JP2016535240A - 中性子コンバータの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は中性子透過性金属基材上の炭化ホウ素又はホウ素フィルムから中性子コンバータを製造する方法に関する。中性子透過性金属基材は、第１の工程で微細研削により研磨され、さらなる工程でスパッタリングを用いて炭化ホウ素で又はホウ素フィルムでコーティングされる。接着促進層は必要に応じて金属基材とホウ素層又は炭化ホウ素層の間に適用される。得られたコーティングは、層の厚み、化学組成、及び同位体比において高い均質性を有しており、加えて酸素又はチッソなどの不純物の量は少ない。

Description

本発明は中性子コンバータの製造方法に関する。

中性子は、基本研究、並びに生物学的物質及び凝縮物質の特性評価に、最近では使用されている。この多目的プローブは、その内部特性により、回折、反射率測定、小角散乱、分光法及び断層撮影を用いて、単結晶、磁性層、高分子膜、特に生体細胞の時間分解及び空間分解に係る研究を可能にする。中性子の運動エネルギーが減速材及びセレクタによって熱エネルギーとなり減少すると、中性子のド・ブロイ波長は固体中の原子間隔に十分な精度で対応する。このようにして、散乱過程を通じて固体の構造を非常に正確に調べることができる。低エネルギー領域において、中性子は固体の内部エネルギー状態に関する結論を引き出すことを可能にする。中性子の空間分解検出はこの用途に必要である。

一般に使用される検出システムは気体の^３Ｈｅを高圧下で用いて中性子を検出する。これらは低計数率を許容した高い検出効率（〜９５％）を有する。^３Ｈｅ計数管及びいわゆる多線比例計数箱（ＭＷＰＣ）^３Ｈｅガス検出器は、せいぜいミリメートルの範囲の空間分解能を有し、多くの資源を適用しさえすれば均質かつ大面積の中性子検出器の製造に使用される。しかし、この技術は最先端技術を示しており、代替を探索する大きな原動力はこれまでなかった。

^３Ｈｅは入手しにくく、中性子検出器の必要性も増しているため、近年は代替となる検出材料の研究及び開発がますます盛んになっている。^３Ｈｅガス検出器の代替として^１０Ｂ固体検出器が知られている。同位体^１０Ｂは比較的大きな中性子吸収断面積を有し、それに関連して、１０^−２〜１０^４ｅＶの広いエネルギー範囲にわたり、^３Ｈｅ同位体と比較して７０％の吸収効率を有する。これは０．２８６ｎｍから０．２８６ｐｍの周波数帯に対応する。

^１０Ｂ固体検出器の使用はさらに、従来の^３Ｈｅガス検出器と比べて中性子検出の空間分解能の改善を約束する。^１０Ｂ固体検出器は基部（基材）又は^１０Ｂ含有フィルムからなるものとすることができる。

実現のため、以下の要件をコンバータ（すなわち層−基材システム）に課すことができるであろう。
− アルミニウム又はアルミニウム合金のような中性子透過材料の薄いシート（基材）にフィルムが可能な限り良好に接着する
− 熱中性子及び冷中性子に対して基材が高い透過性を有する
− 放射線負荷に関して、並びに機械的応力及び熱的応力の下で、システムが良好な安定性を有する

コーティングはさらに、層の厚み、化学組成、及び同位体比において高い均質性を有していなければならず、そこに含まれる不純物は可能な限り少ないものでなければならない。表面に対して小角度で照射したときに高い量子効率を有する中性子検出用コンバータ層は本発明のさらなる目的である。一般に、固体検出器の^１０Ｂ含有コーティングは有利なコストで製造できるものでなければならない。

米国特許第６７７１７３０号は、同位体^１０Ｂを含む炭化ホウ素層を備える半導体中性子コンバータを開示している。炭化ホウ素はシリコン半導体層の上にプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）により形成された。

国際公開第２０１３／００２６９７号は、炭化ホウ素層を含む中性子コンバータ部品を製造する方法を記載している。この方法では、炭化ホウ素は同様にＰＥＣＶＤを用いて中性子透過性基材の上に適用されている。

しかし、既知のコーティングは、特に大きなシートがコーティングされる場合、上記の品質的及び経済的要件の全ての点を満たしていない。

例えば、Ｃ． Ｈｏｅｇｌｕｎｄ ｅｔ ａｌ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １１１， １０４９０８ （２０１２）では、温度処理及び高速コーティングにより接着の改善が実現されている。接着の改善のためには、より大きな層厚ばらつき及びより高い製造コストを考慮しなければならない。

本発明の目的は、コンバータ（フィルム＋基材）に対する上記要件、特に、数マイクロメートルの範囲にわたって連続した均質な^１０Ｂ含有材料のコーティングであること、及び非常に良好な接着性を有し、長期間の照射中に優れた熱的安定性及び機械的安定性を有すること、を満たす中性子コンバータの製造方法を提供することである。

さらに、本発明の目的は、これらの改善された特性を有する中性子コンバータを提供することである。これは、基部（基材）と、プロトタイプ検出器中での試験に成功した^１０Ｂ含有フィルムとからなる^１０Ｂ固体中性子コンバータによって実現される。

これらの目的は、請求項１に係る方法及び請求項１２に係る中性子コンバータによって達成される。

本発明によれば、第１工程で金属基材を研磨し、さらなる工程でスパッタリングを用いて炭化ホウ素で、又はホウ素フィルムでコーティングする。

微細研削は好ましくは研削紙を用いて行われるが、研磨ペースト（金属粉塵、研削液及び研削紙粒子のエマルション）を用いて行うこともできる。研削中、上部材料層は、接着された研削紙粒子（ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド又はＣＢＮ）を用いて除去される。使用される研削紙又は研削ペーストの粒度又はグレードは、好ましくは８００〜２５００の範囲にある。ここで、用語「研磨」は細かい粒度又はグレードの場合に使用される。金属組織研磨工程は、研削と同様に研磨媒体の切削除去効果に基づくが、非常に細かい粒子を使用するため摩耗は研削の場合よりもいくらか少ない。

金属基材は、好ましくは、最初に段々と粒度が細かくなる研削紙及び／又は研削ペーストを用いて連続する工程で微細研削され、次に研磨される。

ＳｉＣ又はＡｌ_２Ｏ_３の紙又はペーストが好ましくは微細研削に使用される。

研削紙を用いる場合、微細研削は好ましくは湿式研削として研削液も用いて行われる。研削液は好ましくはアセトン、メタノール、エタノール、プロパノール又はブタノールなどのアルコール、及び水からなる群より選択される。エタノール又は水が好ましくは研削液として使用される。研磨ペーストを用いる場合であっても、研削液は好ましくはアセトン、メタノール、エタノール、プロパノール又はブタノールなどのアルコール、及び水からなる群より選択される。

金属基材は中性子透過性であり、好ましくはアルミニウム、及びチタンアルミニウム合金などのアルミニウム合金からなる群より選択される。

微細研削の後、金属基材を好ましくはリンスする。その後、研磨及び場合によりリンスされた金属基材を、チタン層などの接着促進層でコーティングしてもよい。接着促進層は、好ましくはスパッタリングにより製造される。しかし、前処理によりコンバータ層と金属基材の間の接着が達成され、このことにより大半の場合で接着促進層は不要となる。

最後に、金属基材を、スパッタリングを用いて炭化ホウ素で、又はホウ素フィルムでコーティングする。^１０Ｂが濃縮されたＢ_４Ｃが好ましくは炭化ホウ素として使用される。コーティングはチタンなどの接着促進剤を用いて又は用いずに行うことができる。コーティングの層厚は、好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍ、より好ましくは２５０ｎｍ〜５μｍ、最も好ましくは５００ｎｍ〜３μｍの範囲にある。

接着促進層及びコンバータ層のスパッタリングはいずれも、好ましくは固体マグネトロンスパッタ源を用いて行われ、大面積の均質なコーティングを製造するため基材はカソードに対して移動される。粒子の流れは、基材及びスパッタターゲットの汚染を最小限とするために、好ましくは水平となるよう向けられる。コーティング速度は、好ましくは０．１〜１．０ｎｍ／秒の範囲にある。コーティングは、好ましくは１マイクロバールと低くしてもよいアルゴン圧下で行われる。コーティング及び方法、特にマグネトロンスパッタリングに関するさらなる詳細は、Ｍｉｌｔｏｎ Ｏｈｒｉｎｇ， Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｌｏｎｄｏｎ １９９２（本明細書でその全体を参照する。）に見出すことができる。

本発明の方法を適用することにより、例えば１〜１００ｍ^２の範囲の、数平方メートルまでの均一なコーティング領域を備えた中性子コンバータを製造することができる。金属基材上に試行で製造したコーティング領域が０．５〜１．０ｍ^２の層は、特別に開発した試験検出器を用いて特性評価した。高い量子効率が検出された。

得られたコーティングは、層の厚み、化学組成、及び同位体比において高い均質性を有しており、加えて酸素又はチッソなどの不純物の量も少ない。驚くべきことに、本発明によって製造されたコーティングは、大面積の又は最大５μｍの厚いコーティングであっても、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄いシートに対して良好に接着する。

得られたコーティングは、層の厚み、化学組成、及び同位体比において高い均質性を有しており、加えて酸素又はチッソなどの不純物の量も少ない。驚くべきことに、本発明によって製造されたコーティングは、大面積の又は最大５μｍの厚いコーティングであっても、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄いシートに対して良好に接着する。本発明の実施態様の一部を以下の項目［１］−［１２］に記載する。
［１］
スパッタリングを用いて炭化ホウ素で金属シートをコーティングする方法であって、前記金属シートが第１の工程で微細研削により研磨され、第２の工程でスパッタリングによりコーティングされる、方法。
［２］
前記微細研削が研削紙を用いて行われる、項目１に記載の方法。
［３］
粒度が１０００〜２５００の範囲の研削紙を用いる、項目２に記載の方法。
［４］
前記微細研削がさらに研削液を用いて行われる、項目２又は３のいずれかに記載の方法。
［５］
前記研削液がアセトン、アルコール及び水からなる群より選択される、項目４に記載の方法。
［６］
エタノールがアルコールとして使用される、項目５に記載の方法。
［７］
前記金属シートがアルミニウム又はアルミニウム合金からなる、項目１〜６のいずれか一項に記載の方法。
［８］
前記金属シートがアルミニウム又はチタンアルミニウム合金からなる、項目１〜７のいずれか一項に記載の方法。
［９］
^１０ Ｂが濃縮されたＢ _４ Ｃがコーティング用の炭化ホウ素として使用される、項目１〜８のいずれか一項に記載の方法。
［１０］
前記炭化ホウ素が９５％の ^１０ Ｂを含む、項目８に記載の方法。
［１１］
項目１〜９のいずれか一項に記載の方法により製造された、炭化ホウ素でコーティグされたシート。
［１２］
炭化ホウ素でコーティングされた、項目１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された金属シートの中性子コンバータとしての使用。

Claims (12)

1. スパッタリングを用いて炭化ホウ素で金属シートをコーティングする方法であって、前記金属シートが第１の工程で微細研削により研磨され、第２の工程でスパッタリングによりコーティングされる、方法。
2. 前記微細研削が研削紙を用いて行われる、請求項１に記載の方法。
3. 粒度が１０００〜２５００の範囲の研削紙を用いる、請求項２に記載の方法。
4. 前記微細研削がさらに研削液を用いて行われる、請求項２又は３のいずれかに記載の方法。
5. 前記研削液がアセトン、アルコール及び水からなる群より選択される、請求項４に記載の方法。
6. エタノールがアルコールとして使用される、請求項５に記載の方法。
7. 前記金属シートがアルミニウム又はアルミニウム合金からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記金属シートがアルミニウム又はチタンアルミニウム合金からなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. ^１０Ｂが濃縮されたＢ_４Ｃがコーティング用の炭化ホウ素として使用される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記炭化ホウ素が９５％の^１０Ｂを含む、請求項８に記載の方法。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法により製造された、炭化ホウ素でコーティグされたシート。
12. 炭化ホウ素でコーティングされた、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法により製造された金属シートの中性子コンバータとしての使用。