JP2009087581A - 荷電変換薄膜および粒子加速器 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素製の荷電変換薄膜の作成および取り扱いを容易にすること。
【解決手段】陽子ビームが周回する周回軌道（１１）が内部に形成された加速器本体（２）と、前記加速器（１）に荷電粒子としての負極性水素イオンビームを、前記加速器本体（２）内に入射する入射部（３）と、前記入射部（３）から入射された前記負極性水素イオンビームの入射軌道（１１ｂ）上に配置され、前記負極性水素イオンビームから電子を剥離して陽子ビームに変換するカーボンナノチューブ薄膜により構成された荷電変換薄膜（１６）と、を備えた粒子加速器（１）。
【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子から電子を剥離させる荷電変換薄膜および前記荷電変換薄膜を備えた粒子加速器に関する。
本発明は、特に、負水素イオンビームから電子を剥離して陽子ビームに荷電を変換するのに好適な荷電変換薄膜および前記荷電変換薄膜を備えた粒子加速器に関する。

円環状の粒子加速器において、周回する荷電粒子ビームを取り出すための技術として、特許文献１（特開平１０−６４６９９号公報）記載の技術が知られている。
特許文献１には、周回する水素の負イオンビーム（Ｈ⁻）を正のイオンビーム（Ｈ^＋）、すなわち、陽子に変換して取り出す円形加速器において、共鳴状態となりベータトロン振動振幅が増加したＨ⁻イオンが通過する位置にベリリウム製の荷電変換薄膜を配置し、荷電変換薄膜を通過する際にＨ⁻イオンから電子が剥離して（奪い取られて）、Ｈ^＋イオンとなったイオンビームが円形加速器（１１１）の外周側に偏向されて取り出す技術が記載されている。また、特許文献１には、荷電変換薄膜として、ベリリウム製の荷電変換薄膜以外に、炭素製あるいはアルミニウム製の薄膜を使用可能であることが記載されている。

このほかにも、非特許文献１には、陽子加速器において、リング内を周回している陽子に陽子を入射する場合に、入射部に荷電変換薄膜を配置し、入射された負水素イオンから電子を剥離して陽子に変換して、周回している陽子に影響を与えずに陽子を追加入射する技術も記載されている。

特開平１０−６４６９９号公報（「００１９」、「００３０」、「００３３」） 山崎良成、他３名、"Ｊ−ＰＡＲＣ加速器"、［online］、２００５年６月１日、高エネルギー物理学研究者会議、［平成１９年９月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：www.jahep.org/hepnews/2005/Vol24No1-2005.4.5.6yamazaki.pdf＞

前記特許文献１に記載されているように、一部の円形加速器ではベリリウム製の荷電変換薄膜が使用されるが、ベリリウムは有害であるという問題があると共に、非特許文献１に記載されているような高エネルギーの光線（ビーム）が得られるシンクロトロン型の加速器では、ベリリウム製の荷電変換薄膜は使用されず、炭素製の荷電変換薄膜が一般的に使用されている。

ここで、従来使用されている炭素製の荷電変換薄膜は、剥離剤としての硫化ナトリウムが塗布されたガラス板に、炭素を蒸着させて形成したものが使用されていた。このような蒸着法で作成した炭素薄膜は、機械的強度が非常に弱く、脆い。したがって、荷電変換薄膜として使用しようとする場合、まず、炭素薄膜をガラス板から機械的に剥離しようとすると炭素薄膜が破れてしまうため、水に漬けて剥離剤を溶かして剥離させていた。また、水中に剥離された炭素薄膜は、内部応力で湾曲し、筒状に巻き取られた状態になりやすい問題がある。したがって、荷電変換薄膜として使用するために加速器にセットする場合、筒状の炭素薄膜を平らに延ばす必要があったが、炭素薄膜を強く引張りすぎると、破れてしまう問題があった。すなわち、従来の炭素製の荷電変換薄膜では、機械的強度が非常に弱く、脆弱で壊れやすく、人手による取り扱いがほぼ不可能であり、取り扱いが非常に面倒であったという問題があった。

特に、近年の加速器の大強度化に伴って、荷電変換すべきビームのエネルギーは１ＧｅＶ、強度はＭＷと増大しており、厚さが３００〜５００μｇ／ｃｍ^２の炭素薄膜が必要となっている。しかしながら、このような厚さで数ｃｍ四方の大きさの炭素薄膜は、蒸着法等の従来の方法では製作が容易でないばかりか、そのようにして作製された炭素薄膜でも、やはり可撓性が低く且つ脆弱であり、取り扱いに特別な注意を払う必要があるという問題があった。
また、厚さが厚くなると、通過する高エネルギー荷電粒子のエネルギーロスによる加熱で高温になりやすく、寿命が短いという問題がある。

本発明は前記事情に鑑み、炭素製の荷電変換薄膜の作成および取り扱いを容易にすることを技術的課題とする。

前記技術的課題を解決するために請求項１記載の発明の荷電変換薄膜は、
カーボンナノチューブが不規則且つ緊密に絡み合ったカーボンナノチューブ薄膜により構成され、入射された荷電粒子から電子を剥離することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の荷電変換薄膜において、
改良直噴熱分解合成法により作製された前記カーボンナノチューブ薄膜により構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の荷電変換薄膜において、
比重が１ｇ／ｃｃ以下、厚さが１０μｍ以下、厚さの一様性が１０％以内の前記カーボンナノチューブ薄膜により構成されたことを特徴とする。

前記技術的課題を解決するために請求項４記載の発明の粒子加速器は、
陽子ビームが周回する周回軌道が内部に形成された加速器本体と、
荷電粒子としての負極性水素イオンビームを、前記加速器本体内に入射する入射部と、
前記入射部から入射された前記負極性水素イオンビームの入射軌道上に配置され、前記負極性水素イオンビームから電子を剥離して陽子ビームに変換する請求項１ないし３のいずれかに記載の荷電変換薄膜と、
を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、荷電変換薄膜がカーボンナノチューブにより構成されているので、機械的強度が高く、人手で取り扱うことができるため、荷電変換薄膜を持ち運んだり、セットする作業等の取り扱いが飛躍的に容易にできる。
請求項２記載の発明によれば、改良直噴熱分解合成法により量産された低コストのカーボンナノチューブ薄膜で、取り扱いが非常に容易に荷電変換を行うことができる。
請求項３記載の発明によれば、高エネルギーの荷電粒子の荷電変換を行うことができる。
請求項４記載の発明によれば、機械的強度が高く、非常に容易に取り扱うことが可能な荷電変換薄膜により加速器で荷電変換を行うことができる。また、カーボンナノチューブが不規則且つ緊密に配置されているため、輻射の放熱効率が高く、入射されるビームによる熱に対する寿命が長くなる。したがって、荷電変換薄膜の交換回数が少なく、作業者の被曝線量が少ない加速器を提供することができる。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

図１は本発明の実施例１の粒子加速器の全体説明図である。
図１において、本発明の実施例１の粒子加速器の一例としての陽子加速器１では、内部が真空排気されており、陽子ビーム（Ｈ^＋ビーム）が周回する周回軌道１１を有する環状の加速器本体２を有する。前記加速器本体２には、荷電粒子が入射される入射部３と、加速された陽子ビームが出射される出射部４とを有する。前記加速器本体２内部には、複数の電磁石と加速装置とが配置されており、内部を移動する陽子を電磁力により偏向させて周回させると共に加速し、前記出射部４から放出させる。

図２は実施例１の粒子加速器の入射部の要部拡大説明図である。
図２において、陽子ビーム軌道１１の陽子ビーム移動方向に対して、入射部３の上流側および下流側には、陽子ビームを偏向させるシンクロトロン電磁石１２，１３が配置されている。前記シンクロトロン電磁石１２，１３の間の入射部３には、荷電粒子の一例としての負水素ビーム（Ｈ⁻ビーム）が入射される入射接続部１４が接続されている。前記入射部３には、前記入射接続部１４から入射されたＨ⁻ビームが照射される荷電変換薄膜１６が配置されている。また、前記入射部３には、周回する陽子ビームを加速軌道１１ａに沿って移動させると共に、入射されたＨ⁻ビームを偏向してバンプ軌道（入射軌道）１１ｂに沿って移動させて荷電変換薄膜１６に入射させる複数のバンプ電磁石１７，１８，１９，２０が配置されている。

図３は実施例１の荷電変換薄膜の要部拡大説明図である。
図２、図３において、実施例１の荷電変換薄膜１６の上下両端縁は、二又状に形成された薄膜支持部２１ａ，２１ｂを有する薄膜支持枠体２１により支持されている。前記薄膜支持枠体２１は、荷電変換薄膜１６の交換等のメンテナンス時に、荷電変換薄膜１６を支持する薄膜支持枠体２１を前記バンプ軌道１１ｂに対して進入、退避させる薄膜交換装置２２に支持されている。
実施例１の荷電変換薄膜１６は、カーボンナノチューブが不規則且つ緊密に絡み合ったカーボンナノチューブ薄膜により構成されており、例えるならカーボンナノチューブにより構成された繊維が複雑に絡み合った布生地のような薄膜により構成されている。実施例１では、特に、荷電変換薄膜１６として、比重が１ｇ／ｃｃ以下、厚さが１０μｍ以下、厚さの一様性（厚さのばらつき）が１０％以下のものが好適に使用可能である。なお、このようなカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜は、改良直噴熱分解合成法により作製可能であり、前記改良直噴熱分解合成法は、例えば、「独立行政法人産業技術総合研究所広報部、“高品質単層カーボンナノチューブ量産とサンプル配布を開始”、［online］、２００７年２月１３日、独立行政法人産業技術総合研究所、［平成１９年９月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2007/pr20070213/pr20070213.html＞」に記載されており、従来公知である。

（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の粒子加速器１では、カーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６、すなわち、炭素製の荷電変換薄膜１６に対して、Ｈ⁻ビームが入射されると、電子が剥離される（奪い取られる）。したがって、負水素イオンビームの電子が剥離されて電荷が変化し（荷電変換され）、正水素イオンビーム、すなわち、陽子となる（Ｈ⁻→Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。荷電変換薄膜１６で発生した陽子は、加速軌道１１に供給され、周回する。
前記実施例１の粒子加速器１では、柔軟性が高く機械的強度が高いカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６を使用するため、μｍオーダーの薄膜でも、直接人手により引張ったり折り曲げたりすることができる、したがって、荷電変換薄膜１６を人手で容易に扱うことができ、薄膜支持枠体２１に装着、取り外す作業を容易に行うことができる。また、実施例１のカーボンナノチューブ薄膜１６は、炭素原子の集合密度が、従来の蒸着法の炭素薄膜により遙かに小さく、従来の炭素薄膜の比重が２〜３ｇ／ｃｃであるのに比べ、実施例１のカーボンナノチューブ薄膜１の比重は１ｇ／ｃｃ以下である。したがって、高エネルギー荷電粒子が膜中を通過する際生じるエネルギー損失の単位飛距離当たりの値が低くなり、膜内の発熱密度が低くなるので、荷電変換膜としての寿命が長くなることが期待される。

（実験例）
次に、実施例１のカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６による荷電変換の効果を確認する実験を行った。
実験は、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構の施設内の陽子加速器を使用して実験を行った。
（実験例１）
実験例１は、カーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜と、従来の薄膜（フォイル）とで膜の温度がどのように変化するかを測定した。実験は、加速器１を２．７×１０^−７ｍｂの真空度に排気し、入射されるビームのエネルギーは６５０ｋｅＶに設定した。なお、実験は、ビーム照射直後の薄膜支持枠体に支持された薄膜の温度を測定して比較した。
実験例１−１では、厚さが３〜４μｍのカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６を使用した。
実験例１−２では、厚さが１μｍのカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６を使用した。

比較例１−１では、厚さが３０４μｇ／ｃｍ^２（約１μｍ）のＨＢＣフォイル（ホウ素がドープされた蒸着法で作製された炭素薄膜、Hybrid Boron mixed Carbon Foil）の荷電変換薄膜として使用した。
比較例１−２では、厚さが０．２ｍｍ、０．１ｇ／ｃｃ）のエアロゲルフォイル（シリカエアロゲル）を荷電変換薄膜として使用した。

（実験例１の実験結果）
照射後の荷電変換薄膜１６の温度は、実験例１−１では１２２３℃、実験例１−２では１２２９℃、すなわち、カーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜１６では、約１２３０℃であり、薄膜支持枠体２１で荷電変換薄膜１６を支持する際の張力の不均一に起因して、熱により皺が発生するまで、ほぼこの温度で推移したことが確認された。
比較例１−１では、１８００℃程度であり、比較例１−２では高温になると熱で溶けてしまい測定不能であった。
したがって、カーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜では、熱を放出する効率、すなわち、輻射放射効率が高いことが確認された。よって、従来の薄膜よりも、熱に対する寿命が長くなることが期待される。
なお、実験例１−１では、全照射時間１２時間１８分に渡ってビームを照射したが、実験終了時、ビーム照射スポット部分に皺に沿った細かい亀裂が見られたものの、大きな断裂は確認されなかった。また、実験例１−２では、全照射時間４時間１５分間ビームを照射したが、実験開始から数時間照射後にビーム照射スポット部分に亀裂が発生し、その後亀裂の幅が広がり、実験終了時にはビームスポットの大きさの孔となった。

（実験例２）
図４は実験例２の実験方法の説明図である。
実験例２では、膜厚の厚さの分布の広がりについて実験を行った。図４において、実験例２では、アメリシウム２４１（^２４１Ａｍ）をα線源とするα線のエネルギースペクトルを測定する。すなわち、直径７ｍｍ（φ７）の有効面積を有するα線源３１に対して、４８ｍｍの間隔をあけて荷電変換薄膜１６を配置し、荷電変換薄膜１６に対して６０ｍｍの間隔をあけてＳＳＤ（Surface Barrier Semiconductor Detector：表面障壁型半導体検出器）により構成された放射線測定装置３２を配置する。膜の厚さ分布は、膜を通過したα線のエネルギースペクトルの広がりからα線のエネルギーの広がりおよびEnergy stragglingを差し引いて求める。なお、stragglingは、アルファ線のエネルギーロスが膜中の電子と衝突し、エネルギーを付与することによって発生することに起因する現象であり、この衝突が確率的に発生するため、アルファ線のエネルギーロスが統計的な広がりを持つ現象を指す。なお、stragglingによるエネルギーロス分布σ_Ｂは、Bohrにより、Ｚ_１を入射粒子の原子番号、Ｚ_２を透過物質の原子番号、Ｎを透過物質の原子密度、Δｘを透過物質の厚さとし、ｅを電気素量とした場合に、式（１）で与えられることがわかっている。
σ_Ｂ＝４πＺ_１ ^２Ｚ_２ｅ^４ＮΔｘ …式（１）

前記条件の下、実験例２−１では、厚さが３〜４μｍのカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜を使用した。
実験例２−２では、厚さが８〜１０μｍのカーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜を使用した。
比較例２−１では、薄膜支持枠体に荷電変換薄膜を支持しない状態（Blank状態）で測定を行った。
比較例２−２では、従来の蒸着炭素薄膜（メーカー測定値１８４μｇ／ｃｍ^２＝厚さ約１μｍ弱）の荷電変換薄膜を使用した。
実験結果を図５に示す。

図５は実験例２の実験結果の説明図であり、横軸に測定エネルギー、縦軸にエネルギーが測定された回数を取ったグラフである。
図６は図５に示す実験結果を片対数グラフで表示してガウス分布に対して一致するか否かを判別するための説明図であり、横軸に測定エネルギー、縦軸にエネルギーが測定された回数を取ったグラフである。
図７は図５の実験結果に基づいて得られた膜厚の分布の説明図であり、横軸に厚さを取り、縦軸に単位厚さ当りの割合を取ったグラフである。
なお、図７は、図５、図６に示す実験結果において、現在、エネルギーロスや飛程、straggling等を計算するコンピュータシミュレーターとして公知のＳＲＩＭ／ＴＲＩＭを使用して、エネルギーロスを再現する膜の厚さと、その厚さによるstragglingを計算し、それらの計算値に基づいて、実験結果から膜厚の分布を計算した。

図５において、^２４１Ａｍのα線のエネルギーは５．４８６ＭｅＶであり、薄膜の厚さが厚くなるほど通過時にエネルギーが減少していることが確認されており、カーボンナノチューブがランダムに不規則且つ緊密に絡み合った形態の実施例１（実験例２−１、２−２）の荷電変換薄膜でも、カーボンナノチューブに衝突せずに隙間を透過するのではなく、衝突が発生することが確認され、十分に電子を剥離可能であることがわかる。
また、図６において、測定されたスペクトルについて、ピークの近傍と高エネルギー側をガウス分布で近似してみると、ピークの１σ（標準偏差）程度低エネルギー〜高エネルギー側の部分はガウス分布で良く再現されていることがわかる。ガウス分布が一致する部分の割合は、スペクトルに含まれるカウント数の８０％以上である。ピークの１σ程度低エネルギーよりも低エネルギー側は、ガウス分布からズレて複雑な分布を示すが、この部分は、α線のエネルギーの広がりや、測定器の分解能、あるいは、薄膜のわずかな皺などにより、実効的な厚さが増え、エネルギーロスがわずかに大きくなった部分等が含まれていると考えられる。

但し、高エネルギー側の裾は、α線のエネルギーロスの小さい部分の分布に対応しているため、荷電変換薄膜として有用かどうかは、透過α線のエネルギースペクトルの高エネルギー側の裾がどの程度広がっているかから判断される。図６に示すように、実験例２−１、２−２共に、高エネルギー側の裾は大きな広がりがなく、ガウス分布に良く一致している。このようにして得られた厚さの広がりは、膜の平均の厚さの１／１０程度であり、蒸着薄膜（比較例２−２）の場合と大差がないことがわかった。すなわち、カーボンナノチューブ製の薄膜では、厚さに広がりがあることを考慮して厚さを選べば十分な荷電変換効率を得られることを示している。したがって、カーボンナノチューブ製の薄膜でも荷電変換薄膜としての適正が損なわれないことがわかった。
さらに、図７において、比較例２−１や実験例２−１、２−２では、実験条件とほぼ同じ膜厚が測定され、実用上はこの値を厚さの広がりと考えても問題が起こらないと考えられる。

したがって、前記実験結果から、実施例１の荷電変換薄膜１６では、従来の蒸着法による荷電変換薄膜と同様に入射された荷電粒子から電子を剥離することができると共に、機械的強度が強く、人手で取り扱えることができるため、従来に比べて取り扱いが飛躍的に容易にできる。また、輻射放射性能が高く、ビームが照射されても放熱効果が高いため、熱に対する寿命が長くすることが期待できる。また、膜厚が３〜４μｍ以上にすると亀裂も生じにくいため、入射した荷電粒子の中で、亀裂により荷電変換されないものが少なくなることが期待される。さらに、荷電変換薄膜１６の寿命が延び、薄膜の交換頻度が減少するため、放射線作業である薄膜交換作業の回数を減らすことができ、担当者の放射線被曝量が減少することが期待できる。

（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ03）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、カーボンナノチューブ製の荷電変換薄膜は、高エネルギーの加速器において好適に使用可能であるが、これに限定されず、比較的低エネルギーの加速器において使用されるベリリウム製の荷電変換薄膜に替えて使用することも可能である。

（Ｈ02）前記実施例において、荷電変換する荷電粒子として負水素イオンビームを例示し、これに対して好適に使用可能であるが、これに限定されず、荷電変換される任意の荷電粒子に適用可能である。したがって、前記実施例では加速器として陽子加速器を例示したが、これに限定されず、荷電粒子の荷電変換（荷電変化）が行われる任意の粒子加速器に適用可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、荷電変換薄膜１６を支持する構成として、薄膜支持枠体２１を例示したが、この構成に限定されず、任意の構成を採用可能である。

図１は本発明の実施例１の粒子加速器の全体説明図である。 図２は実施例１の粒子加速器の入射部の要部拡大説明図である。 図３は実施例１の荷電変換薄膜の要部拡大説明図である。 図４は実験例２の実験方法の説明図である。 図５は実験例２の実験結果の説明図であり、横軸に測定エネルギー、縦軸にエネルギーが測定された回数を取ったグラフである。 図６は図５に示す実験結果を片対数グラフで表示してガウス分布に対して一致するか否かを判別するための説明図であり、横軸に測定エネルギー、縦軸にエネルギーが測定された回数を取ったグラフである。 図７は図５の実験結果に基づいて得られた膜厚の分布の説明図であり、横軸に厚さを取り、縦軸に単位厚さ当りの割合を取ったグラフである。

符号の説明

１…粒子加速器、
２…加速器本体、
３…入射部、
１１…周回軌道、
１１ｂ…入射軌道、
１６…荷電変換薄膜。

Claims (4)

1. カーボンナノチューブが不規則且つ緊密に絡み合ったカーボンナノチューブ薄膜により構成され、入射された荷電粒子から電子を剥離することを特徴とする荷電変換薄膜。
2. 改良直噴熱分解合成法により作製された前記カーボンナノチューブ薄膜により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の荷電変換薄膜。
3. 比重が１ｇ／ｃｃ以下、厚さが１０μｍ以下、厚さの一様性が１０％以内の前記カーボンナノチューブ薄膜により構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電変換薄膜。
4. 陽子ビームが周回する周回軌道が内部に形成された加速器本体と、
   荷電粒子としての負極性水素イオンビームを、前記加速器本体内に入射する入射部と、
   前記入射部から入射された前記負極性水素イオンビームの入射軌道上に配置され、前記負極性水素イオンビームから電子を剥離して陽子ビームに変換する請求項１ないし３のいずれかに記載の荷電変換薄膜と、
   を備えたことを特徴とする粒子加速器。

Images