールド６は全体として可撓性を有する。シールド６は折曲または屈曲するため、隣接する重なり合った断片５は、損傷することなく、さらに、それらの間の基材が露出することなく、互いにスライドすることができる。シールド６が曲面上に適用される場合、同じ形の被覆材としてまたは予め成形された薄いフィルムもしくはシートとして、断片５は重なり合いを維持し、各断片は該被覆材の局所的な層状方向に整列することになる。

基材７が未硬化状態の流体として維持される場合、断片５を混合剤として未硬化基材７中に含有させた後、保護すべき構成要素に該混合物の被覆材を適用することができる。表面張力やその他の効果によって、断片５は被覆フィルム内で自然に自己整列し、重なり合った積層構造を形成する傾向がある。特殊な状況に適当なシールドを形成して、この傾向を最適化するために、該混合物中の断片５および基材７の体積分率、ならびに適用および硬化の計画は実験的に決定することができる。

あるいは、基材７および断片５が交互に重なった層を一層ずつ構成した後に、該基材を硬化させる提案もある。例えば、この種類の積層法を用いて、該基材の予め成形した薄いシートを積層することができ、その後、該基材を部分的に硬化させ、基材７内の位置に断片５を実質的に固定することができる。このシートは、その後、宇宙船の太陽電池アレイなどが製造されている製造施設に移され、そこで、このシートは、該断片の配向性を失うことなく。太陽電池アレイに慎重に適用することができる。その後、該基材を実質的に完全に硬化させて、該太陽電池アレイ上に接着し、完成したシールドを製造することができる。あるいは、宇宙船上の本来の位置に、基材および断片が交互に重なった層からシールド６を構成してもよい。

別の選択肢として、断片５を基材７中に分散させた後、それを押出または延伸によりシートに成形してもよい。これらの成形プロセス内の剪断流によって該断片は該シートの面に整列する。

本発明の好ましい実施形態では、シールド６は、その最上表面９の断片５のそれぞれが（図４に示すように）、基材７を実質的に含まない露出面を形成する。これは、シールド６の外表面から露出する基材７を除去して、断片５の平面を露出することにより達成できる。シールド６の外表面９から基材を剥がし又は除去することによって、該シールドの放射率は改善され（ガラス断片５はポリマー基材７よりも高い放射率を有するため）、その結果、シールド６は、該シールドが適用される下層の太陽電池アレイの熱制御を改善する。また、該シールドの表面９の露出基材７を除去することによって、基材７が劣化する可能性もいっそうさらに低下し、それにより、放射線への曝露による該ポリマー材料の劣化から生じる可能性がある残滓が実質的に発生しなくなる。また、該ガラス断片は原子状酸素の作用に十分に耐えられるものであるため、露出面１０の基材を除去することにより、本明細書で提案するシールドでは、ポリマー基材７単独と比べて、原子状酸素の作用に対する耐性が大幅に改善される。

本発明の透明シールドは、ほぼ球状または粒状のガラス粒子を用いる先行技術のシールドと比べて、散乱光の大幅に減少することが分かった。これは本発明のガラス断片の平面性によるものである。

反射防止フィルム、ＵＶ反射フィルムまたは高放射率フィルムなどの薄いフィルム被覆材を表面に適用することによって、シールド６の性能がさらにいっそう改善することができる。

前述した本発明の防護シールドは、例えば、ＣｄＴｅ電池またはアモルファスシリコン電池または宇宙で一般に用いられるタイプの逆転積層電池（inverted metamorphic cell）などの可撓性の太陽電池の前面または後面への適用に特に好適である。

また、本発明のシールドは、それら固有の可撓性を理由に可撓性の太陽電池またはアレイを防護する用途に特に好適であるが、硬質または実質的に硬質の太陽電池またはアレイを防護する用途にも好適であることにも留意されたい。

本発明のシールドは、宇宙船の太陽電池アレイを完全にまたは部分的に封入するための透明で同形の被覆材の形で提供することができる。

本発明のシールドはまた、太陽電池アレイの「スーパーストレート」構造の用途にも好適である。

特に、太陽電池アレイを保護するための透明形のシールド６の使用に関連して本発明を上に記載してきたが、本発明のシールドは宇宙または高高度環境における他の有用な用途も見出し得ることが分かる。例えば、本発明のシールドは、熱制御被覆材として、または電気絶縁被覆材として用いることができる。

本明細書および特許請求の範囲において用いる場合、用語「備える」およびそれらの変形は、明記した特徴、ステップまたは整数を包含することを意味する。それらの用語によって他の特徴、ステップまたは整数の存在が排除されると解釈してはならない。

前述の記載に、または以下の特許請求の範囲に、または添付の図面に開示している特徴は、特定の形態で、または開示している機能を果たすための手段、もしくは開示している結果を得るための方法またはプロセスに関して示しているが、本発明を多様に実現するために、必要に応じて、そのような特徴を別個にまたは任意の組合せで利用してよい。

上に記載した例示的な実施形態とともに本発明を記載してきたが、この開示によって、当業者には多くの等価の変更および変形が明らかであろう。従って、上述した本発明の例示的な実施形態は例示であり、本発明を限定するものではない。本発明の趣旨および範囲を逸脱しない範囲で、記載した実施形態に対して様々な変更を行うことができる。

Claims (19)

1. 宇宙または高高度用途に用いる耐放射線シールドであって、
   前記シールドは、可撓性ポリマー材料の層状の基材内に保持される複数の重なり合った平面ガラス断片を備え、前記断片のそれぞれは、宇宙または高高度用途における使用に好適な耐放射線ガラスから形成され、前記基材の層の方向に整列して配置されるシールド。
2. 前記断片が少なくとも０．５μｍ厚である請求項１に記載のシールド。
3. 前記断片が３μｍから１０μｍの間の厚さである請求項１または２に記載のシールド。
4. 前記断片の長さ及び幅の少なくとも一方が０．５ｍｍから１ｍｍの間である請求項１から３のいずれか一つに記載のシールド。
5. 前記耐放射線ガラスはセリウムドープガラスである請求項１から４のいずれか一つに記載のシールド。
6. 前記耐放射線ガラスは酸化セリウムを含有する請求項１から５のいずれか一つに記載のシールド。
7. 前記耐放射線ガラスはホウケイ酸ガラスである請求項１から６のいずれか一つに記載のシールド。
8. 前記耐放射線ガラスはＣＭＸガラスである請求項１から７のいずれか一つに記載のシールド。
9. 前記耐放射線ガラスはＣＭＧガラスである請求項１から７のいずれか一つに記載のシールド。
10. 前記耐放射線ガラスはＣＭＯガラスである請求項１から７のいずれか一つに記載のシールド。
11. 前記基材はシリコン樹脂を含む請求項１から１０のいずれか一つに記載のシールド。
12. 前記基材はフッ化エチレンプロピレンを含む請求項１から１１のいずれか一つに記載のシールド。
13. 前記基材はポリイミドを含む請求項１から１２のいずれか一つに記載のシールド。
14. 前記断片は前記基材全体にわたって積層構成となっている請求項１から１３のいずれか一つに記載のシールド。
15. 複数の前記重なり合った断片のそれぞれが前記ポリマー材料を実質的に含まない露出面を形成し、それにより、全体として、この層の外表面を画定する層を形成する請求項１から１４のいずれか一つに記載のシールド。
16. 前記シールドは、宇宙船への適用に好適なシートまたはフィルムの形で提供される請求項１から１５のいずれか一つに記載のシールド。
17. 前記シールドは、宇宙船の表面に適用される被覆の形で提供される請求項１から１５のいずれか一つに記載のシールド。
18. 前記シールドは、太陽電池アレイ上の保護層として提供される請求項１から１７のいずれか一つに記載のシールド。
19. 宇宙または高高度用途に用いる耐放射線シールドであって、実質的には、添付の図面の図３から図５に関連して記載され、図３から図５に示されているシールド。