JP7401899B2 - 中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法に関する。

原子核を構成する粒子の一つである中性子には、様々な利用方法が検討及び実施化されてきている。中性子活用の一つに、ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）がある。ＢＮＣＴとは、ホウ素を含むホウ素製剤を癌患者に投与し、ホウ素を当該癌患者の癌細胞に選択的に蓄積させ、この癌細胞に対して中性子を照射することで当該癌細胞におけるＤＮＡを損傷させ、結果癌細胞を死滅させようとする治療法である。

そして、この中性子を発生させるためには、いわゆる中性子発生用ターゲットが用いられる。具体的には、加速器によって荷電粒子線を加速して中性子発生用ターゲット中の原子に衝突させることによって中性子を発生させることができる。なおこの中性子を発生させることのできる原子にはベリリウムやリチウムが用いられている場合が多い。

リチウムを用いた中性子発生用リチウムターゲットに関する技術としては、例えば下記特許文献１に記載がある。

特開２０１４－４４０９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、リチウム層の直上に窒化クロム層が形成されており、リチウム層と窒化クロム層の間の接着が弱くなってしまうといった課題がある。具体的には、窒化クロムはいわゆるセラミックスであり、金属のリチウムとは熱膨張係数が大きく異なる。これは、中性子を発生させる際の発熱による膨張や、これを冷却する際に発生する収縮によってこれらの間で剥離が生ずるおそれが強くなることを意味する。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、層間の剥離のおそれを抑え、より信頼性の高い中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点に係る中性子発生用リチウムターゲットは、基板と、基板上に形成されるリチウム層、リチウム層の上に形成される金属クロム層と、金属クロム層上に形成される傾斜窒化クロム層と、を有するものである。

また、本発明の他の一観点に係る中性子発生用リチウムターゲットの製造方法は、基板上にリチウム層を形成する工程、リチウム層上に金属クロム層を形成する工程、金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を形成する工程、を備える。

以上、本発明によって、層間の剥離のおそれを抑え、より信頼性の高い中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法を提供することができる。

実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲットの層構造の概略図である。 実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲットの層構造におけるクロムの濃度変化を示す図である。 実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲットの層構造の他の一例の概略図である。 実施例１で作成したターゲットの写真図である。 比較例１で作成したターゲットの写真図である。 実施例２で作成したターゲットの写真図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、また以下に示す実施形態、実施例において記載される具体的な例示についても適宜変更及び調整が可能であり、これらに限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲット（以下、「本ターゲット」という。）１の概略図である。本図で示すように、本ターゲット１は、基板２と、基板２上に形成されるリチウム層３、リチウム層３の上に形成される金属クロム層４と、金属クロム層４上に形成される傾斜窒化クロム層５と、を有するものである。なお、図２は、そのうちの金属クロム層４及び傾斜窒化クロム層５におけるクロムの濃度変化を示す図である。

本ターゲット１は、上述の通り、加速器等によって加速した荷電粒子がリチウム層３に照射されることにより、中性子を放出させることができるものである。

本ターゲット１において、基板２は、限定されるわけではないが、上記のリチウム層３等の各層を支持することができるとともに、上記リチウム層３等が発熱した場合でも熱を外部に放出させるための部材である。基板２としては、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、銅、金、銀、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属を例示することができるが、中性子によって放射性物質となりにくい銅であることが好ましく、特に酸素が除去された無酸素銅等高純度銅であることが好ましい。高純度銅の場合９９．９モル％以上のものであることが好ましい。

また、本ターゲット１において、基板２の厚さとしては、中性子を発生させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の厚さであることが好ましく、より好ましくは３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲である。２ｍｍ以上とすることで強度を確保することができ３ｍｍ以上とすることでこの効果が顕著となる。一方２０ｍｍ以下とすることで荷電粒子の照射による中性子の放出を効率的に行うことが可能となり１５ｍｍ以下とすることでこの効果がより顕著となる。

また、本ターゲット１では、上記の通り、基板２上にリチウム層３が形成される。リチウム層３は、上記の記載から明らかであるが、荷電粒子の照射を受けることで中性子を発生させるために用いられるものであって、ターゲット層とも呼ばれる。

リチウム層３の厚さとしては、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、５０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。５０μｍ以上とすることで所望量の中性子の放出が可能となり１００μｍ以上とすることでこの効果がより顕著となる。一方、１ｍｍ以下とすることでプロトンのブラッグピークを基板中及びその表面に存在させることが可能となり５００μｍ以下とすることでこの効果がより顕著となる。

なお、リチウム層３の形状（基板を垂直方向から見た場合の形状）は、限定されるわけではないが円形状であることが好ましい。円形状とすることで膨張等が生じた場合でもその応力が均等に分散されるため、より信頼性を高くすることができる。

また、本ターゲット１において金属クロム層４は、上記の通り、リチウム層３上に形成される。金属クロム層４を設けることにより、リチウム層３との接着を強くし、層間の剥離のおそれを抑えることが可能となる。なお金属クロム層４は、金属で純粋な金属クロムであることが好ましいが、チタンを含ませてもよい。チタンを含ませることで酸素及び水素などを補足することができるため好ましい。

また、本ターゲット１において金属クロム層４としては、上記機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、０．０１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０５μｍ以上２μｍ以下の範囲である。０．０１μｍ以上とすることで上記リチウム層３と金属クロム層４の接着を高くすることが可能となり、０．０５μｍ以上とすることでこの効果が顕著となる。一方、３μｍ以下とすることで不必要に金属クロム層を形成する必要がなく、全体のコストを下げることができ、２μｍ以下とすることでこの効果がより顕著となる。

また、本ターゲット１において、傾斜窒化クロム層５は、上記の通り、金属クロム層４上に形成されるものである。本ターゲット１では、リチウム層４の直上ではなく金属クロム層４を介することで格子欠陥を緩和してこの間の層間剥離を抑えることが可能となるとともに、窒化クロムによる被膜としての保護効果を得ることができる。なおここで「傾斜窒化クロム層」とは、クロムと窒素を含む層であって、その濃度が厚さ方向に沿って徐々に変化している層をいう。この変化としては、その濃度が連続的に減少しているものであってもよく、また、段階的に減少しているものであってもよい。図２の例では連続的に減少している場合の例を示す。

より具体的に傾斜窒化クロム層５は、金属クロム層に近い側においてはその窒素の割合が低く、金属クロム層から離れるに従いその窒素の割合が高くなる層である。このようにすることで、金属クロム層に近い側において金属クロムに近い金属的な結晶状態を形成することができ、層間の剥離を抑えることができる一方、金属クロム層から離れる側においてはセラミック的な結晶構造とすることが可能となる。

なお、本ターゲット１において、傾斜窒化クロム層５のクロムの濃度割合としては、限定されるわけではないが、金属クロム層に近い側においては、１００原子％以下、好ましくは１００原子％未満であることが必須であって、好ましくは９０原子％以下である。また、金属クロム層から遠い側においては近い側よりもクロムが減少している一方、クロムが０原子％より多く含まれていることが必須であるが、５原子％以上であることが好ましく、より好ましくは１０原子％以上であり、更に好ましくは２０原子％である。この範囲とすることで上記金属クロム層との接合及び窒化クロム層による効果を得ることができるようになる。

また、本ターゲット１において、傾斜窒化クロム層５の厚さとしては、限定されるわけではないが、上記金属クロム層４と合わせて０．５μｍ以上１０μｍ以下の範囲となっていることが好ましく、より好ましくは０．８μｍ以上７μｍ以下の範囲である。０．５μｍ以上とすることで現実的な窒化率の傾斜を実現できるといった効果があり、０．８μｍ以上とすることでこの効果が顕著となる。一方、１０μｍ以下とすることで、剥離を生じにくくするとともに、荷電粒子のビームの減衰を防止することができるといった利点がある。

（製造方法）
次に、本ターゲットの製造方法（以下「本製造方法」という。）について説明する。本方法は、（Ｓ１）基板上にリチウム層を形成する工程、（Ｓ２）リチウム層上に金属クロム層を形成する工程、（Ｓ３）金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を形成する工程、を備える。

まず、本製造方法では、（Ｓ１）基板上にリチウム層を形成する工程を有する。リチウム層を形成する方法としては、所望の厚さを形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば溶融圧延、圧延、貼り付け、蒸着等を例示することができる。

次に、本製造方法では、（Ｓ２）リチウム層上に金属クロム層を形成する工程を有する。金属クロム層を形成する方法としては、所望の厚さを形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばスパッタリング、ＣＶＤ等の蒸着等を例示することができる。

また、本製造方法では、（Ｓ３）金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を形成する工程、を備える。傾斜窒化クロム層を形成する方法としては、所望の厚さを形成することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばスパッタリング、ＣＶＤ等の蒸着等を例示することができる。

また、この工程において、窒化クロム層の窒素の量は上記の通り、金属クロム層に近い側から徐々に高くして形成することが好ましい。この窒素量の変化は限定されるわけではないが、連続的であってもよく、段階的（階段的）に増加していくこととしてもよい。

以上、本実施形態によって、より信頼性の高い中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、上記実施形態１と同様であるが、リチウム層と金属クロム層の間に、酸素を含む中間層を備えることが異なる以外は上記実施形態１と同様である。以下主として差異点について説明する。図３は、本実施形態に係るターゲットの断面構造のイメージを示す図である。

本図で示すように、本ターゲット１は、基板２と、基板２上に形成されるリチウム層３と、リチウム層３の上に形成される酸素を含む中間層６と、中間層６の上に形成される金属クロム層４と、金属クロム層４上に形成される傾斜窒化クロム層５と、を有する中性子発生用リチウムターゲットである。

上記実施形態では、リチウム層３と金属クロム層４とを接触させることで、傾斜クロムのようなセラミックではなく金属層同士を接触させることになるため、その結合強度を増すことが可能となる。しかしながら、これら金属同士とする場合でもそれらの間の結合が十分ではなく剥離の可能性が生じる余地は残る。そのため、本実施形態では、更にこの間に酸素を含む中間層を形成することで、リチウム及びクロムのそれぞれと酸素を結合させることによりその結合強度を増すことが可能となる。すなわち、この酸素を含む中間層は、リチウムとクロム、酸素を含む層となっている。これにより、十分な強度を確保することができる。

なお、本ターゲット１において、中間層の厚さは適宜調整可能であり限定されるわけではないが、当然に、リチウム層２及び金属クロム層４の厚さ未満となっていることが好ましく、具体的には、０．００１μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０１μｍ以上０．１μｍ以下である。この範囲とすることで、十分な結合強度を得ることが可能となる。

（製造方法）
本実施形態においても、上記実施形態１と同様である。ただし、酸素を含む中間層を形成する工程が上記実施形態１と異なる。

すなわち、本実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲットの製造方法は、（Ｓ１）基板上にリチウム層を形成する工程、（Ｓ２）リチウム層上に金属クロム層を形成する工程、（Ｓ３）金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を形成する工程、を備える中性子発生用リチウムターゲットの製造方法において、上記（Ｓ１）のリチウム層を形成する工程と、上記（Ｓ２）の金属クロム層を形成する工程の間に、（Ｓ４）酸素濃度を１０^－３ｔｏｌｌ以上１０^－５ｔｏｌｌの範囲とする工程を含む。この工程によると、リチウム層上に酸素が供給されることによりまずリチウムと酸素の合金構造が形成される。そして、この上に金属クロム層が形成されることにより、これまた酸素とクロムの結合が形成される。すなわち、酸素原子を介してリチウムとクロムが強固に結合されることで、リチウム層と金属クロム層の間に強固な結合を備えさせることが可能となる。なお、酸素の供給は、酸素濃度を高めることで容易に可能である。

以上、本実施形態によって、より信頼性の高い中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法を提供することができる。

ここで、上記実施形態に係る中性子発生用リチウムターゲットについて実際に作製し、その効果を確認した。以下説明する。

（実施例１）
まず、厚さ５ｍｍ（φ１８０ｍｍ）の無酸素銅基板上に、スパッタリングによってリチウム層１００μｍ（φ３０ｍｍ）を積層させた。

次に、上記リチウム層上に、スパッタリングにより上記リチウム層と同様の形状で金属クロム層を０．１μｍ積層させた。

さらに、金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を０．９μｍ積層させることで、ターゲットを作成した。この結果作製したターゲットの写真図を図４に示す。

この作製したターゲットを用い、荷電粒子の衝突による中性子放出動作を５回繰り返したところ、破損もなく、十分に機能していることを確認した。

（比較例１）
上記ターゲットと同様の構成とするが、金属クロム層を設けなかった以外は上記実施例と各層の厚さを同様にして比較例のターゲットを作成した。この結果作製したターゲットの写真図を図５に示す。

この作製したターゲットを用い、仮試験としてＹＡＧレーザー（１ｋＷ）のレーザーを照射したところ、その照射によってターゲットが破損してしまった。調べたところリチウム層と金属クロム層との間の剥離が原因であることが確認された。

（実施例２）
まず、厚さ５ｍｍ（φ１８０ｍｍ）の無酸素銅基板上に、スパッタリングによってリチウム層１００μｍ（φ３０ｍｍ）を積層させた。

次に、上記リチウム層を形成した後、酸素濃度２×１０^－５ｔｏｌｌとなるように空気を導入してこの状態を６０分維持した。

次に、上記リチウム層上に、スパッタリングにより金属クロム層を０．１μｍ積層させた。

さらに、金属クロム層上に傾斜窒化クロム層を０．９μｍ積層させることで、ターゲットを作成した。この結果作製したターゲットの写真図を図６に示す。

この作製したターゲットを用い、荷電粒子の衝突による中性子放出動作を上記と同様に７回繰り返したが、破損もなく、十分に機能していることを確認した。特に、上記実施例１の場合よりも繰り返し回数が多く、より信頼性が高いものとなっていることを確認した。

なお、上記中間層の確認については、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により行ったところ、酸素を含む中間層が確認できた。

以上、本実施例により、本発明の効果を確認することができた。

本発明は、中性子発生用リチウムターゲット及びその製造方法として産業上の利用可能性がある。

Claims (5)

1. 金属基板と、
   前記基板上に形成されるリチウム層、
   前記リチウム層の上に形成される金属クロム層と、
   前記金属クロム層上に形成され、窒素の割合が前記金属クロム層から離れるに従い徐々に高くなる傾斜窒化クロム層と、を有する中性子発生用リチウムターゲット。
2. 前記リチウム層と、前記金属クロム層の間に、酸素を含む中間層を備える請求項１記載の中性子発生用リチウムターゲット。
3. 前記基板は、銅によって構成される請求項１記載の中性子発生用リチウムターゲット。
4. 金属基板上にリチウム層を形成する工程、
   前記リチウム層上に金属クロム層を形成する工程、
   前記金属クロム層上に、窒素の割合が前記金属クロム層から離れるに従い徐々に高くなるよう傾斜窒化クロム層を形成する工程、を備える中性子発生用リチウムターゲットの製造方法。
5. 前記リチウム層を形成する工程と前記リチウム層上に金属クロム層を形成する工程の間に、酸素濃度を２×１０ ^－５ ｔｏｌｌ以上２×１０^－４ｔｏｌｌ以下の範囲とする請求項４記載の中性子発生用リチウムターゲットの製造方法。