JPWO2016167307A1 - イオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜 - Google Patents

Abstract

耐熱性、熱伝導性が高く、長時間のビーム照射にも耐えうる高品質のイオンビーム荷電変換膜装置の荷電変換膜を提供することを目的とする。本発明は、高分子焼成法によって製造される炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であるイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜である。本発明は、２５℃における膜面方向の熱伝導度が３００Ｗ／ｍＫ以上である炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であるイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜も包含する。これら荷電変換膜は、密度が０．９０ｇ／ｃｍ3以上、２．２６ｇ／ｃｍ3以下であることや、単位面積当たりの重量が１．５ｍｇ／ｃｍ2以上、３０ｍｇ／ｃｍ2以下であること、また面積が４ｃｍ2以上であることなどが好ましい。

Description

本発明は、イオンビーム加速器に使用する荷電変換装置の荷電変換膜に関する。

イオンビーム加速器においてビームを効率的に加速させるには、イオンから電子を取り除き、目的とする価数に調整する必要がある。イオンから電子を取り除き、適切な価数に調節するためには、荷電変換膜が重要な役割を果たしている。荷電変換膜としては液体リチウム、ベリリウム、炭素膜、炭素ホウ素複合膜、カーボンナノチューブ複合膜、炭素―有機複合膜が報告されている（非特許文献１）。

液体リチウムから作製される荷電変換膜は、リチウムが水と反応するために水分を一切含まない希ガス雰囲気下でかつ特殊な装置が必要となるため非常に高価であり複雑になってしまう（非特許文献１）。

また、ベリリウムは軽元素であることや、荷電変換効率が高いためにターゲット材料として頻繁に利用されている（非特許文献１）。しかしながら、ベリリウムは非常に高価であり、またベリリウムを含有するチリは人体へと吸入されることによって毒性を示すため、慢性ベリリウム症と呼ばれる致死性の慢性疾患を引き起こす恐れがあるなどの問題がある。

アーク放電などの方法により炭素膜を蒸着し、その膜を荷電変換膜として使用することも報告されているが、物理的強度が弱いこと、耐熱性が低いことなどが問題となっている（特許文献１）。この炭素膜の物理的な強度を高める方法と炭素ホウ素複合膜も報告されているが、成膜の際使用する試薬に含まれるナトリウムなどの不純物がビーム照射により放射化するなど深刻な問題がある（特許文献２）。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）複合膜（特許文献３）は上記の課題である物理的な強度が高くなるものの、耐熱性が低くなるため長時間の運転により破損することがあり、その度に加速器の運転を停止する必要があるため信頼性に課題があった（非特許文献２）。また、ＣＮＴを含む炭素膜は成膜時に鉄やケイ素を含んでいる。このためビーム照射後の荷電変換膜は放射化しており、放射線管理区域からの持ち出しが可能になるまでに数ヶ月を要するという問題があった。このような観点から、荷電変換膜用に高品質で耐熱性が高く、放射化の心配のない炭素系荷電変換膜の開発が重要であった。

高品質で耐熱性が高い炭素膜の一つとして、天然グラファイトを利用した炭素膜が知られている（特許文献４）。しかし、粉状、燐片状の天然グラファイトを原料としてプレス加工しているために膜強度が弱く、破損した場合にグラファイト片が筐体内で飛び散る恐れがある。これは特に炭素膜が放射化した場合に大きな問題となる。また膜厚も制御しにくく、薄い膜が作れず、密度も低めで、面内の膜厚ムラが大きいなどの問題があった。

また、イオンビーム用の荷電変換膜として使用する場合は元のビームの電荷、所望のビームの電荷、ビームの種類により望ましい炭素膜密度と炭素膜の厚み範囲が決まっており、これ以上薄くても、厚くてもビームの荷電分布や荷電効率に影響を及ぼす（非特許文献１）。このため、様々なビームラインの要望に応えられる、種々の厚みに対応でき、十分な耐熱性、強度を備えたイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜が必要とされていた。

特許第１３４２２２６号公報 特許第５３０９３２０号公報 特許第４８２１０１１号公報 特許第４２９９２６１号公報

２７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔａｒｇｅｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｓｏｃｉｅｔｙ （ＩＮＴＤＳ−２０１４） Ｔｏｋｙｏ， Ｊａｐａｎ， Ａｕｇｕｓｔ， ２０１４. Ｈａｓｅｂｅ Ｈ．ｅｔ ａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｄｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１４， ２９９，１０１３−１０１８．

本発明は、耐熱性、熱伝導性が高く、長時間のビーム照射にも耐えうる高密度で高品質のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を提供することを目的とする。

上記課題を達成した本発明は、高分子焼成法によって製造される炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であるイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（１）である。また、本発明は、２５℃における膜面方向の熱伝導度が３００Ｗ／ｍＫ以上である炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であるイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（２）である。

本発明は、密度が０．９０ｇ／ｃｍ³以上、２．２６ｇ／ｃｍ³以下である、（１）または（２）に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（３）を包含する。

本発明は、単位面積当たりの重量が１．５ｍｇ／ｃｍ²以上、３０ｍｇ／ｃｍ²以下である（１）〜（３）のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（４）を包含する。

本発明は、面積が４ｃｍ²以上である（１）〜（４）のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（５）を包含する。

本発明は、２５℃における膜面方向の熱伝導度が２０Ｗ／ｍＫ以上である（１）、（３）〜（５）のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（６）を包含する。

本発明は、炭素原子数濃度が９７原子％以上である（１）〜（６）のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（７）を包含する。

本発明は、高分子フィルムを、不活性ガス雰囲気下、２４００℃以上で熱処理することによって得られる（１）〜（７）のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（８）も包含する。（９）前記高分子フィルムは、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマーおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。また、（１０）前記高分子フィルムは、芳香族ポリイミドであることが好ましい。

（１１）前記（１０）における芳香族ポリイミドは、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドであることが好ましく、また前記（１０）または（１１）における芳香族ポリイミドは、（１２）４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ｐ−フェニレンジアミンのいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドであることも好ましい。

本発明は、（１）〜（１２）のいずれかに記載の荷電変換膜を複数枚積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜（１３）を包含する。また、（１）〜（１２）のいずれかに記載の荷電変換膜と、高分子焼成法以外の方法で製造された荷電変換膜とを積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜（１４）も本発明に含まれる。

金属及び金属酸化物の少なくとも一層と、（１）〜（１２）のいずれかに記載の荷電変換膜を積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜（１５）も本発明に含まれ、本態様において、更に（１６）配向性の異なる黒鉛層を積層することも好ましい。

更に、本発明は、（１）〜（１２）のいずれかに記載の荷電変換膜を製造する方法であって、高分子フィルムを、不活性ガス雰囲気下、２４００℃以上で加熱するイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜の製造方法（１７）も包含する。

高分子焼成法で製造される本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜によれば、単位面積当たりの重量が同じである他の種類の荷電変換膜よりも価数変換の効率が高い。したがって、同じ価数を得るために荷電変換膜を薄くする事ができ、耐熱性に優れ、ビーム照射に対する耐久性を高くする事ができる。また、２５℃における膜面方向の熱伝導率が４５Ｗ／ｍＫ以上であり、特に所定の温度以上の加熱温度で高分子焼成法によって製造される荷電変換膜は、２５℃における膜面方向の熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上の荷電変換膜であり、熱伝導特性に優れるという観点からも長時間の大強度ビームの照射に耐える事が可能である。更に、炭素原子数濃度の高い膜であるため、高真空下及び高温下でもアウトガスの恐れがなく、またビーム照射による放射化の恐れも少なく化学安定性に優れる。本発明の荷電変換膜は、物理的強度も他の種類の荷電変換膜よりも高く、加工や取り扱いも容易であり、まさにイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜として最適な材料であり、その応用範囲は非常に広いと考えられる。

図１はウランビーム荷電変換装置の模式図である。 図２は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を用いて作製した固定式荷電変換膜の概略斜視図である。 図３は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を用いて作製したディスク型回転式荷電変換膜の概略斜視分解図である。 図４は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を用いて作製した固定式荷電変換膜を透過した後のウランビームの価数分布を示したグラフである。 図５は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜、およびその他の各種荷電変換膜を用いて作製した固定式荷電変換膜を透過した後のウランビームの価数分布を示したグラフである。 図６は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を用いて作製したディスク型回転式荷電変換膜の概略斜視図である。 図７は本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜（Ｎｏ．１０）、比較例３の荷電変換膜（Ｎｏ．１３）、およびベリリウムを用いて作製したディスク型回転式荷電変換膜を透過した後のウランイオンビームの価数分布を示したものである。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、高分子焼成法、すなわち高分子フィルムを熱処理することよってイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を製造すると、このイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜を通過した後のイオンビームは、価数の分布がシャープになることを見出した。すなわち、本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜は、入射したイオンビームから電子を安定的に取り除き、所望の価数のイオンを高い生成率で得ることができる。また、本発明の炭素膜は高強度のビームを長時間照射した場合であっても、破損することがなく、耐久性に優れるとともに、放射化の恐れも少ない。更に、本発明のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜は、蒸着法などの他の製造方法によって得られる荷電変換装置の荷電変換膜と比べて物理的強度が高く、加工や取り扱いが容易であるという利点を有している。

本発明で使用するイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜は膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下である。荷電変換膜を通過した後のイオンビームの価数は、荷電変換膜の膜厚を調整することによって制御できるところ、高分子焼成法によって製造される本発明の荷電変換膜は、原料となる高分子フィルムの厚みを変えることによって、得られる荷電変換膜の厚みを制御でき、１０〜１５０μｍの範囲の種々の厚みを簡便に実現できる。また、厚みの異なる本発明の荷電変換膜（炭素膜）を複数重ねて使用し、合計の厚みを制御することによりイオン価電数を容易に制御できることも本発明の非常に大きな利点として挙げられる。通常の黒鉛板を使用した場合は研磨、フライス加工などにより膜厚調整を行う必要があるが、本発明を使用すれば、そのような煩雑な工程を大幅に削減できる。

また、荷電変換膜の膜厚を１５０μｍ以下とすることによって、優れた熱伝導率を実現できる。これは以下の様に考えられる。高分子焼成法による炭素膜製造において、グラファイト化反応は高分子炭素化膜の最表面層から開始し、膜内部に向かってグラファイト構造が成長すると考えられている。炭素膜の膜厚が厚くなると、グラファイト化時に炭素膜内部にいくほどグラファイト構造が乱れ、空洞や欠損ができやすくなる。反対に膜が薄くなれば膜表面のグラファイト層構造が整った状態で内部までグラファイト化が進行し、結果として膜全体に整ったグラファイト構造ができやすい。このように荷電変換膜の膜厚が１５０μｍ以下であると、グラファイト層構造が整っているため、高い熱伝導率を示す荷電変換膜になると考えられる。

荷電変換膜の膜厚は、好ましくは２０μｍ以上であり、より好ましくは４０μｍ以上である。膜厚の上限は、好ましくは１３０μｍ以下であり、より好ましくは１１０μｍ以下である。

本発明の荷電変換膜の密度は０．９０ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましい。欠損や空洞が炭素膜中に入ると、密度が下がり熱伝導率も低下する傾向がある。また空洞部分には熱がこもりやすいと考えられ、低密度の炭素膜は熱による劣化に弱い。このことから、荷電変換膜の密度は大きいことが好ましく、より好ましくは１．５ｇ／ｃｍ³以上、さらには２．０ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましく、２．１ｇ／ｃｍ³以上であることは最も好ましい。密度の上限は、２．２６ｇ／ｃｍ³以下であり、２．２０ｇ／ｃｍ³以下であってもよい。

本発明の炭素膜の単位面積当たりの重量は、１．５ｍｇ／ｃｍ²以上、３０ｍｇ／ｃｍ²以下であることが好ましい。大強度ビームを、目的とする価数に変換するためには炭素膜の単位面積当たりの重量が所定以上必要となる。この重量範囲外の炭素膜を使用した場合はビーム価数の分布に偏りが出て、シャープな分布にならない。以上のことから、単位面積当たりの重量は１．５ｍｇ／ｃｍ²以上が好ましく、１．８ｍｇ／ｃｍ²以上であることがより好ましく、２．０ｍｇ／ｃｍ²以上であることは最も好ましい。単位面積当たりの重量の上限は、３０ｍｇ／ｃｍ²以下であることが好ましく、２５ｍｇ／ｃｍ²以下であることが最も好ましい。

本発明の荷電変換膜の、温度２５℃における膜面方向の熱伝導率は、通常２０Ｗ／ｍＫ以上であり、好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以上であり、より好ましくは４５Ｗ／ｍＫ以上であり、さらに好ましくは６０Ｗ／ｍＫ以上である。また熱拡散性が高いほど長期間の大強度ビームの照射に耐えうるという観点から、熱伝導率は、好ましくは１００Ｗ／ｍＫ以上であり、より好ましくは３００Ｗ／ｍＫ以上であり、さらに好ましくは１０００Ｗ／ｍＫ以上であり、最も好ましくは１５００Ｗ／ｍＫ以上である。なお熱伝導率は、例えば、２５００Ｗ／ｍＫ以下であってもよく、２３００Ｗ／ｍＫ以下であってもよい。

特に、所定の温度以上（例えば２５００℃以上）の加熱温度で、高分子焼成法によって製造される荷電変換膜は、２５℃における膜面方向の熱伝導度が３００Ｗ／ｍＫ以上である荷電変換膜である。高分子焼成法の加熱温度をより高温にして作成された荷電変換膜は、より高い熱伝導度（例えば２６００℃以上の加熱温度では例えば１０００Ｗ／ｍＫ以上であり、より好ましくは１５００Ｗ／ｍＫ以上）を有する荷電変換膜である。

本発明の荷電変換膜の炭素原子数濃度は、通常９７％以上であり、純度が高いほど長期間の大強度ビーム照射時の放射化を防げる観点から、炭素原子数濃度は好ましくは９８％以上であり、最も好ましいのは９９％以上である。特に放射化の原因になりうる、アルミニウム、鉄、ナトリウム、カリウム、コバルト、チタン、ニッケルなどの金属系不純物は検出限界以下であることが望ましい。本発明の荷電変換膜の原料は高分子フィルムを使用し、金属を含む試薬を使用しておらず、さらには２０００℃以上で焼成している。このため炭素以外の不純物が入りにくいという特徴を有する。

本発明の荷電変換膜は、後述する通り、固定式で用いても良いし、回転式（例えばディスク状の炭素膜を回転させる方式）などの移動式で用いても良く、いずれの場合においても荷電変換膜（炭素膜）の面積は４ｃｍ²以上が好ましい。面積が大きいほど熱拡散性が向上し、長期間の大強度ビームに耐えうるという観点から、荷電変換膜の面積は好ましくは９ｃｍ²以上であり、より好ましくは１６ｃｍ²以上である。最も好ましくは２５ｃｍ²以上である。大面積になるほど放熱性が向上し、大強度ビームからの熱を逃がす効果が高い。逆に小さすぎると冶具やヒートシンクなどにも固定しにくく、さらに放熱効率が悪くなってしまうので好ましくない。特に、荷電変換膜を動かしビームを当てる部位を変える移動式の場合には、面積が大きい（例えば、回転ディスク状の場合には直径が大きい）ほうが１箇所にビームが当たる時間をより短くできるため、耐久性に関して有利である。本発明の荷電変換膜の面積の上限は特に限定されないが、通常２５００ｃｍ²程度である。

荷電変換膜を通過した後のイオンビームの価数は、荷電変換膜の厚みを変えることによって調整可能であり、使用するビームの種類、強度、目的とする価数への変換効率に応じて荷電変換膜の厚みを調整することが極めて重要である。荷電変換膜として用いる際は、目的とする厚さに調整した本発明の荷電変換膜（炭素膜）を一枚で用いても良いし、本発明の荷電変換膜を２枚以上重ねて目的の厚さに調整しても良い。２枚以上重ねて用いる場合には、荷電変換膜はぴったり密着させても良いし（積層膜）、イオンビームの進行方向に間を空けて１枚ずつ独立に並べても良い。しかし、一枚ずつ独立に並べる場合において、その間隔が近すぎるとビーム照射時に間に熱がこもりやすくなり損傷の可能性も出てくる。よって、本発明の荷電変換膜を２枚以上重ねて用いる場合には、積層膜として用いることが好ましい。後記する実施例で示す通り、本発明の荷電変換膜を複数積層させた積層荷電変換膜も十分に荷電変換膜として機能することがわかった。これも本発明の非常に大きな利点として挙げられる。本発明を使用すれば、厚みの異なる荷電変換膜の組み合わせを変えるだけで、所望のビーム価数に最適の、様々な厚みのフィルムを簡単に作製できる。

本発明の荷電変換膜を使用する場合は、本炭素膜上に異なる種類の異なる荷電変換膜を積層させて使用することも好ましい。特にビームのイオン価数を精密に制御するには、荷電変換膜の厚みを精密に制御するのが好ましい。この様な場合には、蒸着、スパッタ、スピンコートなど高分子焼成法以外の方法を用いて本発明の荷電変換膜上に種類の異なる炭素膜を作製して厚みを精密に制御できる。高分子焼成法以外の方法を用いて作製される炭素膜は、通常、２５℃における膜面方向の熱伝導度が１０００Ｗ／ｍＫ未満（特に３００Ｗ／ｍＫ未満）である炭素膜である。本発明の炭素膜は物理的強度に優れることから、このような条件で複合炭素膜を作製しても全く問題なく荷電変換膜として使用できる。

また、金属及び金属酸化物の少なくとも一層と、本発明の荷電変換膜とを積層させて荷電変換膜用積層膜とすることも好ましい。金属及び金属酸化物と積層させることによって、直接炭素膜を接着することの難しいターゲット材料との接着性を改善させることができるという点から好ましい。また該荷電変換膜に、更に配向性の異なる黒鉛層を積層させることも好ましく、スパッタや蒸着などの種々の方法により炭素膜を積層させて簡単に目的の膜厚へ微調整ができる。

本発明の荷電変換膜で好ましく用いられる炭素構造としては、面配向、軸配向（同軸円管状、放射状）、点配向（同心球状、放射状）、無配向のいずれであっても良く、またはこれら二種類以上の混合体であってもよい。高熱伝導性という観点から考えると、面配向が最も好ましい。

本発明の荷電変換膜は、熱伝導率が高く放熱性が良好であるため、特に重原子イオンのような大強度のビームが照射されても損傷することなく良好に荷電変換でき、例えばウラン、キセノン、クリプトン、亜鉛、鉄、アルゴン、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、ネオン、酸素、炭素などの重原子イオンビームの荷電変換用膜として好適に用いることができる。本発明の荷電変換膜は、大型の加速器のみならず、ガン治療用加速器などの医療用加速器、産業用などの比較的小型の加速器における荷電変換膜として好ましく使用できる。

＜高真空用炭素膜基板材料＞
本発明の荷電変換膜は、高真空（１０^-4Ｐａ以下。例えば１０^-6〜１０^-7Ｐａ程度またはそれ以下）で使用することができ、それ自身を荷電変換膜として使用できる他、他の材料と積層して高真空用炭素膜基板材料としても使用できる。前記荷電変換膜は、すでに２４００℃以上での黒鉛化を実施したものであるため黒鉛以外の不純物を殆ど含まず、高純度である。そのため高真空下でも、さらには局所的に加熱してもアウトガスが発生しない。さらに、化学的にも安定であり、必要に応じて、高真空雰囲気以外の用途で使用してもよい。高真空雰囲気以外の雰囲気としては、例えば窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウム、水素などが上げられる。

図１にイオンビーム荷電変換器の一例を模式図で示す。図１のイオンビーム荷電変換器は、入射したイオンビームから電子を取り除く荷電変換膜１０ａ、１０ｂと、ビーム収束用電磁石１１ａ、１１ｂと、ビーム軌道を曲げるベンディングマグネット１２とビーム形状検出装置１３ａ、１３ｂを備える。荷電変換膜１０ａ及び１０ｂはいずれか一方又は両方備えていても良く、入射イオンビーム１４が入射する側を上流側として、例えば上流側の荷電変換膜１０ａを固定式荷電変換膜とし、下流側の１０ｂを回転式荷電変換膜とすることができる。またビーム収束用電磁石は、荷電変換膜より上流側に配置でき、特に荷電変換膜１０ｂの上流側に配置できる。装置の上流側から入射したイオンビーム（例えばＵ^64＋など）１４は、必要に応じてビーム収束用電磁石により収束されて荷電変換膜１０ａ及び／又は１０ｂを通過し、ベンディングマグネット１２で軌道を曲げられる。またベンディングマグネット１２では、予め電流を所定の値に設定すれば、特定の価数のイオン１５ａのみが通過し、それ以外の価数のビーム１５ｂ、１５ｃはベンディングマグネット１２の真空箱壁面に衝突して消滅する。ベンディングマグネット１２の下流側には、ビーム収束用電磁石１１ｂを配置することができ、ビーム収束用電磁石１１ｂを通過したビームは、その後リングサイクロトロン（図示せず）によって更に加速される。ビーム形状やイオンの価数分布はベンディングマグネット１２とビーム収束用電磁石１１ｂの間のビーム形状検出装置１３ａ、又はビーム収束用電磁石１１ｂの下流側のビーム形状検出装置１３ｂで検出可能である。

図２は、固定式荷電変換膜２０の一例を示した概略斜視図である。固定式荷電変換膜２０は荷電変換膜２１が露出するように中央に孔が設けられた固定式荷電変換膜用ホルダー２２に荷電変換膜２１が固定される。ホルダーの材質は特に限定されないが、銅、アルミ、ステンレスなどの金属が挙げられる。また荷電変換膜２１の露出部分の形状は特に限定されず、円形、楕円形、方形、陸上競技のレーストラック形状などが挙げられる。

図３は、荷電変換膜とそのホルダーから構成される回転式荷電変換膜３０の一例を示す概略斜視図である。この回転式荷電変換膜３０は、荷電変換膜固定用基板３１と、荷電変換膜支持基板３２と、荷電変換膜３３と、荷電変換膜３３の背面側に積層された荷電変換膜固定用基板３４からなる。そして生成したビームは、荷電変換膜３３を通過し電子を奪われることで価数が増加し、下流の加速器に送られる。荷電変換膜固定用基板３１、３４及び荷電変換膜支持基板３２の材質は、例えばアルミ、銅、ステンレスなどの金属が挙げられる。

なお図示例では、回転式荷電変換膜３０は円形状の荷電変換膜固定用基板３１と、荷電変換膜支持基板３２と、荷電変換膜固定用基板３４を用いて中央で固定しているが、ベアリングを用いたり、モーターに直結するなどの方法を用いて荷電変換膜３３を回転させる構造であってもよい。各部材間を接合可能な限り荷電変換膜固定用基板３１と、荷電変換膜支持基板３２と、荷電変換膜固定用基板３４の形状は特に限定されない。

なお図示例では、荷電変換膜３３は一枚（単層）で記載しているが、荷電変換膜３３及び上記した固定式荷電変換膜２０の荷電変換膜２１の枚数は特に限定されず、本発明の炭素膜を積層しても良いし、本発明の炭素膜と、高分子焼成法以外の方法で製造された炭素膜とを積層させても良い。また、本発明の炭素膜に金属及び金属酸化物の少なくとも一層を積層させたものであってもよく、更に配向性の異なる黒鉛層を積層させたものであってもよい。荷電変換膜のトータルの厚みは使用するビームの種類や所望の電荷により、炭素膜の枚数を調整する方法で制御してもよい。

固定式及び回転式のいずれにおいても、荷電変換膜はプレスなどを用いて平坦化させてもよく、さらには複数の荷電変換膜を積層させ、常温プレスまたは加熱プレス、超高温加熱プレスなどを用いて荷電変換膜同士を密着させてもよい。また、複数の荷電変換膜を、ビームの進行方向に間を空けて配置しても良い。

また、固定式及び回転式のいずれにおいても、荷電変換膜にコールピッチ、高分子材料などを塗布し、それと複数の荷電変換膜を積層させ、常温プレスまたは加熱プレスし、超高温処理または超高温加熱プレスなどを用いて加熱黒鉛化をおこない荷電変換膜同士を密着させてもよい。

次に、本発明の荷電変換膜の製造方法について説明する。本発明の荷電変換膜を得るためには、所定の高分子原料を用い、不活性ガス雰囲気下、２４００℃以上で加熱することが重要である。製造方法の各要件について以下に詳述する。

＜高分子原料＞
本発明の荷電変換膜作製に好ましく用いられる高分子原料は芳香族高分子であり、この芳香族高分子は、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマー、およびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。これらの高分子原料からなるフィルムは公知の製造方法で製造すればよい。特に好ましい高分子原料として芳香族ポリイミド、ポリパラフェニレンビニレン、ポリパラフェニレンオキサジアゾールを例示する事ができる。特に、芳香族ポリイミドが好ましく、中でも以下に記載する酸二無水物（特に芳香族酸二無水物）とジアミン（特に芳香族ジアミン）からポリアミド酸を経て作製される芳香族ポリイミドは本発明の荷電変換膜作製のための高分子原料として特に好ましい。

前記芳香族ポリイミドの合成に用いられ得る酸二無水物としては、ピロメリット酸無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，２’，３，３’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、１，１−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、１，１−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エタン二無水物、オキシジフタル酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、ｐ−フェニレンビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、エチレンビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、ビスフェノールＡビス（トリメリット酸モノエステル酸無水物）、およびそれらの類似物が挙げられ、それらを単独または任意の割合の混合物で用いることができる。特に非常に剛直な構造を有した高分子構造を持つほどポリイミドフィルムの配向性が高くなること、さらには入手性の観点から、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物が特に好ましい。

前記芳香族ポリイミドの合成に用いられ得るジアミンとしては、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ｐ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルプロパン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、ベンジジン、３，３’−ジクロロベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、３，３’−ジアミノジフェニルエーテル、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル、１，５−ジアミノナフタレン、４，４’−ジアミノジフェニルジエチルシラン、４，４’−ジアミノジフェニルシラン、４，４’−ジアミノジフェニルエチルホスフィンオキシド、４，４’−ジアミノジフェニルＮ−メチルアミン、４，４’−ジアミノジフェニル Ｎ−フェニルアミン、１，４−ジアミノベンゼン（ｐ−フェニレンジアミン）、１，３−ジアミノベンゼン、１，２−ジアミノベンゼンおよびそれらの類似物が挙げられ、それらを単独でまたは任意の割合の混合物で用いることができる。さらにポリイミドフィルムの配向性を高くすること、入手性の観点から、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ｐ−フェニレンジアミンを原料に用いて合成されることが特に好ましい。

＜高分子原料の合成、製膜＞
高分子原料としてのポリイミドの製造方法について以下に説明する。ポリイミドの製造方法には、前駆体であるポリアミド酸を加熱でイミド転化する熱キュア法、ポリアミド酸に無水酢酸等の酸無水物に代表される脱水剤や、ピコリン、キノリン、イソキノリン、ピリジン等の第３級アミン類をイミド化促進剤として用い、イミド転化するケミカルキュア法があるが、そのいずれを用いても良い。得られるフィルムの線膨張係数が小さく、弾性率が高く、複屈折率が大きくなりやすく、フィルムの焼成中に張力をかけたとしても破損することなく、また、品質の良い炭素膜を得ることができるという点からケミカルキュア法が好ましい。またケミカルキュア法は、炭素膜の熱伝導率の向上の面でも優れている。

前記酸二無水物とジアミンからのポリアミド酸の調製には公知の方法を用いることができ、通常、芳香族酸二無水物の少なくとも１種とジアミンの少なくとも１種を有機溶媒中に溶解させ、得られたポリアミド酸有機溶媒溶液を、制御された温度条件下で、上記酸二無水物とジアミンの重合が完了するまで攪拌することによって製造される。これらのポリアミド酸溶液は通常５〜３５ｗｔ％、好ましくは１０〜３０ｗｔ％の濃度で得られる。この範囲の濃度である場合に適当な分子量と溶液粘度を得る事が出来る。

前記原料溶液中の酸二無水物とは実質的に等モル量にすることが好ましく、モル比は、例えば、１．５：１〜１：１．５、好ましくは１．２：１〜１：１．２、より好ましくは１．１：１〜１：１．１である。

本発明で使用する炭素膜は厚さが１０μｍ〜１５０μｍの範囲であり、この様な範囲の炭素膜を得るためには原料高分子フィルムの厚さは２５μｍ〜２００μｍの範囲である事が好ましい。これは、最終的に得られる炭素膜の厚さは、一般に出発高分子フィルムの厚みによっているためである。従って、最終的に本発明の１０μｍ〜１５０μｍの厚さの炭素膜を得るためには、出発高分子フィルムの厚さは２５μｍ〜２００μｍの範囲である事が好まれる。

前記高分子フィルムは、前記高分子原料又はその合成原料から公知の種々の手法によって製造できる。例えば、前記ポリイミドフィルムは、上記ポリイミド前駆体であるポリアミド酸の有機溶剤溶液をエンドレスベルト、ステンレスドラムなどの支持体上に流延し、乾燥・イミド化させることにより製造される。具体的にケミカルキュアによるフィルムの製造法は以下のようになる。まず上記ポリアミド酸溶液に化学量論以上の脱水剤と触媒量のイミド化促進剤を加え支持板やＰＥＴ等の有機フィルム、ドラム又はエンドレスベルト等の支持体上に流延又は塗布して膜状とし、有機溶媒を蒸発させることにより自己支持性を有する膜を得る。次いで、これを更に加熱して乾燥させつつイミド化させポリイミドフィルムを得る。加熱の際の温度は、１５０℃から５５０℃の範囲の温度が好ましい。さらに、ポリイミドの製造工程中に、収縮を防止するためにフィルムを固定したり、延伸したりする工程を含む事が好ましい。これは、分子構造およびその高次構造が制御されたフィルムを用いる事で炭素膜への転化がより容易に進行する、ということによっている。すなわち、黒鉛化反応をスムーズに進行させるためには黒鉛前駆体中の炭素分子が再配列する必要があるが、配向性にすぐれたポリイミドではその再配列が最小で済むために、低温でも黒鉛への転化が進み易いと推測される。

＜炭素化（一次熱処理）・二次熱処理＞
次に、ポリイミドに代表される高分子フィルムの炭素化（一次熱処理）・二次熱処理の手法について述べる。本発明では出発物質である高分子フィルムを不活性ガス中で予備加熱し、炭素化（一次熱処理）を行う。不活性ガスは、窒素、アルゴンあるいはアルゴンと窒素の混合ガスが好ましく用いられる。予備加熱は通常１０００℃程度で行う。予備加熱温度までの昇温速度は特に限定されないが、例えば５〜１５℃／分とできる。予備加熱の段階では出発高分子フィルムの配向性が失われない様に、フィルムの破壊が起きない程度の膜面に垂直方向の圧力を加える事が有効である。

上記の方法で炭素化されたフィルムを高温炉内にセットし、さらに炭素原子を高次に配向させる二次熱処理を行う。炭素化フィルムのセットはＣＩＰ材やグラッシーカーボン基板に挟んで行う事が好ましい。上記炭素化フィルムを、上記予備加熱と同様の不活性ガス中で更に２４００℃以上で二次熱処理することで、本発明の荷電変換膜を得ることができる。特に、加熱温度を２６００℃以上の高温で行うことで、炭素化フィルムがグラファイト化する。この様な高温を作り出すには、通常グラファイトヒーターに直接電流を流し、そのジュ−ル熱を利用して加熱を行なう。二次熱処理は不活性ガス中で行なうが、不活性ガスとしてはアルゴンが最も適当であり、アルゴンに少量のヘリウムを加えても良い。処理温度は高ければ高いほど良質のグラファイトに転化出来る。予備加熱による熱分解と炭素化によりその面積は元のポリイミドフィルムより約１０〜４０％程度収縮し、二次熱処理の過程では逆に約１０％程度拡大する事が多い。このような収縮、拡大によって荷電変換膜内には内部応力が発生し荷電変換膜内部にひずみが発生する。この様なひずみや内部応力は２９００℃以上で処理することにより緩和されてグラファイトの層が規則正しく配列し、さらに熱伝導率が高くなる。本発明の荷電変換膜を得るためには２２００℃では不足で、処理温度は２４００℃以上が好ましく、２９００℃以上の温度で処理する事はより好ましく、３１００℃以上である事は最も好ましい。無論、この処理温度は二次熱処理過程における最高処理温度としても良く、得られた荷電変換膜をアニーリングの形で再熱処理しても良い。なお処理温度は、例えば、３７００℃以下（特に３６００℃以下、或いは３５００℃以下）であっても、優れた荷電変換膜が得られる。前記予備加熱温度から当該熱処理温度までの昇温速度は、例えば１〜２５℃／分とできる。当該処理温度での保持時間は、例えば、１０分以上、好ましくは３０分以上であり、１時間以上であってもよい。保持時間の上限は特に限定されないが、通常、５時間以下、特に３時間以下程度としてもよい。

熱処理時の高温炉内の雰囲気は、加圧されていることが好ましく、特に温度２９００℃以上（より好ましくは３０００℃以上）で二次熱処理する場合、高温炉内の雰囲気は前記不活性ガスによって加圧されているのが好ましい。熱処理温度が高いと膜表面から炭素の昇華が始まり、荷電変換膜表面の穴、われの拡大と薄膜化などの劣化現象が生じるが、加圧することによってこの様な劣化現象を防止でき、優れた荷電変換膜を得ることができる。不活性ガスによる高温炉の雰囲気圧力（ゲージ圧）は、例えば、０．０５ＭＰａ以上、好ましくは０．１０ＭＰａ以上、さらに好ましくは０．１４ＭＰａ以上である。この雰囲気圧力の上限は特に限定されないが、例えば、２ＭＰａ以下、特に１．８ＭＰａ以下程度であってもよい。特に、温度２９００℃以上で二次熱処理する場合には、不活性ガスの加圧に加えて更に、荷電変換膜に直接圧力を加えることも好ましく、例えば１０〜２０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧すれば良い。熱処理後は、例えば３０〜５０℃／分の速度で降温すれば良い。

本発明の荷電変換膜によれば、例えば荷電のピークが６４＋のウランビームを、荷電のピークが８１＋〜８８＋の範囲となるように荷電変換できる。また、本発明の荷電変換膜によれば、荷電変換後のビームの各価数の生成割合の合計に対して、ピークの価数の生成割合が０．２５０以上（好ましくは０．２６０以上。上限は例えば０．３５０以下）となるように荷電変換できる。

本願は、２０１５年４月１５日に出願された日本国特許出願第２０１５−０８３７１４号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１５年４月１５日に出願された日本国特許出願第２０１５−０８３７１４号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。

以下、実施例を示し、本発明の実施形態について更に詳しく説明する。もちろん、本発明はこれら実施例によって限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。

（物性評価方法）
＜膜厚＞
本発明の荷電変換膜、及び原料である高分子フィルムの厚さは、±５〜１０％程度の誤差がある。そのため、荷電変換膜及び高分子フィルムの膜厚は、各試料において異なる１０点で測定し、それらの算術平均値を各試料の厚さとした。

＜密度及び単位面積あたりの重量＞
作製した荷電変換膜の寸法、膜厚を測定することによって体積（ｃｍ³）を算出するとともに、別途、荷電変換膜の重量（ｇ）を測定し、密度（ｇ／ｃｍ³）＝重量（ｇ）／体積（ｃｍ³）の式から、荷電変換膜の密度を算出した。また、荷電変換膜の寸法及び重量から、単位面積当たりの重量（ｍｇ／ｃｍ²）＝重量（ｍｇ）／面積（ｃｍ²）を求めた。

＜熱伝導率＞
荷電変換膜の熱拡散率を、周期加熱法による熱拡散率測定装置（アルバック理工（株）製、「ＬａｓｅｒＰｉｔ」装置）を用いて、２５℃、真空下（１０^-2Ｐａ程度）、１０Ｈｚの周波数で測定した。この測定方法は、レーザー加熱の点から一定距離だけ離れた点に熱電対を取り付け、その温度変化を測定する方法である。熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）は、熱拡散率（ｍ²／ｓ）と密度（ｋｇ／ｍ³）と比熱（７９８ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を掛け合わせることによって算出した。

＜炭素原子数濃度の決定＞
作製した炭素膜の炭素数原子濃度は、（株）日立ハイテクノロジーサービス製走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）ＳＵ８０００と、（株）堀場製作所製大口径ＳＤＤ検出器（ＥＤＸ−ＸＭａｘ）を用いて測定した。加速電圧２０ｋＶにて荷電変換膜の分析を行い、付属ソフトウェアで解析後に算出された炭素原子数濃度（％）により決定した。

（製造例１）
ピロメリット酸無水物と４,４’−ジアミノジフェニルエーテルをモル比で１／１の割合で合成したポリアミド酸の１８ｗｔ％のＤＭＦ溶液１００ｇに無水酢酸２０ｇとイソキノリン１０ｇからなる硬化剤を混合、攪拌し、遠心分離による脱泡の後、アルミ箔上に流延塗布した。攪拌から脱泡までは０℃に冷却しながら行った。このアルミ箔とポリアミド酸溶液の積層体を１２０℃で１５０秒間、３００℃、４００℃、５００℃で各３０秒間加熱した後、アルミ箔を除去し厚みの異なるポリイミドフィルムを作製した。ポリイミドフィルムの厚みに関しては、キャストする速度などを調整することにより、２５〜２００μｍ範囲の厚さの異なる何種類かのフィルムを作製した。

（実施例１）
厚み２５〜２００μｍの範囲にある４種類のポリイミドフィルムを、電気炉を用いて窒素ガス中、１０℃／分の速度で１０００℃まで昇温し、１０００℃で１時間保って予備処理した。次に得られた炭素化膜を円筒状の炭素膜ヒーターの内部にセットし、２０℃／分の昇温速度で２４００℃まで加熱した。この温度に到達後ヒーターの電源を切り、室温まで冷却し、荷電変換膜１〜４を作製した。処理はアルゴン雰囲気で０．１ＭＰａの加圧下でおこなった。

（実施例２）
厚み２５〜２００μｍの範囲にある４種類のポリイミドフィルムを、電気炉を用いて窒素ガス中、１０℃／分の速度で１０００℃まで昇温し、１０００℃で１時間保って予備処理した。次に得られた炭素化膜を円筒状の炭素膜ヒーターの内部にセットし、２０℃／分の昇温速度で２９００℃まで加熱した。この温度で１５ｋｇ／ｃｍ²で加圧して１０分間保持し、その後４０℃／分の速度で降温し、荷電変換膜５〜８を作製した。処理はアルゴン雰囲気で０．１ＭＰａの加圧下でおこなった。

（実施例３）
厚み５０μｍのポリイミドフィルムを、電気炉を用いて窒素ガス中、１０℃／分の速度で１０００℃まで昇温し、１０００℃で１時間保って予備処理した。次に得られた炭素化膜を円筒状の炭素膜ヒーターの内部にセットし、２０℃／分の昇温速度で２９００℃まで加熱して１０分間保持し、その後４０℃／分の速度で降温し、荷電変換膜９を作製した。処理はアルゴン雰囲気で０．１ＭＰａの加圧下でおこなった。

（実施例４）
実施例３で作製したＮｏ．９の炭素膜を直径１１０ｍｍの円盤状とし、これを二枚積層させ、荷電変換膜１０を作製した。

（比較例１）〜（比較例５）
比較例１は、蒸着法によって作製した厚み１０μｍの炭素膜（Ｎｏ．１１）であり、面積当たりの重量は２．０ｍｇ／ｃｍ²であった。比較例２は、同じく蒸着法によって作製した厚み２０μｍの炭素膜（Ｎｏ．１２）であり、面積当たりの重量は４．０ｍｇ／ｃｍ²であった。
比較例３は、グラッシーカーボンのディスクを研磨して作成した厚み８５μｍの炭素ディスク（Ｎｏ．１３）であり面積当たりの重量は１６．１ｍｇ／ｃｍ²であった。
比較例４は、米国アリゾナカーボン社から購入した４．９３ｍｇ／ｃｍ²の炭素膜（Ｎｏ．１４）である。
比較例５は、ベリリウムのディスクを研磨して作製した厚み８５μｍのベリリウムディスク（Ｂｅ）であり面積当たりの重量は１６．１ｍｇ／ｃｍ²であった。

得られた荷電変換膜の膜厚（μｍ）、単位面積当たりの重量（ｍｇ／ｃｍ²）、密度（ｇ／ｃｍ³）、熱伝導度（Ｗ／ｍＫ）、炭素原子数濃度（％）を表１に示した。また比較例３から５の＊印についてはカタログ値を記載した。この表に示したＮｏ．１〜１０の荷電変換膜はいずれも、２４００℃以上で、好ましくは１０分間以上の熱処理によって、密度０．９０ｇ／ｃｍ³以上、単位面積当たりの重量２．０ｍｇ／ｃｍ²以上、熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以上（特に４５Ｗ／ｍＫ以上）、炭素原子数濃度９９％以上の値を示していた。

＜固定式ウランビーム荷電変換膜の作製＞
表１の荷電変換膜Ｎｏ．１〜９を銅製の枠に、Ｎｏ．１１，１２，１４をアルミニウム製の枠に挟み、ベリリウムはディスクのまま荷電変換膜の露出部分が縦２．８ｃｍ、横１．４ｃｍである固定式ウランビーム荷電変換膜を作成した（図２参照）。本発明の荷電変換膜Ｎｏ．１〜９は、いずれもハサミやカッターナイフによる切断が可能であり、手で扱っても破れることがなく、加工性及びハンドリング性に非常に優れていた。

＜荷電変換膜のウランビーム荷電変換率評価１＞
荷電変換膜の評価は、国立研究開発法人 理化学研究所 仁科加速器研究センター 加速器からのウランビーム、エネルギー・５０ＭｅＶ／ｕ、ビーム電流・２００〜３００ｅｎＡ、ビーム直径・４〜５ｍｍのＵ(ウラン)⁶⁴⁺のＤＣビームを用いて行った。使用したウランビーム加速器の荷電変換のしくみは上述の図１に示す通りである。表１の荷電変換膜Ｎｏ．１〜８を１枚用いて作製した上記の固定式ウランビーム荷電変換膜を、個別に図１の１０ａの位置に配置し（１０ｂの位置には回転式の荷電変換膜は配置せず）、Ｕ⁶⁴⁺ビームが前記荷電変換膜を透過した後の、ウランビーム中の様々な価数のイオンの生成割合を測定した。結果を図４に示す。

図４によれば、荷電変換膜Ｎｏ．１〜８はいずれも良好に価数変換ができていることが分かる。更に単位面積当たりの重量を制御することにより、得られるイオンの価数をコントロールできること、Ｎｏ．１〜８の荷電変換膜を透過したビームは価数の分布幅が十分狭く、ピークのイオンの発生強度が十分高いことが判る。従って、単位面積当たりの重量をコントロールすることによって、望みの価数のイオンを十分に得ることができる。また、単位面積当たりの重量が同じであれば、処理温度２４００℃と２９００℃の場合で顕著な違いはない。ただし２９００℃で処理した方が２４００℃で処理した場合に比べて結晶性、熱伝導度、密度などは高くなる傾向があるので、より強いビームを照射した場合や、長期の耐久性に関してはより優れている可能性がある。

＜荷電変換膜のウランビーム荷電変換率評価２＞
上記の「荷電変換膜のウランビーム荷電変換率評価１」と同様にして、表１のＮｏ．１〜４、および９に示す荷電変換膜１枚を用いて作製した固定式荷電変換膜と、その他のＮｏ．１１、１２、１４の荷電変換膜用いて作製した固定式荷電変換膜について、Ｕ⁶⁴⁺ビームが透過した後の、ウランビーム中の様々な価数のイオンの生成割合を測定した。結果を図５に示す。表１のＮｏ．１〜４、および９に示す荷電変換膜は、同等の単位面積あたり重量を持つアリゾナカーボン社（Ｎｏ．１４）、および蒸着法にて作製した荷電変換膜（Ｎｏ．１１、１２）よりも、最も生成率の高い価数の生成割合が高い。例えば表１のＮｏ．２の荷電変換膜（３．７ｍｇ／ｃｍ²）と、アリゾナカーボン社の荷電変換膜（Ｎｏ．１４、４．９ｍｇ／ｃｍ²）が同等レベルである。このことは、表１のＮｏ．２の荷電変換膜のほうが、同じ価数のイオンビームを必要とする際に、単位面積あたり少ない炭素原子の膜（薄い荷電変換膜）で構わないことを示している。なお、図４、５の生成率とは、各Ｎｏ．ごとに、生成したイオンの合計量を１としたときの、各価数のイオンの生成割合を意味する。

＜回転式荷電変換膜透過後のウランビーム収束性の評価＞
実施例４で作製した荷電変換膜Ｎｏ．１０を図３のアルミ製の円盤状ホルダーに挟み込んで図６に示すウランビーム用の回転式荷電変換膜とした。回転式荷電変換膜を円盤の中心を軸として５００ｒｐｍで回転させたが破れなど破壊されることはなく、良好な強度を示した。

同様に、Ｎｏ．１３の炭素膜及びベリリウム（比較例５）についても回転式荷電変換膜を作製して図１の１０ｂ位置にセットし、３００ｒｐｍで回転させながら上記と同様に５０ＭｅＶ/ｕ、２００〜３００ｅｎＡ、ビーム直径４〜５ｍｍのＵ(ウラン)⁶⁴⁺のＤＣビームを透過させた。透過後のイオン価数と生成率の関係を図７に示す。このように、Ｎｏ．１０の炭素膜は回転式荷電変換膜とした場合も、良好な荷電変換特性を示す。ビームの価数の分布幅が狭く、望みの荷数のイオンの発生強度が十分高いことが判る。これはＮｏ．１３の荷電変換膜（８５μｍグラッシーカーボンディスク）よりも変換効率が高いという点で優れており、８５μｍのベリリウムディスクと同等の結果である。また後述のように、Ｎｏ．１０の荷電変換膜の方が、ビーム照射に対する耐熱性という意味でベリリウムよりも優位である。

また、図１における１３ａ、１３ｂ位置でビームの収束性を評価した。ビームの収束性の評価には、タンタル製ワイヤーでビームを輪切りにしスキャンするプロファイルモニターという装置を使用した。ビームが触れたワイヤーの位置と、その際の電流値の関係をグラフで描き、その図を見比べることにより収束性を評価できる。ワイヤー製センサーのスキャンは、鉛直方向、水平方向、斜め４５度方向の３種類の方向で行った。ベリリウムディスク（比較例５）、Ｎｏ．１３の荷電変換膜、及びＮｏ．１０の荷電変換膜を通過後のＵ⁸⁶⁺ビームはベンディングマグネットの真空箱を通過してすぐ下流の１３ａ位置のプロファイルモニターと収束用電磁石後の１３ｂ位置のプロファイルモニターで測定される。ベンディングマグネットより下流側の収束用電磁石の設定値はある設定値に固定してあるので１３ｂでグラフの幅が狭ければより収束性は良であると判断される。Ｎｏ．９の荷電変換膜を用いた場合、１３ａ、１３ｂのどちらの位置でも検出した鉛直方向、水平方向、斜め４５度方向で示されるピークの幅は、ベリリウムディスク（比較例５）及びＮｏ．１３の荷電変換膜の場合より狭いかほぼ同等で、収束性の良いビームが得られていることがわかった。Ｕ⁸⁶⁺ビームは、１３ｂ位置よりも下流でリングサイクロトロン加速器ＩＲＣによりさらに加速される。Ｎｏ．１０の荷電変換膜を通過後のＵ⁸⁶⁺ビームは、リングサイクロトロン加速器ＩＲＣの外側まで良好に回り、高品質なＵ⁸⁶⁺ビームであることが証明された。

＜回転式荷電変換膜のビーム耐久性評価＞
上記記載の加速器にベリリウムディスクを取り付けた回転式荷電変換装置をセットしてビームを照射した場合、ビーム電流値の最高はＵ⁶⁴⁺で１２ｅμＡであり、約１０ｅμＡよりビーム電流値を増やすとベリリウムディスク（融点１２８７℃）の温度が上昇して熱によりディスクが変形した。そのためベリリウムディスク運転時はビーム電流値を８ｅμＡに抑えて使用する必要があった。

一方Ｎｏ．１０の荷電変換膜を使用した場合は、１３ｅμＡのビーム電流値にしても、膜の変形や、加熱による発光は確認できなかった。さらにベリリウムディスクを使用した場合の１．５倍以上のビーム電流値で２４時間以上の連続運転が可能であり、上記加速器における最大電流値１３ｅμＡでの運転が可能となった。

１０ａ、１０ｂ 荷電変換膜
１１ａ、１１ｂ ビーム収束用電磁石
１２ ベンディングマグネット
１３ａ、１３ｂ ビーム形状検出装置
１４ 入射イオンビーム
２０ 固定式荷電変換膜
２１ 荷電変換膜
２２ 固定式荷電変換膜用ホルダー
３０ 回転式荷電変換膜
３１ 荷電変換膜固定用基板
３２ 荷電変換膜支持基板
３３ 荷電変換膜
３４ 荷電変換膜固定用基板

Claims (17)

1. 高分子焼成法によって製造される炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とするイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
2. ２５℃における膜面方向の熱伝導度が３００Ｗ／ｍＫ以上である炭素膜であって、膜厚が１０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とするイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
3. 密度が０．９０ｇ／ｃｍ³以上、２．２６ｇ／ｃｍ³以下である請求項１または２に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
4. 単位面積当たりの重量が１．５ｍｇ／ｃｍ²以上、３０ｍｇ／ｃｍ²以下である請求項１〜３のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
5. 面積が４ｃｍ²以上である請求項１〜４のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
6. ２５℃における膜面方向の熱伝導度が２０Ｗ／ｍＫ以上である請求項１、３〜５のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
7. 炭素原子数濃度が９７％以上である請求項１〜６のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
8. 高分子フィルムを、不活性ガス雰囲気下、２４００℃以上で熱処理することによって得られる請求項１〜７のいずれかに記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
9. 前記高分子フィルムは、ポリアミド、ポリイミド、ポリキノキサリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリオキサジアゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズチアゾール、ポリキナゾリンジオン、ポリベンゾオキサジノン、ポリキナゾロン、ベンズイミダゾベンゾフェナントロリンラダーポリマーおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも一種である請求項８に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
10. 前記高分子フィルムは、芳香族ポリイミドである請求項９に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
11. 前記芳香族ポリイミドは、ピロメリット酸無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物のいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドである請求項１０に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
12. 前記芳香族ポリイミドは、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、ｐ−フェニレンジアミンのいずれか、または両方を原料に用いて得られるポリイミドである請求項１０または１１に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の荷電変換膜を複数枚積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の荷電変換膜と、高分子焼成法以外の方法で製造された荷電変換膜とを積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜。
15. 金属及び金属酸化物の少なくとも一層と、請求項１〜１２のいずれかに記載の荷電変換膜を積層したイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜。
16. 更に、配向性の異なる黒鉛層を積層した請求項１５に記載のイオンビーム荷電変換装置の荷電変換積層膜。
17. 請求項１〜１２のいずれかに記載の荷電変換膜を製造する方法であって、高分子フィルムを、不活性ガス雰囲気下、２４００℃以上で加熱することを特徴とするイオンビーム荷電変換装置の荷電変換膜の製造方法。

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