放射線環境で使える電子回路

質問

TVでロボットの展示会を見ていたら「将来は放射能漏れ事故の時に活躍」と言うから噴飯。LSIメモリやプロセッサ、CCDカメラなどあっという間に壊れてしまう筈です。強い放射線（中性子・重粒子線などを含む）のある所で特別の遮蔽なしに動く機器を作るにはどんなデバイスなら使えそうか、「放射線環境下電子工学」のための資料や、皆さんのアイデアを教えてください。

回答No.3

myeyesonly · ベストアンサー

アルファ線や重粒子線、ベータ線、ガンマ線などは比較的対策がとりやすいけど、中性子線はちょっと事情が変わります。

真空管 or 真空マイクロ素子 では、電極に多量の中性子線があたると、電極自体が放射化してしまい、本来電子を出さない電極から放電するグリッドエミッションという故障が発生します。これは少ない電力で動く微小回路程大きな影響を受けるので、マイクロ素子はかなり厳しいでしょう。しかも非常に透過力が強いですから、ちょっとやそっとでは、対策は取れないでしょう。中性子線以外なら、確かに真空管はとっても丈夫です。

核（笑）なる上は、昔の真空管式コンピューター、エニアックよろしく、ちょっとした住宅並みの巨大な真空管コンピュータでロボットを作り・・・

やっぱり噴飯物ですね。

で、考えられそうなのは、電子回路ではなく、光回路ならどうやら動くかもしれません。光ファイバーと光素子で演算を行わせ情報を伝達する仕掛けなら電気よりはましかもしれませんね。でも、光回路や素子も粒子線でファイバーや素子の透明性が減少するでしょうから（この応用がフィルムバッジやシンチレーションカウンター等の放射線計量器です）やっぱりだめかも。

結論として、使い捨てロボットで、動く間作業させる程度のことしかできないのでは？

でも、壊れたら止まればいいけど暴走したら怖いですね。

いつぞやの臨界事故で復旧のために作業員がやった入れ替わり立ち代りと同じになると思いますよ。

補足

面白い面白い！！荷電粒子なら強い磁場や電場でシールドも作れるかも知れない。やっぱり問題は中性子線ですねえ。
　使い捨てるのはやむを得ないけれど、なるべく長時間作業できるようにしたいですね。
　光回路は良いですね！そういう環境でレーザーは発振できるんでしょうか？光回路は非線形光学素子でモジュレーションを掛ける方式にする。それにしてもモーターを動かすリレーなり真空管のグリッドをコントロールするには電圧か電流を作り出す必要があり、最終的には光が当たると電圧か電流が出る、という回路が必要ですね。逆にこれが可能なら、光回路は最低限にしておいて、遠くから多数のレーザー光線を送って直接指令することも出来そうです。
　強い光を当てる事によって電極から熱電子を叩き出すという方法もあるかな？電極の放射化に負けないぐらい感度の悪い２極真空管です。でもこれじゃあ、ひどく応答の悪いのんびりしたロボットになりそうな気もします。もうちょっと旨い手はないでしょうかねえ？電気に限る必要もないようにも思えるんですが。

回答No.5

myeyesonly

再び myeyesonly です。
そういった環境下で、はっきりと動作するといえる制御システムは、フライバイワイヤー（針金を２本張って引っ張るとそれぞれ反対に動くようにして、動作を制御する）、油圧システム（パイプを張り巡らし、中に油をいれて制御側はポンプ、動作側はタービンやシリンダーで動かす）、同じ原理で空気で動かすエアーシリンダーなどでしょうか。
どちらも飛行機や工場のプラントの制御に使われています。特に工場では大出力のモーター類からのノイズがすごいので、エアーシリンダーシステムは計器パネルにも多用されており、エアーリレーなんてのもあり、ちょっとした計算程度はできます。

「放射能事故が起こさないことを前提とした危機管理」についてですが、まさにナンセンスそのものなんですが、現在の原子力行政が、原発の安全神話というお話を基本理念にすえてやられており、公的には「事故が起こる」前提での研究はできないらしいです。
ですから、個人でそういう研究を市民運動とタイアップでやってらっしゃる先生方はいるようですが、ある程度の研究所みたいな、あるいは大学の研究室みたいなのではできないらしいです。そういうのをやると補助金を打ち切られるとか厳しいいじめがあるという話です。

まあ、こんな運営しかできないでやってるんだから、事故が起こらない方が不思議と思えますけどね。

補足

なるほど、電子回路を使わないでもいろいろできる訳ですね！！この線は実現性がありそうに思えます。
エアーリレーだっけか、流体素子による計算は大昔に北の丸公園の科学技術館で見た覚えがあります。アウトプットを押しボタンに繋いで、電力のON/OFFでモータを動かしても良い。
でもワイヤーや油圧はどうなんでしょう、ひきずって動けるものでしょうか。巨大クレーンみたいな一体型だったら良いですが（それなら電力線の束でも行けそう）、屈曲した経路を通っていくのは難しかろうと思います。エアだと高速で短いパルスを送るという訳にも行かないだろうし... あ、遠隔からレーザーを当てて加熱で圧力波を作り、これを流体回路にインプットするというのはアリかもしれませんね。

事故処理用と言わずとも、原発作業用ロボット、と称して研究をやってる所は多いですよね。で、実際にクリティカルな環境では使っちゃいないし、使えるようにも作っていない（と思うんですが、どうでしょうか）。

回答No.4

gomazy

SOIに関する補足です。
普通のLSIは、シリコンウエハ上に回路を形成します。
アルファ線の場合の回路の誤動作の原因は、アルファ線がシリコンウエハ内に入り、シリコン内に電荷を作るためです。この電荷がトランジスタのオンオフやメモリの電荷量を変えてしまうため、誤動作が起きます。SOI構造は、シリコンウエハの上にSiO2膜が介在しその上に回路が形成されています。従って、シリコンウエハ内でアルファ線により生じた電荷は、SiO2膜で遮られるため、回路に影響することが少ないわけです。しかし、強度のアルファ線が入射すれば、それに応じて発生する電荷量が増えるため、SiO2膜を隔てていても、おのずと限界があります。
同様のことは、半導体を使った光素子（CCDを含む）についても考えられます。半導体を使う限り、入射線に対して不必要な電荷が生じますから、壊れる前に誤動作し、使い物にならなくなります。入射線を遮ることが最も重要だと思われます。（放射能事故を起こさないことの次に）

補足

なるほど、なるほど。半導体は総崩れ、ということですね。でっかいパワートランジスタでもやっぱり駄目でしょうか？
なおstomachmanは「放射能事故が起こさないことを前提とした危機管理」はナンセンスだと思っています。でもどなたもURLを教えて下さらないところを見ると、まじめに取り組んでいる研究機関があるんだろうか、と心配になってきます。

回答No.2

marimo_cx

一時期一般新聞にも出ていた真空マイクロ素子の開発は
どの程度進展したんでしょうねぇ？
ちなみに過酷な条件下で、しかし火星上で活動させると
かいうロボットでなければコンピュータは安全区画にお
いておいても良いように思いますが、どうなんですかね？
あと撮像管ならノイズがひどくて困っちゃう事があって
も破壊はしませんし。それにそういう所で使う物ならま
ずい物はシールドボックスに入れるんじゃないんでしょ
うか？銀河放射線よりマイルドとはいえ、太陽風だって
人類にとってはかなり強力な放射線のはずですが。

補足

なるほど！！
真空マイクロ素子は基本的には真空管ですもんね。ノイズが入っても簡単には壊れないわけだ。（でも放射線環境との関係に触れた資料はwebでは見つかりませんでした。）高度の集積はできているんでしょうか。CCDは宇宙では「ピクセルが抜ける」そうですから、やっぱり撮像管か。
沢山のアクチュエータを搭載したロボットとコンピュータとを繋ぐためにはとても太いケーブルが必要になってロボットが動けなくなりそうです。ロボット側には少なくともデジタル通信回路とパワー素子が必要だと思うんですが、ノイズの多い環境で誤り訂正等をやろうとすれば、何かRAMになるものが要るんじゃないでしょうか。コアメモリしかないのかなあ。

回答No.1

gomazy

アルファ線に対する対環境LSIとしては、SOIがあります。

補足

早っ！！有り難うございます。
SOIは単に浮遊容量を抑えるだけじゃなくて、放射線にも強くなるんですね。WebでSOI & 放射線で幾つもhitしました。宇宙機器に重要なんですね。チェルノブイリや東海村事故みたいな強烈な放射線だとどうなんでしょう？