輻射シールドに高純度アルミや無酸素銅が採用される理由とは？

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輻射シールドに高純度アルミや無酸素銅が採用される理由とは？

輻射シールドとは、冷凍機とともに用いられる、真空環境で極低温を保つために必要な部品です。超電導リニアやKAGRAプロジェクトにも使用される部品ですが、その用途ゆえに採用される材質は、主に高純度アルミや無酸素銅に限られています。また、そのような高純度金属部品の調達から加工まで対応可能な部品加工業者も少なく、当サイトを運営する株式会社アイジェクトに多くご相談をいただいております。

ここでは、輻射シールドとその用途や機能から、輻射シールドに高純度アルミや無酸素銅が採用される理由まで、まとめて解説いたします。

輻射とは？

まず輻射という現象についてです。

輻射とは、熱が電磁波として輸送される現象のことです。通常の熱伝導とは異なり、空気や媒介物がない状態であっても熱を輸送することができます。輻射では、強度が距離の2乗に反比例する形で減少していくため、熱源から遠くなればなるほど輻射熱は弱くなります。

また、輻射は放射とも呼ばれますが、下記のような違いがあります。

輻射：等方的
放射：ランダム、もしくは指向性が高い

輻射の輻は、車や自転車のタイヤにおける輻(や)に由来しています。そのため、タイヤ中心の轂(こしき)から等方的に広がる輻のように、輻射には等方的という意味が含まれるのです。

輻射のわかりやすい例としては、太陽があげられます。太陽の表面温度は6000度に至りますが、宇宙空間で膨大な距離間があるため、表面温度から熱が伝わっているわけではありません。太陽から地球に熱が伝わっているのは、太陽からの電磁波が地球に届き、それが地球に当たることで初めて熱として感じることができるためです。

同じ容量で、電子レンジやストーブも電磁波により物体を温めている身近な輻射の例としてあげられます。

ちなみに熱の伝わり方には大きく下記の3種類あります。

・熱伝導：原子や分子の振動によるもの
・対流熱伝導：固体と流体、流体と気体のように、異なる気相間での熱のやり取り
・輻射：電磁波によるもの

例えばヒートシンクでは、隙間部分を考慮しない全体寸法が輻射領域となりますが、隙間部分に流体を送ることで対流熱伝導が発生します。つまり、表面積を大きくすることで対流熱伝導が生じやすくしているのです。

＞＞ヒートシンクの事例はこちら

輻射シールドとは？

続いて、当社にご相談いただくことも多い輻射シールドについてです。輻射シールドとは、英語ではradiation shieldと書きますが、冷凍機とともに用いられる、真空環境で極低温を保つために必要な部品です。

例えば超電導磁石を使う際には、超電導コイルをマイナス255度程度まで冷却する必要があります。その際に、効率的に冷却しやすく、また真空＆超低温になった環境から輻射熱が外に出ないようにするための部品が、輻射シールドです。

輻射シールドが使われている有名な事例としては、かぐら（KAGRA）プロジェクトがあげられます。元々はLCGT（Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope ：大型低温重力波望遠鏡）と呼ばれていたこの大型望遠鏡ですが、その名の通り、重力波を捉えるために鏡の揺れを抑える必要があります。この揺れは、地面等の物理的な揺れはもちろんのこと、熱雑音による揺れも含まれます。この熱雑音の影響を小さくするためにも輻射シールドが用いられています。KAGRAのクライオスタットは、真空チャンバー＋輻射シールド＋冷凍機で構成されています。また輻射シールドは、80Kと8Kのように、二重で構成されることも多くあります。詳細はページ下部の参考資料をご覧ください。