(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料から鉛−２１０（２１０Ｐｂ）を除去するための方法であって、
精錬されるべき金属材料中の２１０Ｐｂ濃度を特定すること、
前記２１０Ｐｂ濃度から、前記精錬されるべき金属材料に添加されるべき、前記精錬されるべき金属材料よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する低アルファ鉛の量を特定すること、
前記精錬されるべき金属材料に前記低アルファ鉛を添加することによってドープされた金属混合物を形成すること、
前記ドープされた金属混合物を精錬して、前記ドープされた金属混合物から前記鉛の少なくとも一部分を分離し、前記精錬されるべき金属材料よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する精錬された金属を形成すること、
を含む、方法。
【請求項２】
前記精錬されるべき金属材料が、スズ、鉛、銅、アルミニウム、ビスマス、銀、インジウム、アンチモン、セレン、ガリウム、タリウム、亜鉛、及びニッケル、並びにこれらのアロイ及び組み合わせから成る群より選択される少なくとも１つのメンバーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記精錬工程が、前記ドープされた金属混合物を大気圧よりも低い圧力の雰囲気中で溶融状態に維持すること、及び前記精錬された金属から、鉛と前記精錬された金属との分圧の差によって前記ドープされた金属混合物中の前記鉛を分離すること、を含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、金属及び金属材料を精錬するための方法に関する。より詳細には、本開示は、金属又は金属材料からアルファ放出性放射性同位体を除去するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば純金属及び金属アロイなどの金属材料は、典型的には、多くの電子デバイスパッケージングにおけるはんだ及び他の電子デバイス製造用途として用いられる。特定の同位体からのアルファ粒子の放出は、ソフトエラー又はソフトエラーアップセットと称されることの多いシングルイベントアップセット（「ＳＥＵ」）に繋がり得る。アルファ粒子の放出（アルファフラックスとも称される）は、パッケージングされた電子デバイスを損傷させる場合があり、より詳細には、ソフトエラーアップセットを、場合によっては電子デバイスの故障を引き起こす場合さえある。アルファ粒子放出の可能性に関する懸念は、電子デバイスのサイズが低下され、アルファ粒子放出性材料が、影響を受け易い可能性のある位置のより近傍に配置されるに従って高まっている。
【０００３】
ウラン及びトリウムは、公知の崩壊系列に従って放射性崩壊してアルファ粒子放出性同位体を形成し得る、金属材料中に存在する場合が多い主要な放射性元素としてよく知られている。非鉛材料で特に懸念されるのは、ポロニウム−２１０（２１０Ｐｏ）の存在であり、これは、ソフトエラーアップセットの原因となる主要なアルファ粒子放出体であると考えられる。鉛−２１０（２１０Ｐｂ）は、ウラン−２３８（２３８Ｕ）の崩壊娘粒子であり、半減期は２２．３年であり、β崩壊してビスマス−２１０（２１０Ｂｉ）となる。しかし、２１０Ｂｉの半減期が５．０１日と非常に短いことにより、そのような同位体は、本質的に一過性の中間体であり、迅速に崩壊して２１０Ｐｏとなる。２１０Ｐｏは、１３８．４日の半減期を有し、５．３０４ＭｅＶのアルファ粒子を放出することによって崩壊して、安定な鉛−２０６（２０６Ｐｂ）となる。電子デバイス用途に用いられる金属材料における最大の懸念は、後者の２１０Ｐｂ崩壊系列の段階、すなわち、アルファ粒子の放出を伴う２１０Ｐｏから２０６Ｐｂへの崩壊である。
【０００４】
精錬された高純度金属及びアロイにおけるアルファ放出の根本的原因は、例えば、処理後に残留している兆分率（ｐｐｔ）未満であり得る濃度の２１０Ｐｂである。現行の精錬プロセスは、バルクＰｂを１百万分率（ｐｐｍ）未満まで、及びそれに伴って、比例する割合の２１０Ｐｂを除去することに焦点が当てられてきた。しかし、２１０Ｐｂ濃度が充分に高い場合、現行の精錬プロセスでは、複数回の精錬操作の後であっても、充分に低いレベルまで除去されない。
【発明の概要】
【０００５】
２１０Ｐｏ及び／又は２１０Ｐｂは、溶融及び／又は精錬技術によって少なくとも部分的に除去され得るが、そのような同位体は、溶融又は精錬後であっても、金属材料中に不純物として残留し得る。金属材料から２１０Ｐｏを除去すると、金属材料からのアルファ粒子の放出が、一時的に低下する結果となる。しかし、アルファ粒子の放出は、最初は低下されるものの、２１０Ｐｂ崩壊プロファイルの永続平衡が金属材料中に残留している２１０Ｐｂに基づいて次第に復元されることから、典型的には、許容されない可能性のあるレベルまで経時で増加することが観察されている。本明細書で用いられる場合、「永続平衡」の用語は、材料中の放射性同位体の量又は濃度が、その発生速度とその崩壊速度とが等しいことから、一定に維持される状態を意味する。例えば、あるサンプル中の放射性核種Ｂの濃度は、親放射性核種Ａの崩壊から放射性核種Ｂが発生する速度が、放射性核種Ｂが崩壊してその娘放射性核種Ｃとなる速度と同じである場合、永続平衡状態にある。
【０００６】
本開示は、精錬されるべき金属中の２１０Ｐｂ濃度を特定すること、精錬されるべき金属に添加されるべき低アルファ鉛の量を、２１０Ｐｂ濃度から特定すること、精錬されるべき金属に低アルファ鉛を添加することによってドープされた金属混合物を形成すること、ドープされた金属混合物を精錬して、ドープされた金属混合物から鉛の少なくとも一部分を分離し、精錬されるべき金属よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する精錬された金属を形成することを含む、金属から鉛−２１０（２１０Ｐｂ）を除去するための方法を提供する。
【０００７】
本開示は、第一のアルファ放出カウントを有する金属材料からアルファ粒子放出体を除去するための方法を提供し、その方法は、第一のアルファ放出カウントよりも低い第二のアルファ放出カウントを有する鉛材料を金属材料に添加すること；精錬プロセスによって金属材料を精錬して、鉛の少なくとも一部分を除去することを含み、ここで、精錬プロセスは、鉛と比較した金属材料に対する選択性を有する。
【０００８】
本開示は、第一の鉛同位体及び目的の金属を含む精錬されるべき金属材料中の第一の鉛同位体の濃度を特定すること；実質的に第一の鉛同位体を含まない鉛材料を金属材料に添加して、ドープされた金属混合物を形成すること；及びドープされた金属混合物から第一の鉛同位体及び鉛材料の少なくとも一部分を除去して、精錬された目的の金属を形成することを含む、金属材料から鉛を除去する方法を提供する。
【０００９】
複数の実施形態が開示されるが、本開示のさらに他の実施形態は、当業者であれば、本開示の実例としての実施形態を示し、記載する以下の詳細な記述から明らかとなるであろう。したがって、図面及び詳細な記述は、限定するものとしてではなく、例示的な性質として見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、例としての真空蒸留精錬のブロック図である。
【図２】図２は、例としての電気精錬システムのブロック図である。
【図３】図３は、電気精錬されたスズサンプルにおけるアルファ粒子放出のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
金属材料からアルファ粒子放出体を除去するための方法が本明細書で記載される。記載される方法を用いて、精錬プロセス後に測定された場合に低下されたアルファ粒子放出又はアルファフラックスを有する精錬された金属材料を製造することができる。アルファ粒子放出は、材料が精錬プロセスに掛けられた後、必ずしも安定に維持される必要はなく、アルファ粒子放出は、経時で増加又は減少してもよい。本明細書で述べるように、精錬された材料は、精錬プロセスの９０日後又は８００日後など、精錬プロセスのある期間後に測定された場合にも、低下されたアルファ粒子放出を有し得る。
【００１２】
適切な金属又は金属材料としては、例えばはんだに用いられる金属材料など、電子コンポーネントの製造に典型的に用いられる種類の材料が挙げられ得る。金属材料は、それ自体、例えば、スズ、鉛、銅、アルミニウム、ビスマス、銀、インジウム、アンチモン、セレン、ガリウム、タリウム、亜鉛、及びニッケルを含む単元素材料若しくは実質的に純粋な元素材料であってよく、又は上記材料のいずれか２つ以上のアロイ若しくは組み合わせ、又は上記材料のいずれか１つ以上と１つ以上の他の元素とのアロイであってもよい。
【００１３】
本明細書で用いられる場合、「目的の材料」の用語は、精錬プロセスからの最終製品として主に求められている材料を意味する。例えば、アルファ粒子放出体の濃度が低下されたスズを得ることを所望するユーザーにとっては、スズが目的の材料である。
【００１４】
本発明の方法は、本明細書において、目的の金属材料としてスズに関して、及び２１０Ｐｏが主たるアルファ粒子放出体である鉛−２１０同位体（２１０Ｐｂ）の崩壊系列に関して主に記載する。しかし、本発明の方法は、他の目的の金属材料におけるアルファ粒子放出を低下させることに関連して用いられてもよく、及び／又は２１０Ｐｏ以外の１つ以上の同位体を除去するために用いられてもよい。この方法は、同位体置換精錬プロセスと称され得る。例えば、同位体置換精錬プロセスを用いて、金属混合物からある金属の第一の放射性同位体を除去し、第一の放射性同位体を、同じ金属のいくつかの他の安定な同位体のいずれかによって置換することができる。
【００１５】
本明細書で述べるように、低アルファＰｂとは、同位体２１０Ｐｂを実質的に含まない鉛を意味する。すなわち、低アルファＰｂとは、いかなる有意な量の２１０Ｐｂも有さず、４つの安定な同位体２０４Ｐｂ、２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ、及び２０８Ｐｂから実質的に構成される鉛を意味する。本明細書で用いられる場合、「鉛」の用語は、２１０Ｐｂを含むすべての同位体を含む鉛を意味する。本明細書で用いられる場合、「低アルファ鉛」の文脈での「実質的に含まない」とは、２１０Ｐｂの濃度が、１０ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１ｐｐｍ、０．１ｐｐｔ、０．０１ｐｐｔ、又は０．００１ｐｐｔよりも低いことを意味する。
【００１６】
本明細書で述べるように、精錬プロセスの前又は最中に、金属材料よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する鉛によって金属材料をドープすることによって、アルファ粒子放出が低減された精錬された目的の材料を得ることができる。例えば、精錬プロセスの前又は最中に、低アルファＰｂによって金属材料をドープすることによって、アルファ粒子放出が低下した精錬された目的の材料を得ることができる。
【００１７】
ドープ後、精錬されるべき金属材料及び低アルファＰｂを含有する得られたドープされた金属混合物は、精錬プロセスに掛けられて、鉛が目的の材料から分離されてよい。適切な精錬プロセスとしては、鉛と目的の材料との間での選択性の相違を有する精錬プロセスが挙げられる。例としての精錬プロセスとしては、真空蒸留、電気精錬、及びゾーン精錬が挙げられる。例えば、真空蒸留などの分離プロセスは、蒸気圧差に基づいて鉛から目的の材料を分離するために用いられ得る。別の例では、電気精錬は、鉛と目的の材料との間の電極電位差に基づいて目的の材料から鉛を分離するために用いられ得る。別の例では、ゾーン精錬は、精製されるべき材料の固相に対して液体中における鉛の溶解度が大きいことに基づいて目的の材料から鉛を分離するために用いられ得る。
【００１８】
精錬プロセスは、鉛を除去し、極僅かのレベルの鉛しか含有しない目的の材料が製造され得る。例えば、精錬プロセスは、目的の材料中の鉛濃度を、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満まで低下させ得る。精錬プロセスは、鉛同位体間は区別しない。すなわち、精錬プロセスは、それが同位体２０４Ｐｂ、２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ、２０８Ｐｂ、又は２１０Ｐｂであるかどうかに関わらず鉛を除去する。精製されるべき材料からのＰｂの除去に対する精錬効率εは、式（１）によって与えられ：
【００１９】
【数１】
0006710702.tif 000002
【００２０】
式中：
Ｐｂｏｕｔは、精錬後の目的の材料中に残留している鉛の総量であり、
Ｐｂｉｎは、精錬されるべき材料中の鉛の総量であり、
２１０Ｐｂｏｕｔは、精錬後の目的の材料中の２１０Ｐｂの量であり、及び
２１０Ｐｂｉｎは、精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂの量である。
【００２１】
精製されるべき材料が鉛を除去するための分離工程に掛けられる精錬プロセスの場合、２１０Ｐｂの減少は、式（２）に従い、Ｐｂ減少に従って変化する。
【００２２】
【数２】
0006710702.tif 000003
【００２３】
精錬プロセスは、鉛同位体間を区別しないことから、式（１）に記載されるように、安定なＰｂ同位体を除去するのと同じ割合で２１０Ｐｂを除去する。さらに、精錬プロセスは、目的の材料中の全体としての鉛濃度を低下させることから、精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂを低アルファＰｂで希釈し、続いて目的の材料から鉛を分離することで、精錬されるべき材料から２１０Ｐｂの一部分が除去される。言い換えると、精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂの相対量は、精錬されるべき材料に低アルファＰｂを添加することによってまず低下される。次に、目的の材料が鉛から分離される際、除去される鉛は、精錬されるべき材料中にあった２１０Ｐｂの一部分を含有している。精錬プロセス後、目的の材料中に残留している鉛は、式（３）に従って、精錬プロセス前に有していたよりも低下された量の２１０Ｐｂを有することになり：
【００２４】
【数３】
0006710702.tif 000004
【００２５】
式中：
Ｐｂａｄｄは、２１０Ｐｂを希釈するための添加された低アルファＰｂの量であり、及び
２１０Ｐｂａｄｄは、添加された低アルファＰｂ中の２１０Ｐｂの量である。
【００２６】
１つの例では、低アルファＰｂからの寄与による２１０Ｐｂの量（２１０Ｐｂａｄｄ）は、実質的にゼロである。例えば、低アルファＰｂ中の２１０Ｐｂの量は、０．１ｐｐｔ未満、０．０１ｐｐｔ未満、又は０．００１ｐｐｔ未満であり、得られる２１０Ｐｂの減少は、添加される低アルファＰｂの量に正比例する。精錬された目的の材料は、精錬プロセス前に低アルファＰｂが添加されないプロセスと比較して少ない２１０Ｐｂを含有することになる。精錬された目的の材料は、依然として鉛を含有し得るが、全体としての２１０Ｐｂの含有量は、精製されるべき出発材料の場合よりも少なくなる。
【００２７】
ある実施形態では、２１０Ｐｂが目的の材料から除去される率は、精錬されるべき材料に添加される低アルファＰｂの量に比例する。例えば、より多い量の低アルファＰｂを添加すると、アルファ粒子放出がより低い精錬された目的の材料が製造され得る（すなわち、より多い量の２１０Ｐｂが精錬された目的の材料から除去される）。ある実施形態では、２１０Ｐｂの減少は、添加することのできる低アルファＰｂの量によってのみ制限される。
【００２８】
この関係を考慮して、精錬された材料の所望されるアルファフラックスを達成するために必要である低アルファＰｂの量を決定することができる。精錬されるべき出発材料中の２１０Ｐｂ濃度及び目的の材料中の２１０Ｐｂの所望される濃度が既知であれば、ユーザーは、式（４）を用いて、精錬されるべき材料に添加される必要のある低アルファＰｂの量を算出することができる。
【００２９】
【数４】
0006710702.tif 000005
【００３０】
精錬されるべき出発材料中の鉛の量、すなわち、Ｐｂｉｎは、原子発光分光分析又はグロー放電質量分析などの一般的に利用可能であるいかなる検出技術を用いて特定されてもよい。プロセスによって除去された鉛の量、すなわち、Ｐｂｏｕｔは、ある実施形態では、用いられる分離方法によって達成可能である鉛の既知最終濃度によって特定され得る。例えば、達成することのできる目的の材料中の鉛の濃度は、用いられる精錬プロセスに応じて限定され得る。例えば、真空蒸留精錬の場合、達成することのできる鉛の最低濃度は、およそ１０ｐｐｍ、５ｐｐｍ、又は１ｐｐｍであり得る。したがって、目的の材料の純度レベルは、選択される精錬法に応じて設定されてよい。
【００３１】
精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂの量、すなわち、２１０Ｐｂｉｎ及び目的の材料中の２１０Ｐｂの量、すなわち、２１０Ｐｂｏｕｔは、まずアルファ粒子放出を測定することによって特定され得る。ある材料中の２１０Ｐｂの濃度を特定するための方法は、明細書に開示されており、参照により本明細書に援用される「Method for Assessing an Alpha Particle Emission Potential of a Metallic Material」と題する米国特許第８，９９３，９７８号に記載されている。
【００３２】
この方法によると、２１０Ｐｏに帰することができるアルファ粒子放出は、永続平衡阻害プロセス後の時間（ｔ）におけるポロニウムのアルファ活性、ＡＰｏとして表現される。ＡＰｏと経過時間（ｔ）とから、サンプル中の２１０Ｐｂ原子の濃度を、式（５）を用いて算出することができ：
【００３３】
【数５】
0006710702.tif 000006
【００３４】
式中：
２１０Ｐｏの半減期に基づいて、λＰｏ＝ｌｎ２／１３８．４日であり；
２１０Ｐｂの半減期に基づいて、λＰｂ＝ｌｎ２／２２．３年（８１４５．２５日）であり；
Ａは、カウント／時間の単位での測定されたアルファ粒子放出であり；
時間（ｔ）は、永続平衡阻害プロセスとアルファ粒子放出測定との間に経過した時間である。
【００３５】
この方法を用いて、金属材料が永続平衡阻害プロセスに掛けられた後の金属材料中のアルファ粒子放出を測定することができる。本明細書で用いられる場合、「永続平衡阻害プロセス」の用語は、金属材料に施され、金属材料中の少なくとも１つの目的の親同位体の崩壊プロファイルの永続平衡を少なくとも部分的に阻害するプロセスを意味する。ほとんどの場合、永続平衡阻害プロセスは、金属材料中の目的の親同位体の濃度を低下させることによって、金属材料中の対応する目的の崩壊同位体の濃度を低下させることによって、又はこれらの組み合わせによって、目的の親同位体の崩壊プロファイルの永続平衡を阻害する。代表的な永続平衡阻害プロセスとしては、溶融、鋳造、製錬、精錬、又は前述のプロセスのいずれか２つ以上の組み合わせが挙げられる。代表的な精錬プロセスとしては、電気精錬又は電気化学精錬、化学精錬、ゾーン精錬、及び真空蒸留が挙げられる。典型的には、永続平衡阻害プロセスにおいて、特に、永続平衡阻害プロセスが少なくとも部分的に精錬プロセスである場合、目的の親同位体及び目的の崩壊同位体の両方が、不純物又は汚染成分として、物理的及び／又は化学的分離により、バルク金属材料から少なくとも部分的に除去される。
【００３６】
ある実施形態では、永続平衡阻害プロセスは、ある目的の崩壊同位体の実質的にすべてを除去し、それによって、対応する目的の親同位体の永続平衡を実質的に「リセット」してもよい。例えば、２１０Ｐｂを目的の親同位体として含む金属材料の場合、永続平衡阻害プロセスは、材料中の目的の崩壊同位体２１０Ｐｏのすべてを実質的に完全に除去してもよく、それによって、２１０Ｐｂの永続平衡は、実質的にリセットされ、この場合、永続平衡阻害プロセスの後に材料中に存在する実質的にすべての２１０Ｐｏは、前記阻害プロセス後に２１０Ｐｂの崩壊によって発生される。しかし、本発明のプロセスは、目的の親同位体及び／又は目的の崩壊同位体の一部分のみを除去する永続平衡阻害プロセスを用いて実践されてもよく、本発明のプロセスは、ある目的の崩壊同位体の実質的にすべてを除去する永続平衡阻害プロセスに限定されるものではない。
【００３７】
金属材料が永続平衡阻害プロセスに掛けられた後、金属材料のアルファ粒子放出が検出され、すなわち、アルファ粒子放出測定値が得られる。バルク形態の金属材料全体のアルファ粒子放出を得ることは、本開示の範囲内であるが、典型的には、アルファ粒子放出分析の目的で、バルク金属材料のサンプルが得られることになる。
【００３８】
バルク金属材料を圧延してサンプル材料の薄板を得るなどの適切な方法によって、又は他の適切ないずれかの方法によって、バルク金属材料の比較的薄い部分がサンプルとして得られてよい。
【００３９】
サンプルが得られた後、サンプルは、サンプル材料中での目的の崩壊同位体の拡散を促進する目的で、サンプル中の目的の崩壊同位体の原子濃度がサンプル体積全体にわたって均一となるところまで加熱によって処理される。多くのサンプルでは、目的の崩壊同位体の原子濃度は、例えば、サンプルの中心に向かって高くなっているか、又はそうでなければ、サンプルの他の領域の方が高くなっている場合があり、それによって、濃度の不均衡若しくは勾配が存在する。熱処理は、サンプル中における目的の崩壊同位体の原子の相対的に高い濃度の領域から相対的に低い濃度の領域に向かっての拡散を促進することによって、そのようないかなる濃度不均衡又は勾配も除去し、それによって、サンプル中の全体にわたって目的の崩壊同位体の均一な濃度が得られる。そのような均一な濃度が得られた場合、アルファ粒子検出プロセスの検出限界深さ内にある目的の崩壊同位体の原子数が、サンプル全体にわたる目的の崩壊同位体の原子の均一濃度の代表となり、より詳細には、それと直接相関することになる。そのような均一な濃度は、目的の崩壊同位体の化学ポテンシャル勾配が、実質的にゼロであり、目的の崩壊同位体の濃度が、サンプル全体にわたって実質的に均一である場合に得られる。
【００４０】
言い換えると、室温において、試験サンプルは、化学ポテンシャル勾配を有する場合があり、その場合、目的の崩壊同位体の濃度は、サンプルの一方の側の方がサンプルの別の側よりも高いか、又はサンプルの中心部の方がサンプルの外面部よりも高い。サンプルの加熱により、化学ポテンシャル勾配が調節され、充分な時間及び温度での曝露により、化学ポテンシャル勾配は、実質的にゼロとなり、目的の崩壊同位体の濃度は、サンプル全体にわたって実質的に均一となる。
【００４１】
本明細書で用いられる場合、「検出限界深さ」の用語は、放出されたアルファ粒子が材料の表面に到達し、それによって材料から放出されて分析によって検出されるために貫通することのできるある金属材料中の距離を意味する。選択された金属材料中の２１０Ｐｏに対する検出限界深さは、ミクロンの単位で、以下の表１に示され、これは、２１０Ｐｏから２０６Ｐｂへの崩壊時に放出される５．３０４ＭｅＶのアルファ粒子の貫通に基づいている。
【００４２】
【表１】
0006710702.tif 000007
【００４３】
２１０Ｐｏ以外のアルファ粒子放出同位体の放射性崩壊時に放出されるアルファ粒子など、異なるエネルギーのアルファ粒子に対する検出限界深さは、様々であり、検出限界深さは、一般的に、アルファ粒子のエネルギーに比例する。本発明の方法では、放出されたアルファ粒子は、Ｈａｙｗａｒｄ、ＣＡのＸＩＡ Ｌ．Ｌ．Ｃ．から入手可能であるＸＩＡ １８００−ＵｌｔｒａＬｏガスイオン化チャンバーなどのガスフローカウンターの使用により、ＪＥＤＥＣ標準ＪＥＳＤ ２２１に記載の方法に従って検出されてよい。
【００４４】
２１０Ｐｏなどの目的の崩壊同位体は、金属材料中を拡散又は移動することが知られており、この点で、本発明の方法の熱処理を用いて、材料サンプル中の目的の崩壊同位体の拡散が促進され、濃度勾配が除去される。特に、２１０Ｐｏなどの目的の崩壊同位体は、ある金属材料中において拡散速度Ｊを有し、それは、以下の式（６）によって表すことができ：
【００４５】
【数６】
0006710702.tif 000008
【００４６】
式中、∂Φ／∂ｘは、２１０Ｐｏなどの目的の崩壊同位体の濃度勾配であり、Ｄは、拡散係数である。
目的の崩壊同位体の濃度勾配は、サンプルの表面でのアルファ粒子放出を測定し、化学エッチングなどによって厚さｘの材料の層を除去し、深さｘでのアルファ粒子放出を測定することによって特定される。最初の表面及び深さｘでの目的の崩壊同位体の濃度は、各表面でのアルファ粒子放出に正比例し、目的の崩壊同位体の濃度勾配は、表面の１つでの濃度と深さｘでの濃度との差を距離ｘで除したものとして算出される。
【００４７】
ポロニウムの拡散速度Ｊを特定するために、スズサンプル中での５〜５．５ＭｅＶのポロニウムのアルファ粒子放出を測定した。次に、サンプルを２００℃で６時間加熱し、アルファ粒子放出の測定を繰り返した。ポロニウム原子の数Ｎは、以下の式（７）から算出され：
【００４８】
【数７】
0006710702.tif 000009
【００４９】
式中：
Ａは、カウント／時間の単位での測定されたアルファ粒子放出であり；
２１０Ｐｏの半減期に基づいて、λＰｏ＝ｌｎ２／１３８．４日である。
【００５０】
ポロニウムのモル数は、ポロニウム原子の数Ｎをアボガドロ数で除することで算出した。ポロニウムのモル数の差を、サンプル面積（０．１８００ｍ２）及びサンプルが加熱された継続時間（６時間）で除することにより、スズ中、４７３Ｋでの拡散速度の下限、４．５×１０−２３ｍｏｌ・ｍ−２・ｓ−１が得られる。
【００５１】
【表２】
0006710702.tif 000010
サンプルの検出限界深さ内のアルファ粒子放出の検出が、サンプル全体にわたる目的の崩壊同位体の濃度の代表であり、それと直接相関するように、サンプル中の目的の崩壊同位体を拡散させていかなる濃度勾配も充分に除去するために、サンプルが曝露されてよい適切な時間及び温度の加熱プロファイルを、式（６）に基づいて決定することができる。例えば、１ミリメートルの厚さを有するスズサンプルの場合、２００℃で６時間の熱処理によって、サンプル中の２１０Ｐｏ原子の濃度勾配も確実に除去される。
【００５２】
したがって、ある金属材料及びサンプルサイズにおいて、熱の適用は、目的の崩壊同位体の原子が濃度勾配を除去するのに充分な程度に確実に拡散されるように、サンプルの曝露時間及び温度によって選択され、制御されてよい。本発明の方法によって、熱処理工程に対する適切な時間及び温度プロファイルを提供する場合、検出限界深さ内に存在する目的の崩壊同位体からのアルファ粒子放出の測定値が、サンプル全体の目的の崩壊同位体原子の濃度又は数に直接対応することが見出された。
【００５３】
金属材料に熱を掛けることによって、材料中の元素の拡散が促進されることは一般的に知られている。しかし、先行技術の方法では、熱処理は、単にバックグラウンドレベル以上で検出されるアルファ粒子放出の数を増加させ、それによって、アルファ粒子放出検出のシグナル対ノイズ比を高めるためだけに用いられてきた。
【００５４】
２１０Ｐｂが２２．３年の半減期を有することに起因して、２１０Ｐｂの濃度は、時間（ｔ）が３年未満である場合、特に、アルファ粒子放出の測定が、永続平衡阻害プロセスの比較的すぐ後に行われる場合、時間（ｔ）にわたって実質的に一定である。また、永続平衡阻害プロセスで実質的にすべての２１０Ｐｏが除去される場合（例えば、永続平衡阻害プロセスが激しい精錬プロセスである場合に当てはまり得る）、アルファ粒子放出が永続平衡阻害プロセスの比較的すぐ後に測定される場合は、上記式（５）の最終項は、初期２１０Ｐｏ濃度がゼロに非常に近いことから、ゼロに非常に近い。
【００５５】
目的の親同位体の濃度は、上記式（５）によって算出することができ、目的の親同位体の濃度が算出されると、目的の親同位体の既知の半減期を用いて、目的の親同位体の永続平衡プロファイルの再構築に基づいて、材料中の目的の崩壊同位体の最大濃度の評価又は予測を得ることができる。したがって、この測定方法を用いることで、精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂの濃度を、すなわち、２１０Ｐｂｉｎを特定することができる。
【００５６】
同じ式を用いることで、ユーザーは、目的の材料中で許容される２１０Ｐｂの濃度を、したがって、精錬されるべき材料から除去される必要のある２１０Ｐｂの量を特定することもでき、それは、２１０Ｐｂｏｕｔと相関する。
【００５７】
言い換えると、２１０Ｐｂ原子の濃度が式（５）を用いて特定されると、２１０Ｐｂの半減期に基づいて、永続平衡再構築時の最大２１０Ｐｏ活性は、（ｔ）＝８２８日で発生し、以下の式（８）から算出される：
【００５８】
【数８】
0006710702.tif 000011
【００５９】
式（５）及び式（８）を通して一貫した時間の単位（すなわち、日又は年）が用いられるべきである。
最大２１０Ｐｏ活性は、材料の最大アルファ粒子放出と直接相関しており、永続平衡阻害プロセスから８２８日で生ずる。このように、本発明の測定方法が、典型的には、永続平衡阻害プロセスの比較的すぐ後に、精錬された金属材料に対して行われることから、目的の崩壊同位体の算出された最大濃度及び付随するアルファ粒子放出は、典型的には、目的の親同位体の半減期に相当する時間枠にわたって金属材料が示すことになる目的の崩壊同位体の今後の最大濃度及び付随するアルファ粒子放出となる。
【００６０】
例えば、２１０Ｐｂの半減期に基づいて、２１０Ｐｏの考え得る最大濃度（及びそれによるアルファ粒子放出のピーク）が材料中で達成されることになる適用可能な時間枠又は「ウィンドウ」は、永続平衡阻害プロセスから８２８日（２７ヶ月）で生ずる。
【００６１】
また、永続平衡阻害プロセスからのいずれの指定された経過時間における２１０Ｐｏの考え得る濃度（及びそれによるアルファ粒子放出）も算出することが可能である。このように、永続平衡阻害プロセスから充分な経過時間後における２１０Ｐｏの考え得る濃度を算出することが可能であり、ここで、充分な経過時間は、永続平衡阻害プロセスから少なくとも２００、２５０、３００、３５０、又は３６５日であってよい。例えば、２１０Ｐｂの半減期に基づいて、２１０Ｐｏ濃度が材料中で考え得る最大濃度の６７％に到達する適用可能な時間枠は、永続平衡阻害プロセスから２００日で生ずる。同様に、２１０Ｐｏ濃度は、永続平衡阻害プロセスから３００日及び３６５日で、それぞれ、材料中で考え得る最大濃度の８０％及び８８％に到達する。
【００６２】
有利には、上記で述べた測定方法によると、金属材料が、金属材料を精錬することなどによる永続平衡阻害プロセスに掛けられた後に、金属材料が材料の耐用年数の間に到達する最大アルファ粒子放出を、正確に予測することができる。このように、この測定方法によって、電子デバイスに組み込まれるはんだなどの金属材料に対して、最大アルファ粒子放出の価値のある予測が得られる。
【００６３】
ここで、精錬方法に戻ると、目的の材料中でのアルファ放出粒子の許容される濃度が分かると、ユーザーは、式（８）を用いて、永続平衡後の時間（ｔ）での最大アルファ粒子放出を特定することができ、したがって、許容されるアルファ粒子放出を達成するために精錬されるべき材料から除去する必要のある２１０Ｐｂの量、すなわち、２１０Ｐｂｏｕｔを特定することができる。ある実施形態では、目的の材料中の最終鉛濃度、すなわち、Ｐｂｏｕｔは、用いられる精錬プロセスによって設定されてよい。例えば、特定の分離プロセスでは、目的の材料中で達成することのできる鉛の最低濃度は、限定されている。例えば、真空蒸留精錬の場合、達成することのできる最低濃度は、およそ１０ｐｐｍ、５ｐｐｍ、又は１ｐｐｍであり得る。したがって、目的の材料の純度レベルは、選択される精錬法によって設定されてよい。精錬されるべき出発材料中の２１０Ｐｂの濃度及び目的の材料中の２１０Ｐｂの濃度が既知であると、式（５）のすべての量が既知となり、ユーザーは、精錬されるべき材料に添加する必要のある低アルファＰｂの量を決定することができる。
【００６４】
同位体置換精錬プロセス全体は、何度繰り返されてもよいことから、及びプロセス全体が行われる度に、２１０Ｐｂ含有量が比例して低下されることから、この方法によって達成され得る目的の材料の純度レベルに、プロセス上の限界は存在しない。言い換えると、同位体置換精錬プロセスによって除去される２１０Ｐｂの量は、プロセスが行われる前の材料中の２１０Ｐｂの量のあるパーセントであることから、ユーザーは、精錬されるべき材料を繰り返しこのプロセスに掛けてよく、そうして、２１０Ｐｂの濃度を段階的に低下させてよい。加えて、又は別の選択肢として、金属材料は、さらなる不純物又は微量元素を材料から除去するために、同位体置換精錬プロセスの前又は後に、１つ以上のさらなる精錬プロセスに掛けられてもよい。例えば、スズ材料は、同位体置換精錬プロセスの前又は後に、ビスマスを除去するためのさらなる精錬プロセスに掛けられてもよい。
【００６５】
図１は、例としての真空蒸留装置２のブロック図であり、それは、真空チャンバー４、及び溶融金属材料を含有するための坩堝６を含み、例えば鉛をスズから分離するために用いられてよい。坩堝６は、グラファイトなど、金属又は金属アロイを溶融するために必要とされる温度に耐えることができる適切ないかなる材料から構築されてもよい。坩堝６は、坩堝６内の金属材料を、真空蒸留の過程で溶融状態に維持するための熱源８を有していてよい。例えば、坩堝６は、坩堝６と接触していてよい加熱素子を有していてよい。
【００６６】
真空ライン１２も、真空チャンバー４内の空気圧を低下させるために、真空チャンバー４と流体接続されていてよい。ある実施形態では、真空ライン１２は、空気が真空チャンバー４から引き抜かれて、チャンバー４内に真空が作り出され得るように、真空ポンプ１４と接続されていてよい。ある実施形態では、チャンバー４内に真空を作り出すことにより、溶融混合物中の成分の分圧の差を広げることによって、分離プロセスが補助され得る。１つの実施形態では、チャンバー４内の真空度は、０．５から２０Ｐａである。
【００６７】
真空チャンバー４から１つ以上の分離された材料を除去するために、第一の材料除去ライン１８が、真空チャンバー４と流体接続されていてよい。例えば、材料除去ライン１８は、真空チャンバー４から気体及び／又は液体の材料を除去するように構成されていてよい。１つの実施形態では、除去ライン１８は、真空チャンバー４から鉛を除去してよい。例えば、除去ライン１８は、真空チャンバー４から蒸発された鉛を凝縮器２０へ運んでよく、そこで、鉛蒸気は、凝縮し、回収されてよい。ある実施形態では、２つ以上の材料除去ライン１８が、チャンバー４と流体接続されていてよい。
【００６８】
ある実施形態では、坩堝６から材料を除去するために、第二の材料除去ライン２２が、坩堝６と流体接続されていてよい。例えば、ライン２２は、真空チャンバー４から液体スズを除去してよい。ある実施形態では、このプロセスは、バッチプロセスであってよい。別の選択肢としての実施形態では、連続プロセスが用いられてもよい。
【００６９】
ある実施形態では、精錬されるべきスズ材料が、溶融状態で提供される。精錬されるべきスズ材料は、許容されないアルファフラックスを有し得る。すなわち、精錬されるべきスズ材料は、所望される値よりも高いアルファ粒子放出を有し得る。溶融低アルファＰｂが、溶融スズ材料に添加されてよく、得られたスズ及び鉛混合物（又はドープされたスズ混合物）は、次に、真空蒸留精錬プロセスに掛けられて、鉛からスズが分離されてよい。真空蒸留精錬プロセスは、スズと鉛とを分離する過程で、鉛同位体間の区別はしない。すなわち、真空蒸留精錬プロセスは、鉛が同位体２０４Ｐｂ、２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ、２０８Ｐｂ、又は２１０Ｐｂであるかどうかに関わらず、鉛を除去する。
【００７０】
ある実施形態では、スズ材料全体にわたる低アルファＰｂの、溶融状態の両材料を混合することなどによる均一な分散が、２１０Ｐｂの最適な置換を達成するために必要である。そのような実施形態において、低アルファＰｂが、マトリクス中で２１０Ｐｂと共に均一に分布されていない場合、精錬プロセスは、材料中の２１０Ｐｂに対して低アルファＰｂを選択的に除去する場合があり、２１０Ｐｂ置換が低下される結果となり得る。
【００７１】
真空蒸留は、鉛とスズとを、これらの２つの金属の蒸気圧の差によって分離するために用いられ得る。ある温度での蒸気圧が高い方の金属が、混合物から最初に蒸発することになる。すなわち、スズと鉛とを含有する混合物からは、鉛が最初に蒸発する。分離プロセスの過程で、蒸発した鉛は、除去ライン１８を通して除去されるか、又は引き抜かれて、凝縮されてよい。スズは、坩堝６中に残される。鉛が混合物から留去された後に残されたスズは、真空チャンバー２中に残されて冷却及び固化されてよく、又は液体として真空チャンバー２から引き抜かれてもよい。真空蒸留プロセスを行うための典型的な温度範囲は、８００℃から１２００℃であってよい。
【００７２】
スズ材料中に残されている鉛は、出発材料中に存在する鉛よりも低い２１０Ｐｂ同位体濃度を有する。より具体的には、精錬されるべき材料中の鉛のうちの２１０Ｐｂの割合は、精錬されるべき材料に低アルファＰｂを添加することによって低下される。これは、精錬されるべき材料に添加される鉛が実質的に２１０Ｐｂを含んでいないため、精錬されるべき材料中の２１０Ｐｂが希釈されることになるからである。続いて、精錬されるべき材料が、それが含有している鉛から分離されると、除去された鉛は、精錬されるべき材料に添加された鉛中に存在していたよりも高い濃度の２１０Ｐｂを含有することになる。したがって、精錬されるべき材料に元々存在していた２１０Ｐｂの一部分が、精錬プロセスで除去されるバルク鉛と共に除去される。
【００７３】
真空蒸留後にスズ中に残留する鉛の濃度は、典型的には、約１〜５ｐｐｍであり得る。アルファ粒子放出は、精錬された材料中の２１０Ｐｂの濃度の関数であることから、目的の材料中の２１０Ｐｂ濃度を低下することによって、アルファ放出も低下されることになる。したがって、本明細書で開示される方法を用いることで、出発材料よりもアルファ放出が低下された目的の材料を製造することができる。例えば、０．０１ｃｔｓ／ｃｍ２／時間のアルファ放出を有するスズの出発材料から、０．００２０ｃｔｓ／ｃｍ２／時間のアルファ放出を有する精錬されたスズを製造することができる。
【００７４】
別の適切な精錬プロセスは、電気精錬である。図２は、例としての電気精錬装置２００のブロック図であり、それは、電気精錬槽２０２を含む。電気精錬槽２０２は、水、及び硝酸又は硫酸などの酸を含む電気精錬溶液２０４を含有してよい。精錬されるべき金属材料は、電気精錬溶液２０４に溶解されて、目的の金属材料のイオン及び金属材料不純物のイオンを含む精錬されるべき材料の金属イオンが形成されてよい。
【００７５】
電気精錬装置２００は、電気精錬溶液２０４中に配置されたカソード板２０８及びアノード板２１０を含有してよい。カソード板２０８とアノード板２１０との間に、カソード板２０８に負の電荷を、アノード板２１０に正の電荷を付与することのできる電極帯電源２０６によって電圧が適用されてよい。電極帯電源２０６は、電池又は電源装置などの電荷を付与することのできるいかなるコンポーネントであってもよい。電気精錬槽中の金属イオンの電荷により、イオンは、各板上の電荷及び金属イオン電荷に応じて、カソード板２０８上に選択的に堆積し得る。例えば、スズ及び鉛イオン上の電荷により、これらのイオンがカソード板２０８に選択的に引き寄せられて、金属イオンの一方又は両方の種が、カソード板２０８上に電着され得る。カソード板２０８及びアノード板２１０上の電極電荷をある時間にわたって維持することにより、電気精錬溶液２０４中に含有されるスズイオンがカソード板２０８上に堆積して、アルファカウントが低下した固体金属スズを形成する。この方法により、精錬されるべき材料中に含有されるスズは、材料から除去されて、実質的に鉛を含まない形態で捕捉され得る。
【００７６】
ある実施形態では、精錬されるべき材料に添加する低アルファＰｂを増やすことが、目的の材料中の２１０Ｐｂの低下に繋がる。しかし、ある実施形態では、電気精錬プロセスには制限が存在し得る。例えば、ある実施形態では、電解質溶液の保持能力によって、精錬されるべき材料に添加することのできる鉛の量に対する上限が生じ得る。ある実施形態では、電解質溶液中の鉛濃度が保持能力を超えた場合、カソード上に堆積する鉛の量が増加し、電解質中の鉛濃度が保持能力よりも低かった場合よりも高い濃度の鉛を含有する目的の材料が作製されることになる。したがって、ある実施形態では、２１０Ｐｂ除去が最大化されるが、電解質の保持能力は超えない電解質溶液中の最適な鉛濃度が存在し得る。
【００７７】
ある実施形態では、低アルファＰｂは、精錬されるべきスズ材料に直接添加され、その材料又は金属マトリクスが、アノード板２１０に形成される。例えば、精錬されるべきスズ材料は、溶融されてよく、低アルファＰｂが、溶融スズ材料中に混合されて、均一な混合物が形成されてよい。スズと低アルファＰｂの混合物は、固化されて、電気精錬装置２００と共に用いられるアノード板２１０に形成されてよい。精錬されるべきスズ材料と低アルファＰｂとの均一又は実質的に均一である混合物を含有する材料からアノード板２１０を形成することにより、アノード板２１０中の鉛を、電気精錬溶液２０４中に少しずつ分散させることが可能となり得る。この少しずつの分散により、電気精錬溶液２０４から不溶性の形態での鉛のより均一な置換が可能となり得るものであり、電気精錬溶液２０４中に水性低アルファ鉛を直接添加した場合に発生し得る電気精錬プロセス時のカソード板２０８上への鉛堆積の増加が防止され得る。
【００７８】
実施例
以下の限定されない例は、本開示の様々な機能及び特徴を説明するものであり、それを限定するものとして解釈されてはならない。
【００７９】
例１−第一の電気精錬プロセス
同位体置換精錬プロセスでは、目的の材料のアルファ放出を低下させるために、電気精錬プロセスが用いられてよい。電気精錬プロセスでは、１００ｇ／Ｌの硫酸第一スズの２１Ｌに、Ｔｅｃｈｎｉｓｔａｎ ＴＰ−５０００めっき添加剤（Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．、Ｃｒａｎｓｔｏｎ、ＲＩ）の１．５Ｌ、Ｔｅｃｈｎｉｓｔａｎ酸化防止剤（Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．、Ｃｒａｎｓｔｏｎ、ＲＩ）の０．６Ｌ、及び硫酸の０．７５Ｌを含む電解液を用いた。アノードは、１５ｐｐｍの微量鉛組成を有する９９．９５％のスズから成っていた。
【００８０】
出発電解液の鉛含有量は、０．９５ｍｇ／Ｌ又は０．９５ｐｐｍであると特定された。電解液中の出発鉛濃度を測定し、各生産物（Crop）について以下の表３に示す（「測定［Ｐｂ］ｐｐｍ」）。各スズ精錬サイクルの前に電解液に添加した鉛の量も、表３に示す（「添加Ｐｂ ｍｇ／Ｌ」）。電気精錬された材料中のアルファ粒子放出（カウント／時間／ｃｍ２）を、精錬のすぐ後の測定（「Ｔ０アルファ」）及び少なくとも６０日間の保存後の測定（「Ｔ６０アルファ」）について表３に示す。精錬プロセスとＴ０アルファ測定との間の日数は、「実Ｔ０日数」として示し、精錬プロセスとＴ６０アルファ測定との間の日数は、「実Ｔ６０日数」として示す。
【００８１】
鉛を添加しない場合の結果を試験するためのコントロールサンプルでは、スズを電気精錬して、２ｋｇのカソード質量を得た。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）による鉛含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。この精錬サイクルからの結果を、以下の表３の生産物１と表示した行に挙げる。
【００８２】
低アルファＰｂではない鉛を添加した場合の結果を試験するために、アルファ放出率が０．５ｃｔｓ／ｃｍ２／時間である０．４１８グラムのＰｂを、２５％の硝酸中に溶解し、電解質溶液に添加した。電解液中の鉛含有量は、１０．２ｍｇ／Ｌと分析された。スズ電気精錬を２サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。第一のサイクルからは、生産物２を作製した。生産物２を取り出し、次に生産物３を作製した。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。これら２つのサイクルからの結果を、以下の表３の生産物２及び３と表示した行に挙げる。
【００８３】
低アルファＰｂをスズに添加した場合の結果を試験するために、アルファ放出率が＜０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間である０．８４グラムの鉛を、２５％の硝酸中に溶解し、電解質溶液に添加した。電解液中の鉛含有量は、４ｍｇ／Ｌと分析された。スズ電気精錬を２サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。第一のサイクルからは、生産物４を作製した。生産物４を取り出し、次に生産物５を作製した。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。これら２つのサイクルを、以下の表３に生産物４及び５として挙げる。
【００８４】
より高いレベルの低アルファＰｂをスズに添加した場合の結果を試験するために、アルファ放出率が＜０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間である０．７１グラムの鉛を、２５％の硝酸中に溶解し、電解質溶液に添加した。電解液中の鉛含有量は、７．１９ｍｇ／Ｌと分析された。スズ電気精錬を２サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。第一のサイクルを、表３に生産物６として挙げる。生産物６を行った後、電解液中の鉛含有量は、３．３ｍｇ／Ｌと分析された。第二のサイクルを、表３に生産物７として挙げる。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。
【００８５】
表３の生産物１に示されるように、コントロールのアルファカウントは、２１０Ｐｂ／２１０Ｐｏ平衡により、アルファフラックスの著しい増加を示した。生産物２及び３に見られるように、出発スズ中の鉛よりも２１０Ｐｂ含有量の低い鉛が、鉛から分離される前のスズに添加された場合、アルファカウントは、時間Ｔ０からＴ６０までにある程度のアルファ変化（alpha drift）を示しているが、アルファ変化は、鉛が添加されない場合よりも小さい。しかし、スズが分離プロセスを受ける前に低アルファＰｂが添加された場合、生産物４及び５で見られるように、アルファ変化は、時間Ｔ０からＴ６０まで比較的一定に維持されている。
【００８６】
低アルファＰｂではない鉛が添加された生産物３と低アルファＰｂが添加された生産物５との間でアルファ放出を比較すると、低アルファＰｂを溶液中に入れることで、低アルファＰｂではない鉛を添加した場合よりも低いレベルのアルファ放出である精錬されたスズ材料が作製されることが分かる。精錬プロセス後の時間Ｔ０及び精錬プロセスの少なくとも６０日後の電気精錬されたスズサンプルにおけるアルファ粒子フラックスのプロットを、図３に示す。
【００８７】
電解質溶液中の鉛飽和が、生産物６及び７における増加したアルファ変化の原因であり得る。生産物６及び７の増加したアルファ放出は、少なくとも部分的に、電解液の保持能力を超えて鉛を添加したことに起因し得る。電気精錬開始時の電解液中の鉛濃度が保持能力よりも高い場合、精錬されたスズは、より高い濃度の鉛を、したがって、より高い濃度の２１０Ｐｂを含有し得る。したがって、表３のデータは、生産物４及び５並びに生産物６及び７に用いた出発濃度間に、電解質溶液の最適な鉛濃度が存在することを示し得るものである。
【００８８】
【表３】
0006710702.tif 000012
【００８９】
例２−第二の電気精錬プロセス
第二の電気精錬プロセスでは、１００ｇ／Ｌの硫酸第一スズの２１Ｌに、Ｔｅｃｈｎｉｓｔａｎ ＴＰ−５０００めっき添加剤（Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．、Ｃｒａｎｓｔｏｎ、ＲＩ）の１．５Ｌ、Ｔｅｃｈｎｉｓｔａｎ酸化防止剤（Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．、Ｃｒａｎｓｔｏｎ、ＲＩ）の０．６Ｌ、及び硫酸の０．７５Ｌを含む電解液を用いた。アノードは、７ｐｐｍの微量Ｐｂ組成を有する９９．９９％のスズから成っていた。
【００９０】
鉛を添加しない場合の結果を試験するためのコントロールサンプルでは、スズを電気精錬して、２ｋｇのカソード質量を得た。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによる鉛含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。この精錬サイクルからの結果を、以下の表４の槽１、生産物１〜５と表示した行に挙げる。
【００９１】
低アルファＰｂをスズに添加した場合の結果を試験するために、アルファ放出率が０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間未満である５．００１２ｇの鉛を２５％の硝酸中に溶解し、１Ｌの溶液とした。１×低アルファＰｂを添加した場合の結果を試験するために、この５ｇ／Ｌの鉛溶液の６ｍＬを添加して、電解質溶液中にアルファ放出率が０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間未満である鉛の３０ｍｇを導入した。スズ電気精錬を５サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。これら５つのサイクルを、以下の表４に槽２、生産物１〜５として挙げる。
【００９２】
５×低アルファＰｂをスズに添加した場合の結果を試験するために、２５％の硝酸中のアルファ放出率が０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間未満である５ｇ／Ｌの鉛の３０ｍＬを電解質溶液中に添加した。すなわち、このサンプルは、１×低アルファＰｂサンプルの５倍の量の低アルファＰｂを含んでいた。スズ電気精錬を５サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行った。これら５つのサイクルを、以下の表４に槽３、生産物１〜５として挙げる。
【００９３】
１０×低アルファＰｂをスズに添加した場合の結果を試験するために、２５％の硝酸中のアルファ放出率が０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間未満である５ｇ／Ｌの鉛の６０ｍＬを電解質溶液中に添加した。すなわち、このサンプルは、１×低アルファＰｂサンプルの１０倍の量の低アルファＰｂを含んでいた。スズ電気精錬を５サイクル行い、各々で、およそ２ｋｇの精錬されたスズを作製した。精錬されたスズを溶融し、鋳造し、ＩＣＰによるＰｂ含有量、及び本開示で既に記載した手順に従うアルファ放出率についての試験を行う。これら５つのサイクルを、以下の表４に槽４、生産物１〜５として挙げる。各スズ精錬サイクルの前に電解液に添加した鉛の量も、表４に示す（「添加Ｐｂ ｍｇ」）。
【００９４】
表４の初期２１０Ｐｂ／Ｐｂ及び最終２１０Ｐｂ／Ｐｂのデータは、２つの場合を除いたすべてにおいて、総Ｐｂに対する２１０Ｐｂの濃度が減少したこと、及び平均して、低アルファ鉛の添加量の増加と共に２１０Ｐｂ／Ｐｂが減少したことを示している。各槽における生産物１の後、作製物中の２１０Ｐｂ濃度も、投入物に対して減少しており、精錬プロセスが２１０Ｐｂを良好に除去したことを示している
【００９５】
【表４】
0006710702.tif 000013
【００９６】
例３−真空蒸留精錬プロセス
Ａｊａｘ Ｍａｇｎｅｔｈｅｒｍｉｃ真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）（Ａｊａｘ、Ｏｎｔａｒｉｏ、Ｃａｎａｄａより入手可能）を用いて、スズから鉛を分離した。ＶＩＭの蓋は、水冷ジャケットを特徴とし、蒸気凝縮に適する面を提供した。
【００９７】
サンプル１は、出発スズに追加のＰｂを添加していないスズからのＰｂの分離を試験するためのコントロールサンプルとした。このコントロール試験の場合、鉛含有量１９ｐｐｍ及び２１０Ｐｂ含有量３．３×１０４原子／ｇである純度９９．９５％のスズの１９８６．９グラムを坩堝に投入した。したがって、３７ｍｇの鉛が出発材料中に存在していた。次に、この混合物を溶融し、ＶＩＭの温度を、２０Ｐａの圧力下、１１００℃で７．５時間保持すると同時に、鉛をスズから分離させた。溶融金属には、分離プロセスの間、誘導電磁界からの強い撹拌を施した。分離プロセスの完了後、精錬されたスズの質量は、１９８３．７グラムであり、３．２グラムの減少であった。精錬されたスズの鉛含有量は、ＩＣＰにより、１ｐｐｍ又は２ｍｇと測定された。
【００９８】
サンプル２を用いて、サンプル１のコントロールサンプルと比較した。サンプル２の場合、ＶＩＭ分離の前に、低アルファＰｂをスズサンプルに添加した。サンプル２は、サンプル１と同じ純度９９．９５％のスズの１９５９．８７グラムで開始した。スズを、ＶＩＭ中のグラファイト坩堝に投入し、この混合物を溶融する前に、０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間未満のＰｂの０．８３６グラムを坩堝に添加した。スズ成分及び鉛成分は、いかなる平衡阻害プロセスからも３年以上が経過しているため、いずれにおける２１０Ｐｂも平衡に到達していた。スズ中の総鉛濃度は、４４６μｇＰｂ／ｇＳｎ又は４４６ｐｐｍであった。
【００９９】
精錬プロセスの後、精錬されたスズ混合物の最終質量は、１９５５．７グラムであり、５．００６グラムの質量減少である。ＩＣＰにより、スズの最終鉛濃度は（Ｐｂｏｕｔ）、３ｐｐｍと特定された。したがって、合計で０．８６７ｇの鉛（４４２ｐｐｍ）が、出発スズ質量１９５９．８７ｇから分離された。両試験からの数値を、サンプル１及び２として表５に挙げる。
【０１００】
精錬されたスズの塊を圧延して、アルファ放射率測定に適するシートとした。コントロール及び目的のスズの両方における初期Ｔ０アルファ放出率を測定し、バックグラウンドレベルであることが観察された。
【０１０１】
２つのさらなるサンプルペアを作製し、ＶＩＭ精錬の前後に試験した。サンプル１及び２のペアと同様に、サンプル３とサンプル４とのペア及びサンプル５とサンプル６とのペアは、同じ出発Ｐｂｉｎ濃度のスズを用いて作製する。各ペアにおいて、第一のサンプル（すなわち、サンプル３及び５）は、鉛を添加しないコントロールとして用い、他方のサンプル（すなわち、サンプル４及び６）は、ＶＩＭ分離の前に低アルファ鉛を添加したものである。サンプル３〜６には、サンプル１及び２に対して上述したものと同じ分離及び試験手順を用い、データは、以下の表５に示す。
【０１０２】
表５のコントロールサンプル（すなわち、サンプル１、３、及び５）に対する結果は、真空蒸留プロセスが、出発スズ材料から良好に鉛を除去し、対応して、２１０Ｐｂ濃度に伴うスズ混合物中のアルファフラックスを低下させたことを示している。投入物中のより高いＰｂ濃度及び真空蒸留プロセスのＰｂに対する相対的除去効率を考えると予測されるように、ドープされたサンプル（すなわち、サンプル２、４、及び６）はすべて、対応するコントロールサンプルと比較してより高いバルク鉛濃度を有していた。しかし、ドープされたサンプル（すなわち、サンプル２、４、及び６）はすべて、バルクの鉛値がより高い場合であっても、対応するコントロールサンプル（すなわち、それぞれ、サンプル１、３、及び５）と比較して２１０Ｐｂｏｕｔの減少を示し、２１０Ｐｂが、作製物材料中で置換されたことを示している。コントロールサンプルに対してドープされたサンプル中のアルファ活性が一貫して低いことは、低アルファ材料の精錬において、同位体置換の発想が、既存の先行技術のプロセスの性能を改善するものであることを示している。
【０１０３】
【表５】
0006710702.tif 000014
【０１０４】
【表６】
0006710702.tif 000015
【０１０５】
本開示の範囲から逸脱することなく、考察した代表的な実施形態に、様々な改変及び追加が行われてよい。例えば、上記で述べた実施形態は、特定の機能に関するものであるが、本開示の範囲はまた、上記で述べた機能のすべてを含んではいない機能及び実施形態の異なる組み合わせを有する実施形態も含む。
［１］金属材料から鉛−２１０（２１０Ｐｂ）を除去するための方法であって、
精錬されるべき金属材料中の２１０Ｐｂ濃度を特定すること、前記２１０Ｐｂ濃度から、前記精錬されるべき金属材料に添加されるべき、前記精錬されるべき金属材料よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する低アルファ鉛の量を特定すること、前記精錬されるべき金属材料に前記低アルファ鉛を添加することによってドープされた金属混合物を形成すること、前記ドープされた金属混合物を精錬して、前記ドープされた金属混合物から前記鉛の少なくとも一部分を分離し、前記精錬されるべき金属材料よりも低い２１０Ｐｂ濃度を有する精錬された金属を形成すること、を含む、方法。
［２］前記精錬されるべき金属材料が、スズ、鉛、銅、アルミニウム、ビスマス、銀、インジウム、アンチモン、セレン、ガリウム、タリウム、亜鉛、及びニッケル、並びにこれらのアロイ及び組み合わせから成る群より選択される少なくとも１つのメンバーを含む、［１］に記載の方法。
［３］前記精錬工程が、前記ドープされた金属混合物を大気圧よりも低い圧力の雰囲気中で溶融状態に維持すること、及び前記精錬された金属から、鉛と前記精錬された金属との分圧の差によって前記ドープされた金属混合物中の前記鉛を分離すること、を含む、［１］に記載の方法。
［４］精錬が、電気精錬を含む、［１］に記載の方法。
［５］前記精錬された材料が、８００日後に、０．００２ｃｔｓ／ｃｍ２／時間以下のアルファフラックスを有する、［１］に記載の方法。
［６］第一のアルファ放出カウントを有する金属材料からアルファ粒子放出体を除去するための方法であって、
前記第一のアルファ放出カウントよりも低い第二のアルファ放出カウントを有する鉛材料を前記金属材料に添加すること、鉛と比較した前記金属材料に対する選択性を有する精錬プロセスによって前記金属材料を精錬して、前記鉛の少なくとも一部分を除去すること、
を含む、方法。
［７］前記精錬工程が、前記金属混合物の蒸気以外の気体元素を実質的に含まない雰囲気中で、前記金属材料を溶融状態に維持すること、及び前記金属材料から、鉛と前記金属材料との分圧の差によって前記金属材料中の前記鉛を除去すること、を含む、［６］に記載の方法。
［８］前記精錬されるべき金属材料が、０．０５ｃｔｓ／ｃｍ２／時間以上のアルファフラックスを有する、［６］に記載の方法。
［９］金属材料から鉛を除去する方法であって、
第一の鉛同位体及び目的の金属を含む精錬されるべき金属材料中の前記第一の鉛同位体の濃度を特定すること、実質的に前記第一の鉛同位体を含まない鉛材料を前記金属材料に添加して、ドープされた金属混合物を形成すること、及び、前記ドープされた金属混合物から前記第一の鉛同位体及び前記鉛材料の少なくとも一部分を除去して、精錬された目的の金属を形成すること、を含む、方法。
［１０］前記金属材料が、スズ、鉛、銅、アルミニウム、ビスマス、銀、インジウム、アンチモン、セレン、ガリウム、タリウム、亜鉛、及びニッケル、並びにこれらのアロイ及び組み合わせから成る群より選択される、［９］に記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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