JP4783938B2 - 量子ビームモニタ用電極及び量子ビームモニタ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、モニタターゲットの二次電子放出を利用した量子ビームモニタ、特にビームプロファイルモニタに好適に用いることができる量子ビームモニタ用電極、その製造方法、該電極を具備する量子ビームモニタ装置及びそれを用いた量子ビームプロファイルの計測方法に関する。
加速器には、通常の運転モニタやビームラインの性能向上（ビームの輸送効率の向上）に関わるモニタとして種々のビームモニタが付設されている（例えば、下記特許文献１参照）。これらのビームモニタのうち、輸送されるビームの断面形状や二次元的密度分布を計測し、加速器パラメータを調整したりするためのモニタとして二次電子放出型のビームプロファイルモニタが用いられている。
斯かるビームプロファイルモニタは、金属ワイヤー等の導電性ワイヤーや、ポリイミド、ポリプロピレン等の高分子化合物の薄膜からなるバッキングフィルムにアルミニウム等の金属膜を蒸着させて形成したものをモニタターゲットとして備えており、該モニタターゲットの二次電子の放出を利用している（例えば、下記非特許文献１参照）。
ところで、前者のように導電性ワイヤーをモニタターゲットとする場合には、耐熱性を確保するためにタングステン等の高融点材料を使用する必要があり、斯かる材料は密度が高いため、ビームロスが大きくなる課題を有していた。後者のようにバッキングフィルムに金属膜を蒸着させてモニタターゲットとする場合には、ビームの強度が高くなると、バッキングフィルムが溶融したり、蒸着金属膜が剥離するなどの課題を有していた。ベリリウムの薄膜を使用することも考えられるが、比較的融点が低く（１２８０℃）、高価であり、取り扱い性や製造上に難がある。また、膜の厚さが５μｍ以下の場合、長さ５０ｍｍ以上のサイズの膜を作製できない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、耐熱性、耐放射線性及び二次電子放出特性に優れている量子ビームモニタ用電極、該電極を具備し、大強度の量子ビームのプロファイルを、ビームロスを低く抑えて高い感度で計測することができる量子ビームモニタ装置、それを用いた量子ビームプロファイルの計測方法、及び前記量子ビームモニタ用電極を好適に製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、複数のリボン状のカーボングラファイト薄膜が所定間隔おきに一方向に沿って並設されたモニタターゲットを備えている量子ビームモニタ用電極を提供することにより、前記目的を達成したものである。
また、本発明は、前記本発明の量子ビーム用モニタ電極の製造方法であって、量子ビームの通過空間を有するフレーム基板に該通過空間を跨ぐようにカーボングラファイト薄膜を固定した後、前記カーボングラファイト薄膜にレーザービームを照射し、前記カーボングラファイト薄膜を複数のリボン状の形態に加工して前記ターゲットを形成する量子ビームモニタ用電極の製造方法を提供するものである。
さらに、本発明は、前記本発明の量子ビームモニタ用電極を具備する量子ビームモニタ装置を提供するものである。
また、本発明は、前記本発明の量子ビームモニタ装置を用いた量子ビームプロファイルの計測方法を提供するものである。
本発明の量子ビームモニタ用電極は、耐熱性及び耐放射線性に優れているほか、二次電子放出特性に優れている。また、本発明の量子ビームモニタ装置及びそれを用いたビームプロファイルの計測方法によれば、大強度の量子ビームのプロファイルを、ビームロスを低く抑えて高い感度で計測することができる。さらに、本発明の量子ビームモニタ用電極の製造方法によれば、前記効果が奏される量子ビームモニタ用電極を好適に製造することができる。
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の量子ビームモニタ装置を、荷電粒子のビームプロファイルモニタ装置（以下、単にビームモニタ装置ともいう。）に適用した一実施形態を模式的に示すものである。なお、図１において、符号１はビームモニタ装置、１０はビームモニタ装置がセットされる真空チャンバを示している。
図１は、本発明の量子ビームモニタ装置を、荷電粒子のビームプロファイルモニタ装置（以下、単にビームモニタ装置ともいう。）に適用した一実施形態を模式的に示すものである。なお、図１において、符号１はビームモニタ装置、１０はビームモニタ装置がセットされる真空チャンバを示している。
図１に示すように、本実施形態のビームモニタ装置１は、荷電粒子ビームモニタ用電極（量子ビームモニタ用電極：以下、単にモニタ用電極ともいう。）２と、モニタ用電極２の前後に配置された一対の二次電子捕捉用電極（以下、単に捕捉用電極ともいう。）３と、モニタ用電極２に接続される電荷積分器４と、捕捉用電極３に接続される直流電源装置５とを具備している。
図２に示すように、モニタ用電極２は、複数のリボン状のカーボングラファイト薄膜２１０が所定間隔おきに水平方向に沿って並設されたモニタターゲット２１を備えている。なお、カーボングラファイト薄膜２１０は、絶縁性のフレーム基板２２に設けられたプリント配線２３の接続用の端子に導通可能に固定されている。なお、図には便宜上モニタターゲット２１及びプリント配線を五本のカーボングラファイト薄膜に対応させて示しているが、ビーム径、薄膜の幅、間隔等により、リボン状のカーボングラファイト薄膜は１０〜１００本並設される。また、図には示していないが、フレーム基板２２には、グランド用にプリント配線が設けられている。
モニタ用電極２のフレーム基板２２には荷電粒子ビームの通過空間Ｓ２を形成する窓２２０が設けられており、モニタターゲット２１を構成するカーボングラファイト薄膜２１０は、通過空間Ｓ２を跨ぐようにプリント配線２３の端子間に固定されている。カーボングラファイト薄膜２１０と前記端子とは真空用の導電性接着剤で固定されている。真空用の導電性接着剤でカーボングラファイト薄膜２１０を固定したモニタ用電極２は、カーボングラファイト薄膜２１０の表面を、分子吸着等の影響を受けずに清浄に保つために、好ましくは１×１０-3Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０-5Ｐａ以下、特に好ましくは１×１０-7Ｐａ以下の真空環境下で使用することが望ましく、このことから、前記真空用の導電性接着剤は、斯かる真空環境を悪化させない接着剤を適宜の使用量で使用することが好ましい。
各カーボングラファイト薄膜２１０の幅Ｗは、測定感度、薄膜の加工性、分解能、及び湾曲することなくモニタターゲットとして端子間に固定できるための自己支持性（以下、単に自己支持性という。）の観点から０．２〜２．０ｍｍが好ましく、０．５〜１．５ｍｍがより好ましい。
隣接するカーボングラファイト薄膜２１０間の距離Ｄは、測定感度、隣接する薄膜間の信号の干渉を考慮すると０．２〜１．０ｍｍが好ましく、０．５〜１．０ｍｍがより好ましい。
各カーボングラファイト薄膜２１０の長さは、測定感度、薄膜の加工性、自己支持性、ビーム走行空間の有効径を考慮すると２０〜３００ｍｍが好ましく、５０〜１５０ｍｍがより好ましい。
各カーボングラファイト薄膜２１０の厚さは、０．５〜１００μｍの範囲で用いることができる。自己支持性が満足できればビームロスの観点からは薄い程好ましく０．５〜１０μｍが好ましく、０．５〜５μｍがより好ましく、０．５〜２．５μｍが特に好ましく用いられる。
カーボングラファイト薄膜２１０の融点は、耐熱性の観点から，できるだけ高いことが好ましく、３０００℃以上が特に好ましい。
カーボングラファイト薄膜２１０の熱伝導率は、照射中のビームモニタ装置の安定動作の観点から高い程好ましく、特に薄膜面内の熱伝導率がより高いことが好ましい。
また、カーボングラファイト薄膜２１０の熱膨張率は、ビームモニタ装置１の安定動作、及び測定位置の正確性の観点から小さいことが好ましく、特に薄膜面方向の熱膨張率が小さいことがより好ましい。
上記の観点から、カーボングラファイト薄膜は、グラファイト結晶を構成する炭素六角網面が薄膜の面と並行に配向していることが好ましい。
また、カーボングラファイト薄膜２１０の熱膨張率は、ビームモニタ装置１の安定動作、及び測定位置の正確性の観点から小さいことが好ましく、特に薄膜面方向の熱膨張率が小さいことがより好ましい。
上記の観点から、カーボングラファイト薄膜は、グラファイト結晶を構成する炭素六角網面が薄膜の面と並行に配向していることが好ましい。
カーボングラファイト薄膜２１０のグラファイト層間距離は、化学的安定性、電子伝導性及び熱伝導性の観点から０．３３２〜０．３４０ｎｍが好ましく、特に０．３３２〜０．３３６ｎｍが好ましく、０．３３２〜０．３３５ｎｍがより好ましい。グラファイト層間距離が大きいと電子伝導性が低下するので検出感度が悪くなる。また、照射される荷電粒子ビームとのエネルギー授受により蓄積された熱を逃がす効率が悪化する。さらに、化学的安定性、特に耐酸化性が悪化することにより、ビーム照射中に僅かに存在する気体、特に酸素分子による劣化の進行が早くなるため、好ましくない。また、グラファイト層間距離が０．３３２ｎｍより小さいものは製造が困難である。
カーボングラファイト薄膜２１０には、例えば、特開２００２−３０８６１１号公報の段落〔００１２〕〜〔００３２〕に記載された高配向グラファイト層状シート物を用いることができる。
フレーム基板２２は、絶縁性、耐放射線性及び真空中での低いガス放出の特性を有していれば特に材質に制限はない。フレーム基板２２の材質としては、セラミックスが好ましく、強度、熱伝導を考慮すると、アルミナ、窒化ケイ素が特に好ましい。
プリント配線２３の読み出し用の個々の端子は、フレーム基板２２のエプロン部分２２１に集約されている。そして、プリント配線２３の読み出し用の個々の端子は、カーボングラファイト薄膜２１０毎に電荷積分器４（図１参照）に接続されている。
モニタ用電極２は、以下の手順で製造することができる。
先ず、フレーム基板２２のプリント配線２３におけるカーボングラファイト薄膜の固定用の端子に接着剤を塗工し、毎葉のカーボングラファイト薄膜をフレーム基板２２の通過空間Ｓ２を跨ぐように固定する。このとき、適当な張力を加えた状態で接着剤を固化させる。
先ず、フレーム基板２２のプリント配線２３におけるカーボングラファイト薄膜の固定用の端子に接着剤を塗工し、毎葉のカーボングラファイト薄膜をフレーム基板２２の通過空間Ｓ２を跨ぐように固定する。このとき、適当な張力を加えた状態で接着剤を固化させる。
その後、前記カーボングラファイト薄膜にレーザービームを照射し、前記カーボングラファイト薄膜を複数のリボン状の形態に加工してモニタターゲット２１を形成する。レーザービームの焦点位置は、フレーム基板２２に加工の痕を残さないように薄膜表面に合わせる。照射するレーザーは、加工性を考慮すると紫外域の波長のレーザーが好ましく、一方で、カーボングラファイト薄膜へのダメージを考慮すると、ＹＡＧレーザー（波長１．１μｍ程度の赤外線領域）が好ましい。スポットサイズは、切断精度とリボン状のカーボングラファイト薄膜の位置精度を考慮すると、１０〜５０μｍが好ましい。このように、カーボングラファイト薄膜をフレーム基板に固定した後にレーザー加工を行い、リボン状に加工することで、従来行われていたリボンを等間隔かつ平行に精密に固定するという煩雑な工程を単純かすることができる上に、寸法精度も向上するので、工業的に非常に有益なプロセスである。
捕捉用電極３は、カーボングラファイト薄膜３１０からなる捕捉極３０が、絶縁性のフレーム基板３２に設けられたプリント配線３３の端子に導通可能に固定されている。カーボングラファイト薄膜３１０は、カーボングラファイト薄膜２１０と同じ材質のカーボングラファイト薄膜で構成されている。
捕捉用電極３のフレーム基板３２には荷電粒子ビームの通過空間Ｓ３を形成する窓３２０が設けられており、捕捉極３１を構成するカーボングラファイト薄膜３１０は、通過空間Ｓ３を跨ぐようにプリント配線３３の接続用の端子間に固定されている。
カーボングラファイト薄膜３１０の厚み、密度、グラファイト層間距離の好ましい範囲は、モニタ用電極のカーボングラファイト２１０と同様である。
モニタ用電極２と捕捉用電極３との間隔（カーボングラファイト薄膜どうしの間隔）は、真空の排気特性の観点からはできるだけ広い方が望ましく、また、電気的な二次電子捕獲の観点からは広すぎる必要もない。これらの観点からフレーム基板３１のサイズが１００×１００ｍｍ2程度の場合には、３〜１０ｍｍが好ましく、３〜１０ｍｍがより好ましい。フレーム基板３１のフレームサイズがこれより大きい場合にはさらに数ｍｍを広げた間隔とすることが好ましい。他方、フレーム基板３１のフレームサイズがこれより小さい倍には間隔は変わらない。
フレーム基板３２は、絶縁性、耐放射線性及び真空中での低いガス放出の特性を有していれば特に材質に制限はない。フレーム基板３２には、モニタ用電極２のフレーム基板２２と同じ材質のものを用いることができる。
プリント配線３３の引出用の個々の端子は、電圧印加用の直流電源装置５の陽極端子（図１参照）に接続されている。二次電子の放出量が高い場合には、陽極端子に、μＦ程度の容量のコンデンサを挿入してもよい。
次に、本発明の量子ビームプロファイルの計測方法の好ましい実施形態を、前記ビームモニタ装置を用いた計測方法に基づいて説明する。
前記構成のビームモニタ装置１を粒子加速器における計測対象となる量子ビームの軌道にセットし、モニタ用電極２のモニタターゲット２１よりも正電位となるように捕捉用電極３の捕捉極３１に直流電源装置５で電圧を印加する。
この状態で、荷電粒子をモニタターゲット２１に入射し、モニタ用電極２に接続されたそれぞれの電荷積分器４の正電荷信号を検出することによって、入射した荷電粒子ビームの垂直方向のビームプロファイルを計測することができる。本実施形態のビームモニタ装置１でプロファイルの計測が可能な荷電粒子のビームのエネルギーは、荷電粒子の種類にもよるが数１００ｋｅＶ以上、（電子などの軽い荷電では１ｋｅＶ程度でも膜を通過することができるため、原理的には計測可能である。）であり、ビームロスのパワーを考慮すると、ビーム強度にもよるが。できるだけ高いエネルギーが望ましく、核子あたり１ＭｅＶ以上が望ましい。本実施形態のビームモニタ装置１では、このような高エネルギー範囲で、且つ大強度の荷電粒子のビームであっても、ビームロスを低く抑えることができる。
以上説明したように、本実施形態のビームモニタ装置１は、耐熱性、耐放射線性及び二次電子放出特性に優れているモニタターゲット２１を備えたモニタ用電極２を具備しているので、大強度の量子ビームの垂直方向のプロファイルを、ビームロスを低く抑えて高い感度で計測することができる。また、捕捉用電極３にも、モニタ用電極２のモニタターゲットと同様の捕捉極を備えているので、モニタターゲットで発生した二次電子を効率よく捕捉することができ、モニタ用電極２の正電荷の計測においての高感度化が計られる
本発明は、前記実施形態に制限されない。
前記実施形態のビームモニタ装置では、水平方向に並設されたカーボングラファイト薄膜で構成したモニタターゲットを備えたモニタ用電極を用いたが、カーボングラファイト薄膜を並設する向きは、計測したいプロファイルに合わせて設定することができる。また、カーボングラファイト薄膜が異なる方向に並設されたモニタターゲットを備えたモニタ用電極を併用することによって、異なる方向のビームプロファイルを同時に計測することができる。
前記実施形態のビームモニタ装置では、水平方向に並設されたカーボングラファイト薄膜で構成したモニタターゲットを備えたモニタ用電極を用いたが、カーボングラファイト薄膜を並設する向きは、計測したいプロファイルに合わせて設定することができる。また、カーボングラファイト薄膜が異なる方向に並設されたモニタターゲットを備えたモニタ用電極を併用することによって、異なる方向のビームプロファイルを同時に計測することができる。
また、本発明のビームモニタ装置は、前記実施形態のように、捕捉用電極の捕捉極にカーボングラファイト薄膜を用いたが、従来から通常用いられている捕捉用電極を用いることもできる。
本発明は、前記実施形態のように、荷電粒子のビームモニタに好適であるが、これ以外の光等の膜と相互作用をもたらす電磁波等の各種の量子ビームのモニタ装置にも適用することができる。
また、本発明の量子ビームモニタ用電極は、前記実施形態のように、ビームプロファイルモニタに好適であるが、それ以外の量子ビームモニタ装置、例えば、ビーム強度モニタ（この場合には捕捉用電極での二次電子数を計測する）、ビームコース中心から外れたロスビームのモニタ等のビームモニタ用の電極としても用いることができる。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。なお、本発明は、本実施例に何ら制限されない。
下記実施例及び比較例のようにモニタ用電極及び捕捉用電極を作製するとともに、実施例のそれらを具備するビームプロファイルモニタ装置を作製した。そして、ビームロス、耐熱性、耐放射線性及び検出効率によってモニタ用電極の性能を評価した。それらの結果を表１に示す。
〔実施例１〕
＜カーボングラファイト薄膜の作製＞
ポリイミドフィルム（宇部興産（株）製、品名ＵＰＩＬＥＸ７．５ＳＮ、フィルム厚み７．５μｍ）を、窒素ガス気流中で、通気性の炭素シートで両面を挟んで、１０℃／分の速度で２０℃から１４００℃まで昇温し、１４００℃で１２０分保持した。得られた炭素化フィルムを一軸加圧が可能な黒鉛化ホットプレス中に通気性の炭素シートで一枚一枚挟んで積層してセットした。その後アルゴンガス雰囲気中で１０〜２０℃／分の速度で昇温し、３０００℃で３ＭＰａの加圧処理条件で９０分間保持し、その後は徐々に減圧しながら炉冷した。得られたカーボングラファイト薄膜の外観は平滑で灰色がかった光沢を呈していた。該カーボングラファイト薄膜は、脆性的ではなく、柔軟性を有していた。また、該カーボングラファイト薄膜の厚みは、２．２μｍであり、Ｘ線広角散乱を透過、反射モードで測定したところ、グラファイト結晶が薄膜面方向に配向成長していることが確認された。また、グラファイト層間距離は０．３３４９ｎｍであり、結晶化度は９０％以上であった。さらに、Ｘ線広角散乱の解析により、結晶子サイズは結晶のａ、ｃ軸方向ともに１０ｎｍ以上であった。
＜カーボングラファイト薄膜の作製＞
ポリイミドフィルム（宇部興産（株）製、品名ＵＰＩＬＥＸ７．５ＳＮ、フィルム厚み７．５μｍ）を、窒素ガス気流中で、通気性の炭素シートで両面を挟んで、１０℃／分の速度で２０℃から１４００℃まで昇温し、１４００℃で１２０分保持した。得られた炭素化フィルムを一軸加圧が可能な黒鉛化ホットプレス中に通気性の炭素シートで一枚一枚挟んで積層してセットした。その後アルゴンガス雰囲気中で１０〜２０℃／分の速度で昇温し、３０００℃で３ＭＰａの加圧処理条件で９０分間保持し、その後は徐々に減圧しながら炉冷した。得られたカーボングラファイト薄膜の外観は平滑で灰色がかった光沢を呈していた。該カーボングラファイト薄膜は、脆性的ではなく、柔軟性を有していた。また、該カーボングラファイト薄膜の厚みは、２．２μｍであり、Ｘ線広角散乱を透過、反射モードで測定したところ、グラファイト結晶が薄膜面方向に配向成長していることが確認された。また、グラファイト層間距離は０．３３４９ｎｍであり、結晶化度は９０％以上であった。さらに、Ｘ線広角散乱の解析により、結晶子サイズは結晶のａ、ｃ軸方向ともに１０ｎｍ以上であった。
＜モニタ用電極＞
上述のようにして作製したカーボングラファイト薄膜を、銀−パラジウム合金のプリント配線を施したフレーム基板（厚み１．６ｍｍ、横１９９．５×縦１２５ｍｍ2（窓横１５０×縦８０ｍｍ2））に真空用の導電性接着剤で固定し、レーザー加工によって、３０本（３０ｃｈ）のリボン状の形態（長さ９２ｍｍ、幅１．５ｍｍ、隣接する膜間の距離１ｍｍ間隔で一方向に揃った形態）に加工してモニタ用電極を得た。なお、レーザー加工は、紫外線レーザー（スポットサイズ約１０μｍ）を使用し、寸法精度及び位置精度ともに、±１０μｍで行った。真空用の導電性接着剤は、１×１０-7以下の真空環境下で、真空環境を悪化させない接着剤及び使用量で行った。
上述のようにして作製したカーボングラファイト薄膜を、銀−パラジウム合金のプリント配線を施したフレーム基板（厚み１．６ｍｍ、横１９９．５×縦１２５ｍｍ2（窓横１５０×縦８０ｍｍ2））に真空用の導電性接着剤で固定し、レーザー加工によって、３０本（３０ｃｈ）のリボン状の形態（長さ９２ｍｍ、幅１．５ｍｍ、隣接する膜間の距離１ｍｍ間隔で一方向に揃った形態）に加工してモニタ用電極を得た。なお、レーザー加工は、紫外線レーザー（スポットサイズ約１０μｍ）を使用し、寸法精度及び位置精度ともに、±１０μｍで行った。真空用の導電性接着剤は、１×１０-7以下の真空環境下で、真空環境を悪化させない接着剤及び使用量で行った。
＜捕捉用電極＞
モニタ用電極に用いたのと同じ材質のカーボングラファイト薄膜（厚さ２．２μｍ、横４０ｍ、縦９２ｍｍ、グラファイト層間距離０．３３４９ｎｍ）を、フレーム基板（厚み１．６ｍｍ、横１９９．５×縦１２５ｍｍ2（窓横１５０×縦８０ｍｍ2））に二枚隙間無く前記真空用の導電性接着剤で固定した。
モニタ用電極に用いたのと同じ材質のカーボングラファイト薄膜（厚さ２．２μｍ、横４０ｍ、縦９２ｍｍ、グラファイト層間距離０．３３４９ｎｍ）を、フレーム基板（厚み１．６ｍｍ、横１９９．５×縦１２５ｍｍ2（窓横１５０×縦８０ｍｍ2））に二枚隙間無く前記真空用の導電性接着剤で固定した。
得られたモニタ用電極の両側にステンレス製の１．５ｍｍのスペーサーを介在させ、モニタ用電極と捕捉用電極のそれぞれのカーボングラファイト薄膜面の距離を３．１ｍｍとした。
〔比較例１〕
モニタターゲットに厚さ３０μｍのタングステンワイヤを備えたモニタ用電極を用いた。
モニタターゲットに厚さ３０μｍのタングステンワイヤを備えたモニタ用電極を用いた。
〔比較例２〕
モニタターゲットに厚さ５μｍのアルミフォイルを備えたモニタ用電極を用いた。
モニタターゲットに厚さ５μｍのアルミフォイルを備えたモニタ用電極を用いた。
〔比較例３〕
モニタターゲットに厚さ５μｍのチタンフォイルを備えたモニタ用電極を用いた。
モニタターゲットに厚さ５μｍのチタンフォイルを備えたモニタ用電極を用いた。
〔ビームロスの評価〕
ビームロスを直接定量的に測定することは困難であるため、以下に示す方法で試算評価を行った。
モニタターゲットに使用する材質の原子番号Ｚ、質量数Ａ、密度ρ［ｇ／ｃｍ3］及び厚みｔ［ｃｍ］で求まるエネルギーロスに比例する量であるΔＥに基づいて評価した。フォイルとワイヤーの横への広がりの差異は、フォイルの場合は０．１[ｃｍ]を持ち、ワイヤーの場合はワイヤー径ｔ[ｃｍ]と同じ幅をもつものとして，その幅Ｗ[ｃｍ]を掛けたものをΔＥとしてとして扱うことで評価した。下記四段階で評価した結果を表１に示す。
ΔＥ[ｇ/ｃｍ] ＝ ρ[ｇ／ｃｍ3]×Ｚ／Ａ×Ｗ[ｃｍ]
◎：1×10-5 未満
○：1×10-5以上 1×10-4未満
△：1×10-4以上 1×10-3未満
×：1×10-3以上
ビームロスを直接定量的に測定することは困難であるため、以下に示す方法で試算評価を行った。
モニタターゲットに使用する材質の原子番号Ｚ、質量数Ａ、密度ρ［ｇ／ｃｍ3］及び厚みｔ［ｃｍ］で求まるエネルギーロスに比例する量であるΔＥに基づいて評価した。フォイルとワイヤーの横への広がりの差異は、フォイルの場合は０．１[ｃｍ]を持ち、ワイヤーの場合はワイヤー径ｔ[ｃｍ]と同じ幅をもつものとして，その幅Ｗ[ｃｍ]を掛けたものをΔＥとしてとして扱うことで評価した。下記四段階で評価した結果を表１に示す。
ΔＥ[ｇ/ｃｍ] ＝ ρ[ｇ／ｃｍ3]×Ｚ／Ａ×Ｗ[ｃｍ]
◎：1×10-5 未満
○：1×10-5以上 1×10-4未満
△：1×10-4以上 1×10-3未満
×：1×10-3以上
〔耐熱性の評価〕
モニタターゲットに使用する材質の耐熱性を下記四段階の融点の値で評価した。評価結果を表１に示す。
◎：3000℃以上
○：2000℃以上〜3000℃未満
△：1000℃以上〜2000℃未満
×：1000℃以下
モニタターゲットに使用する材質の耐熱性を下記四段階の融点の値で評価した。評価結果を表１に示す。
◎：3000℃以上
○：2000℃以上〜3000℃未満
△：1000℃以上〜2000℃未満
×：1000℃以下
〔検出効率の評価〕
モニタ用電極の検出効率は、二次電子放出総量と考え、
二次電子放出総量 ＝ Ｐ×〔材料の二次電子放出率〕×〔ワイヤー又はフォイルの断面積〕
を試算して評価した。ただし、Ｐは比例定数である。各材質についての二次電子放出総量には，数倍程度の開きがあるものの，フォイルとワイヤーの断面積の差が検出量に対して支配的であることが明らかであったので、◎、×の2段階で評価した。結果を表１に示す。
モニタ用電極の検出効率は、二次電子放出総量と考え、
二次電子放出総量 ＝ Ｐ×〔材料の二次電子放出率〕×〔ワイヤー又はフォイルの断面積〕
を試算して評価した。ただし、Ｐは比例定数である。各材質についての二次電子放出総量には，数倍程度の開きがあるものの，フォイルとワイヤーの断面積の差が検出量に対して支配的であることが明らかであったので、◎、×の2段階で評価した。結果を表１に示す。
表１に示したように、実施例のモニタ用電極は、低ビームロスであり、耐熱性、耐放射線性、検出効率に優れていることがわかった。
〔実施例２〕
実施例１のビームモニタ装置のモニタ用電極で検出された正電荷を電荷積分器で４００倍にアンプ増幅して時定数３３μｍで積分を行い、これをパルチプレクスしてオシロスコープに表示させることで、ビームプロファイルのモニタを試みた。オシロスコープ表示の一例を図３に示す。このように実施例１のビームモニタ装置によれば、高感度で陽子ビームのプロファイリングを計測できることがわかった。図３のプロファイルから、水平方向のビームサイズは、約２５ｍｍであることがわかった。また、実施例１のビームモニタ装置では、５００ＭｅＶの陽子ビームで、１０ヶ月間に１０20個以上の陽子を照射しても、プロファイルの波形に異常は観察されず、モニタとして長期間に亘って機能することがわかった。
実施例１のビームモニタ装置のモニタ用電極で検出された正電荷を電荷積分器で４００倍にアンプ増幅して時定数３３μｍで積分を行い、これをパルチプレクスしてオシロスコープに表示させることで、ビームプロファイルのモニタを試みた。オシロスコープ表示の一例を図３に示す。このように実施例１のビームモニタ装置によれば、高感度で陽子ビームのプロファイリングを計測できることがわかった。図３のプロファイルから、水平方向のビームサイズは、約２５ｍｍであることがわかった。また、実施例１のビームモニタ装置では、５００ＭｅＶの陽子ビームで、１０ヶ月間に１０20個以上の陽子を照射しても、プロファイルの波形に異常は観察されず、モニタとして長期間に亘って機能することがわかった。
〔比較例４〕
比較例２のモニタ用電極を用い、実施例２と同様の条件で陽子ビームの照射を行った。その結果、１０17個オーダーの陽子照射を行った時点で、モニタ用電極が破損して計測が不可能となった。
比較例２のモニタ用電極を用い、実施例２と同様の条件で陽子ビームの照射を行った。その結果、１０17個オーダーの陽子照射を行った時点で、モニタ用電極が破損して計測が不可能となった。
本発明は、医療用、産業用等に利用される、粒子加速器、カーボングラファイト薄膜と相互作用を起こす電磁波などの発生装置に付設される各種の量子ビームモニタ装置及び量子ビームモニタ用電極に利用することができる。
１ 量子ビームモニタ装置
２ 量子ビームモニタ用電極
２１ モニタターゲット
２１０ カーボングラファイト薄膜
２２ フレーム基板
２３ プリント配線
３ 二次電子捕捉用電極
３１ 捕捉極
３１０ カーボングラファイト薄膜
３２ フレーム基板
３３ プリント配線
４ 電荷積分器
５ 直流電源装置
２ 量子ビームモニタ用電極
２１ モニタターゲット
２１０ カーボングラファイト薄膜
２２ フレーム基板
２３ プリント配線
３ 二次電子捕捉用電極
３１ 捕捉極
３１０ カーボングラファイト薄膜
３２ フレーム基板
３３ プリント配線
４ 電荷積分器
５ 直流電源装置
Claims (6)
- 複数のリボン状のカーボングラファイト薄膜が所定間隔おきに一方向に沿って並設されたモニタターゲットを備えている量子ビームモニタ用電極。
- 前記カーボングラファイト薄膜は、厚さが０．５〜１００μｍ、幅が０．０５〜５０ｍｍであり、隣接する前記カーボングラファイト薄膜間の距離が０．０１〜１００ｍｍである請求項１に記載の量子ビームモニタ用電極。
- 前記カーボングラファイト薄膜は、長さが５〜３００ｍｍである請求項１又は２に記載の量子ビームモニタ用電極。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載の量子ビームモニタ用電極の製造方法であって、
量子ビームの通過空間を有するフレーム基板に該通過空間を跨ぐようにカーボングラファイト薄膜を固定した後、前記カーボングラファイト薄膜にレーザービームを照射し、前記カーボングラファイト薄膜を所定間隔おきに一方向に沿って並設された複数のリボン状の形態に加工して前記モニタターゲットを形成する量子ビームモニタ用電極の製造方法。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載の量子ビームモニタ用電極を具備する量子ビームモニタ装置。
- 請求項５に記載の量子ビームモニタ装置を用いた量子ビームプロファイルの計測方法。
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|---|---|---|---|
| JP2005291800A JP4783938B2 (ja) | 2005-10-04 | 2005-10-04 | 量子ビームモニタ用電極及び量子ビームモニタ装置 |
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| CN108780670B (zh) | 2016-04-28 | 2022-04-05 | 株式会社钟化 | 束流强度转换膜以及束流强度转换膜的制造方法 |
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- 2005-10-04 JP JP2005291800A patent/JP4783938B2/ja active Active
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