(57)【要約】  加速器のターゲットとして利用するにあたって十分な耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得るターゲットを実現する。本発明のターゲット（Ａ）は、金属膜（３）と、グラファイト膜（４）から構成される基板と、を有し、グラファイト膜（４）の面方向の熱伝導度は、１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の１００倍以上であり、グラファイト膜（４）の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイト膜から構成される基板と、を有し、加速された陽子を前記金属膜及び前記基板の面に衝突させて中性子を発生させるためのターゲットであって、
前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の１００倍以上であり、
前記グラファイト膜の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とするターゲット。
【請求項２】
前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であり、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のターゲット。
【請求項３】
前記基板は、前記グラファイト膜が複数枚積層されたグラファイト積層体から構成され、
前記基板の厚さは、１００μｍ以上、２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のターゲット。
【請求項４】
前記グラファイト積層体は、複数枚の前記グラファイト膜の加圧下での加熱による接合物、または加熱下での加圧による接合物であることを特徴とする請求項３に記載のターゲット。
【請求項５】
前記グラファイト膜は、１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項６】
前記グラファイト膜と前記金属膜とが直接接合された構造であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項７】
前記ターゲットを支持する支持枠を備えたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項８】
前記支持枠は、前記ターゲットを冷却する冷却機構を備えたことを特徴とする請求項７に記載のターゲット。
【請求項９】
陽子を加速するための加速器と、
請求項１〜８の何れか１項に記載のターゲットに対して、前記加速器によって加速された陽子を照射するための陽子照射部と、を備えたことを特徴とする中性子発生装置。
【請求項１０】
ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイトから構成される１または複数のグラファイト膜と、を有し、陽子を前記金属膜及び前記グラファイト膜の膜面にて衝突させ中性子を発生させるためのターゲットの製造方法であって、
前記グラファイト膜を、高分子膜を焼成することにより作製することを特徴とするターゲットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲット、ターゲットの製造方法、及び中性子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子は、結晶による中性子線の回折現象を利用した物質の結晶構造や磁気構造を知るための手段として、あるいはガン治療などの医療用途、等に使用されている。中でも、近年、選択的ながん治療としてホウ素中性子捕捉療法（ＢＣＮＴ：Boron Neutron Capture Therapy）が期待されており、その様な目的に使用される中性子発生装置の重要性が大きくなっている。例えば特許文献１には、ホウ素中性子捕捉療法のための中性子を発生するための加速器中性子源が開示されている。特許文献１に開示された加速器中性子源は、荷電粒子ビーム（陽子ビーム）が照射される板状の金属ターゲットと、金属ターゲットを冷却する冷却装置と、を備えている。そして、加速器により加速された荷電粒子ビームを板状の金属ターゲットに照射することにより中性子を発生させている。この金属ターゲットは、冷却装置によって冷却される。【０００３】
陽子ビームを照射し中性子を発生させるためのターゲットは、例えば、特許文献２〜５に開示されている。引用文献２〜５に開示されたターゲットは、非金属材料及びベリリウム若しくはリチウムから構成される複合型ターゲットであり、非金属材料として等方性高密度黒鉛が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９６３５３号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１９０６２号公報
【特許文献３】特開２０１２−１８６０１２号公報
【特許文献４】特開２０１２−２４３６４０号公報
【特許文献５】特開２０１３−２０６７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような、基板上に金属ターゲットが形成され、中性子を発生させるための従来のターゲットには、陽子ビームに対する耐久性・耐熱性が低いという問題がある。【０００６】
陽子ビームは、金属ターゲットに入射すると、金属ターゲットには、通常１０〜２０ＭＷ／ｍ２以上に及ぶ極めて大量の熱が発生する。すなわち、金属ターゲットを支持する非金属材料からなる基板には、照射される荷電粒子線に対する高い耐久性・耐熱性が要求される。しかし、従来の支持基板に使用される材料は、照射陽子ビームに対し十分な耐久性・耐熱性を有するとは言い難い。【０００７】
また、特に、高エネルギーの陽子ビームの照射による発熱量が極めて大きい場合、通常、冷却機構（例えば冷却水を流す流路）を備えたターゲットが用いられる。冷却機構を備えた金属板の材料には、アルミニウムが用いられる。アルミニウムの半減期は３０万年であり、極めて放射化の度合いが強い。強く放射化したターゲットは、人が取り扱うことができなくなるので、高エネルギーの陽子ビームの照射や連続使用が困難になる。【０００８】
この様な、放射化を低減するための手法として、ターゲット基板に放射化し難い炭素材料を用いる事が検討されており、具体例として、特許文献２、４、５には、等方性グラファイト材料（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ）、単結晶グラファイト、ＨＯＰＧ、ガラス状炭素、単結晶ダイヤモンド、エピタキシャルダイヤモンド、等が例示されている。しかしながら、現実的には中性子発生のためのターゲットには実用上必要な大きさである事が要求され、その大きさは、例えば直径１０ｍｍ〜５００ｍｍ程度である。この様な観点から上記特許文献において例示された炭素材料を見ると、単結晶グラファイト、ＨＯＰＧ、単結晶ダイヤモンド、エピタキシャルダイヤモンド等は、必要とされる面積、入手が困難である事、価格、等の面から見て現実的な素材でない事は明らかである。また、等方性グラファイト及びガラス状炭素は、前記面積の入手が可能な素材ではあるが、その熱伝導度は等方性グラファイトでせいぜい７０〜１５０Ｗ／ｍＫ、ガラス状炭素では１０Ｗ／ｍＫ程度であり、そのため熱が基板内部に蓄積されて温度が上昇し、その耐久性が低下すると言う課題があった。その対策として、基板を厚くし、等方性グラファイトの場合では２ｍｍ〜５０ｍｍ程度の厚さの基板を用いる必要があった。この様な等方性グラファイト基板の必要厚さは、耐久性の観点とガン治療に有害な速中性子減速材としての観点、から選択される。【０００９】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、陽子ビームの照射により発生する大量の熱に対し、十分な耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得る、従来よりも遥かに薄いターゲット、ターゲットの製造方法、及び中性子発生装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様のターゲットは、少なくとも、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイト膜から構成される基板と、を有し、加速された陽子を、前記金属膜及び前記基板面に衝突させて中性子を発生させるためのターゲットであって、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の１００倍以上であり、前記グラファイト膜の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴としている。【００１１】
本発明の他の態様のターゲットの製造方法は、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイトから構成される１または複数のグラファイト膜と、を有し、陽子を前記金属膜及び前記グラファイト膜の膜面にて衝突させ中性子を発生させるためのターゲットの製造方法であって、前記グラファイト膜を、高分子膜を焼成することにより作製することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様のターゲットは、陽子ビームの照射に対し十分な耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得るという効果を奏し、さらには、従来のターゲットに比べて非常に薄くする事が可能であるので、より低い加速エネルギーの陽子ビームによって、ガン治療などの医療用途として最適な低エネルギーの熱・熱外中性を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係るターゲット（Ａ）の概略構成を示す断面図である。グラファイト膜のａ−ｂ面はターゲット基板の膜面方向に形成されており、膜面方向に熱は拡散する。
【図２】本発明の実施形態１に係る保持のための枠機構を備えたターゲット（Ｂ）の概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る保持のための枠構造と冷却機構を備えたターゲット（Ｃ）の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るターゲット（Ｄ）の概略構成を示す概略図である。
【図５】Ｂｅｔｈｅの式（３）に基づく阻止能と粒子の運動エネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】複数枚のグラファイト膜の積層によって膜厚を制御したターゲット基板（Ｅ）の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
〔実施形態１〕
上述のとおり、従来、金属ターゲットを支持する基板として、炭素材料、等方性グラファイト、アルミニウム（Ａｌ）等が用いられてきた。特に、放射化の程度が比較的小さく、かつ真空中にて３０００℃の耐熱性を有するグラファイトは理想的な材料であり、従来、炭素基板として等方性グラファイト材料が用いられてきた。しかしながら、等方性グラファイト基板は、先に述べた理由により高エネルギーの陽子ビームに対し十分な耐久性・耐熱性を有するとは言い難く、より高い耐久性を持つターゲットが強く要望されていた。
【００１５】
そこで、本願発明者らはグラファイト材料の熱伝導特性に異方性を持たせ、ターゲット面方向の熱伝導率を高くすることによって、ターゲット基板上で発生した熱を速やかに拡散させる事を考えた。これによってターゲット基板の温度上昇を防ぎ、陽子ビームの照射に対し十分な耐久性・耐熱性を有する支持基板の開発を目指して鋭意開発を行なった。
【００１６】
その結果、特定の特性を有し、かつ所定の寸法としたグラファイトを用いることにより、放射化の程度を小さくするとともに、陽子ビームの照射に対し十分な耐久性・耐熱性を有する支持基板を開発することに成功した。具体的には、グラファイトの熱伝導特性に異方性を持たせ、ターゲット面方向の熱伝導度を高くする事で発生する熱を速やかに拡散させて、基板の温度上昇を防止する。
【００１７】
このような本発明のグラファイト基板では、従来の等方性グラファイト基板等において必要とされていた基板の厚さよりも遥かに薄い膜でも、ターゲット基板として十分な耐久性を有する事が分かった。薄いターゲット基板とする事の最大のメリットは、従来よりも低い加速エネルギーの陽子ビームの照射によって、有害性の低い低エネルギーの熱中性子・熱外中性子を効率的に発生させる事が出来る点にある。この様な熱中性子・熱外中性子はガン治療などの医療用途として有用である。また、低加速エネルギーの陽子ビームを用いる第二のメリットとして、陽子ビームによるターゲットの放射化の程度を抑制できること、第三のメリットとして加速器自体を小型化できること、を挙げる事ができる。
【００１８】
通常は、陽子ビームの加速エネルギーが小さくなると、その様なビーム照射による発熱量も減少するだろうと考えられるが、加速ビーム照射による発熱の場合にはそうではなく、陽子ビームの加速エネルギーが低い場合でも、エネルギーが高い場合と全く同様な耐熱性が要求される。これについては後に詳しく解説するが（陽子ビームの加速エネルギーと発熱の項）、グラファイト基板の膜厚を小さくすると、物理的な強度が弱くなるのみでなく、陽子ビームの照射による単位体積あたりの熱負荷は大きくなるので、要求される耐久性・耐熱性に関しては同等の性能が要求されるのである。そのため、厚みの薄い炭素・あるいはグラファイトは中性子発生基板としては耐えられない、と考えることが従来の知見となっていた。
【００１９】
しかしながら、本願発明者らは、独自の研究を重ねることにより、熱伝導度等の諸特性に優れたグラファイト膜を製造する技術を確立し、さらに１００μｍ〜１μｍの範囲であれば基板としての機械的強度も実現できる事を発見した。
【００２０】
本願発明者らは、さらに研究開発を進め、驚くべきことに、かかるグラファイト膜であれば厚さ１００μｍ以下であっても、陽子ビーム照射による熱負荷にも耐え得るという新規知見を見出した。この様な極めて薄いグラファイト膜が厚い膜と同等の高い耐熱特性を持つ理由は、放熱が固体の熱伝導のみによるのではなく、輻射による放熱効果が大きくなり、熱容量の小さなグラファイト薄膜を有効に冷却し得ることによると考えられる。
【００２１】
このような薄いターゲットを用いれば、先に述べたように加速エネルギーの低い陽子ビーム（２ＭｅＶ〜６ＭｅＶ程度）を用いる事も可能であり、それによってターゲットの放射化の程度を小さくする事ができる。さらには、この様な低加速エネルギーの陽子で作製した中性子線は有害な速中性子を含まないために、ガン治療などの医療用の中性子発生ターゲット、あるいは装置として最適なものとなる。かかる知見に基づく本願発明の技術思想は、従来の知見を覆すものであり、従来の知見から予測できるものではなく、本願発明者らが独自に完成させたものである。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２３】
図１に示されるように、本実施形態に係るターゲット（Ａ）は、金属膜３と、グラファイト膜４と、からなり、陽子ビーム１を金属膜３及びグラファイト膜４の膜面にて衝突させ中性子２を発生させるためのものである。金属膜３の表面とグラファイト膜４の表面とは、境界面を介して接している。これにより、陽子ビームの衝突による核反応熱を２種類の材料に分担させることができる。
【００２４】
（金属膜３について）
陽子ビームを膜面にて衝突させる金属膜３は、ベリリウム材料またはリチウム材料により構成されている。これにより、低エネルギーの陽子ビームとの衝突によって、低エネルギーの中性子２を発生させることができる。
【００２５】
具体的には、金属膜３がベリリウム材料により構成されている場合、３ＭｅＶ〜１１ＭｅＶの陽子ビームの衝突により、核反応９Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応を起こさせることができる。また、金属膜３がリチウム材料により構成されている場合、２ＭｅＶ〜４ＭｅＶの陽子ビームの衝突により、核反応６Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応または７Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応を起こさせることができる。
【００２６】
ここでいう「ベリリウム材料」とは、ベリリウム元素の単一元素材料、ベリリウム化合物、ベリリウム合金、及びベリリウム複合材料のことを意味する。また、「リチウム材料」とは、リチウム元素の単一元素材料（リチウム元素の単体金属であり、以後、リチウムという）、リチウム化合物、リチウム合金、及びリチウムの複合材料のことを意味する。ここで、ベリリウム、ベリリウム化合物、ベリリウム合金、及びベリリウム複合材料をベリリウム材料と総称し、リチウム、リチウム化合物、リチウム合金、及びリチウム複合材料をリチウム材料と総称したのは、中性子発生の原理が、特定元素における特有の核反応に基づいているからである。すなわち、ターゲットへの加速陽子ビームの照射による中性子発生の原理は、陽子ビームとターゲットに含まれている特定元素の原子との物理的な核反応に基づくものであるので、ターゲットが特定元素の化合物及び複合材料である場合も、該特定元素の単体の場合と同様の核反応によって中性子を生ずるからである。すなわち、本発明では、ベリリウムやリチウム以外に、ベリリウム化合物、ベリリウム合金、及びベリリウム複合材料、リチウム化合物、リチウム合金、及びリチウム複合材料を用いることができる。ターゲット材料として上記特定元素の化合物や複合材料を用いる場合には、該化合物や複合材料に含まれる特定元素（ベリリウム元素及びリチウム元素のこと）以外の元素が陽子や中性子による放射化を受けないような、また副生水素原子との反応によって有害物質を生じないような元素であることが望ましい。このような元素としては、例えば、炭素、ケイ素、窒素、りん、酸素、硫黄等を挙げることができるが、これらに限定するものではない。
【００２７】
金属膜３におけるグラファイト膜４と反対側の表面は、陽子の進行方向に対面している。このように配置した構成では、金属膜３の厚さを陽子の理論的飛程よりも薄くすることによって、陽子が金属膜３を通過する過程で一部の陽子による核反応を起こさせ、残りの陽子による核反応をグラファイト膜４の通過過程で起こすように設計することができる。したがって、核反応による熱負荷が一種類の材料に集中することがないので、材料が負担する熱負荷を軽減することができる。
【００２８】
ターゲット（Ａ）における金属膜３の厚さは、陽子のベリリウムまたはリチウム中での理論的飛程よりもかなり薄くすることができる。なぜなら、グラファイト膜４が金属膜３の支持材及び冷却材として機能し、金属膜３及びグラファイト膜４の各材料が負担する熱負荷を軽減されるからである。
【００２９】
例えば、１１ＭｅＶの陽子のベリリウム中での理論的飛程は約０．９４ｍｍである。それゆえ、ターゲット基板をベリリウム材料からなる金属膜３のみにより構成した場合、ベリリウム材料からなる金属膜３は１ｍｍ以上の厚みが必要であった。一方、本実施形態に係るターゲット（Ａ）における金属膜３は、１ｍｍよりもかなり薄くすることが可能である。金属膜３がベリリウム材料からなる場合、金属膜３の厚さは、好ましくは１０μｍ以上であり１ｍｍ未満である。さらに好ましくは、金属膜３の厚さは、２０μｍ以上であり０．５ｍｍ以下である。金属膜３の厚さが１０μｍ未満である場合、耐熱性が低下する。
【００３０】
また、１ＭｅＶの陽子のリチウム中での理論的飛程は約２ｍｍである。それゆえ、金属膜３がリチウム材料からなる場合、ターゲット（Ａ）における金属膜３は、２ｍｍよりもかなり薄くすることが可能である。金属膜３がリチウム材料からなる場合、金属膜３の厚さは、好ましくは１０μｍ以上であり１ｍｍ未満である。さらに好ましくは、金属膜３の厚さは、２０μｍ以上であり０．５ｍｍ以下である。金属膜３の厚さが１０μｍ未満である場合、耐熱性が低下する。
【００３１】
また、金属膜３における陽子の照射面の表面積は、陽子の出力設定に応じて適宜設定することができる。通常、ターゲット基板の単位面積当たりの熱負荷の最大値は、陽子の出力を陽子の照射面積で割った値とみなされる。それゆえ、金属膜３の表面からの除熱能力は、ターゲット（Ａ）の熱負荷以上に設計される。例えば、ＢＮＣＴ等の医療用の中性子を発生するために必要な陽子の出力は、最大約３０ｋＷであると試算されているので、例えば、ターゲットとなる金属膜の表面積が３０ｃｍ２であるとすると、熱負荷は、約１０ＭＷ／ｍ２になる。この熱負荷は、中性子生成ターゲットとなる金属膜として厚さ１ｍｍ、表面積３０ｃｍ２のベリリウム膜を用いた場合、ベリリウムの温度を毎秒約３０００℃上昇させるのに等しい熱負荷である。
【００３２】
金属膜３の表面積は、上述した大きな熱負荷を低減させるために、陽子の進行方向に対して垂直な平面積以上の値にすることが好ましい。例えば、金属膜３の表面積を陽子の進行方向に対して垂直な平面積の２倍に出来れば、金属膜３の照射平面積当たりの熱負荷を２分の１以下に軽減することができる。金属膜３の表面積を大きくするには、例えば、金属膜３表面に凹凸を施す、表面に凹凸のある基板としてのグラファイト膜４に金属膜３を担持させる、金属膜３を粉末加工する、等の方法によって可能である。金属膜３がベリリウム材料から構成されている場合、ベリリウム材料の表面加工は、例えば、レーザーアブレーション、エッチング、鋳型成形、等の方法によって可能である。なお、ここでいう「平面積」とは、金属膜３における陽子の照射面を平面としたときの、該平坦面の面積を意味する。
【００３３】
このように、本実施形態では、金属膜３と、グラファイト膜４と、からなるターゲット（Ａ）に対し、低エネルギーの陽子を衝突させることによって中性子を発生させている。金属膜３がベリリウム材料から構成されている場合、ターゲット（Ａ）における金属膜３側では核反応９Ｂｅ（ｐ，ｎ）反応が起きる。金属膜３がリチウム材料から構成されている場合、ターゲット（Ａ）における金属膜３側では核反応６Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応または７Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応が起こる。また、ターゲット（Ａ）におけるグラファイト膜４側では核反応１２Ｃ（ｐ，ｎ）反応が起きる。
【００３４】
（グラファイト膜４について）
本実施形態において、金属膜３を支持する基板（以下、ターゲット基板ともいう）は１μｍ以上、１００μｍ以下という薄いグラファイト膜４である。グラファイト膜４は、熱容量が小さいので、エネルギーロスが低減し、中性子の発生効率が向上する。
【００３５】
グラファイト膜４は、照射陽子及び発生中性子による放射化を軽減して、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を発生させる上で好適な材料である。グラファイトは、中性子発生効率が高く且つ放射化されにくい材料であり、熱・熱外中性子の吸収が少なく、中性子減速効果が高い。
【００３６】
グラファイト膜４は、膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、厚さが、１μｍ以上、１００μｍ以下であれば、その他の構成は特に限定されない。かかるグラファイト膜４は、ターゲットして必要な機械的強度を有し、かつ、膜面方向に高い熱伝導性を有しているので、好ましい。なお、ここでいう膜厚とは、グラファイト膜４の陽子の進行方向における長さをいう。
【００３７】
この様な金属膜３とグラファイト膜４とからなるターゲット（Ａ）は、従来のターゲットよりも遥かに薄いにもかかわらず、陽子ビーム１の照射に対し十分な耐久性・耐熱性を有している。かかるターゲットにおいては、発生した中性子を減速させる効果は低いが、それゆえに低エネルギーの陽子ビーム１の照射によって、所望の低エネルギーの熱・熱外中性子を得る事が可能になる。
【００３８】
また、金属膜３、およびその周辺の部材が放射化している場合、中性子発生装置からターゲット（Ａ）を取出すと作業者が被曝するおそれがあり、さらに、これらの部材が放射化した場合、その放射性廃棄物としての処理などが問題となる。しかしながら、本発明のターゲットであれば、中性子発生のために低エネルギーの陽子ビームの利用が可能となるので放射化の程度を画期的に低減する事ができる。
【００３９】
（グラファイト膜４の製造方法）
本実施形態におけるグラファイト膜４の製造方法は、特に限定されないが、例えば、高分子膜を焼成等の熱処理することによって、グラファイト膜４を作製する方法が挙げられる。この方法では大面積膜状のグラファイトの作製が可能であり、例えば、３００ｍｍΦの面積の膜も容易に作製する事が出来る。したがって、ターゲット基板として上記特許文献に記載されているＨＯＰＧ、単結晶グラファイト、ダイヤモンドなどの炭素材料と比較して、実用的な観点からは全く問題のない製造方法である。
【００４０】
本実施形態の一例のグラファイト膜４の製造方法は、芳香族ポリイミドフィルムを炭化する炭化工程と、炭化した芳香族ポリイミドフィルムを黒鉛化する黒鉛化工程とを含む。
【００４１】
＜炭化工程＞
炭化工程は、出発物質である芳香族ポリイミドフィルムを減圧下もしくは窒素ガス中で予備加熱処理して炭化を行う。炭化の熱処理温度としては、５００℃以上である事が好ましく、より好ましくは６００℃以上、７００℃以上で熱処理することが最も好ましい。
【００４２】
＜黒鉛化工程＞
黒鉛化工程では、炭化したポリイミドフィルムを一度取り出した後、黒鉛化用の炉に移し変えてから黒鉛化を行ってもよいし、炭化から黒鉛化を連続的に行ってもよい。黒鉛化は、減圧下もしくは不活性ガス中で行われるが、不活性ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが適当である。熱処理温度（焼成温度）としては２４００℃以上、好ましくは２６００℃以上、更に好ましくは２８００℃以上まで処理するとよい。
【００４３】
炭素化処理の過程や黒鉛化過程ではシワが発生する事がある。しかし、本発明の用途には、このシワは全く問題にならない。先に述べた様に、グラファイト膜４をターゲット（Ａ）の基板として使用する場合、むしろグラファイト膜４にシワがある方が、シワによる表面凹凸により金属膜３の表面積が増大する。その結果、陽子ビーム１の照射面積が向上し、中性子発生効率が上がるので好ましい。
【００４４】
上記の方法によれば、良好なグラファイト配向性・結晶性を有し、かつ熱伝導性に優れたグラファイト膜４を得ることができる。
【００４５】
本実施形態で使用する高分子膜は、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリパラフェニレンビニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリベンゾビスイミダゾール、芳香族ポリチアゾールのうちから選ばれた少なくとも一種類以上の高分子フィルムである。特に、本実施形態におけるグラファイト膜４の原料フィルムとして好ましいのは、芳香族ポリイミドフィルムである。
【００４６】
（グラファイト膜４の膜面方向の熱伝導度）
本実施形態におけるグラファイト膜４の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがさらに好ましい。
【００４７】
膜面方向の熱伝導度が１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜４を用いれば、より高い放熱性を有するグラファイト積層体を得ることができる。膜面方向の熱伝導度が１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜４は、金属膜３に比べて遥かに高い熱伝導性を有しているので、金属膜３において発生する熱をすみやかに膜面方向に拡散して、冷却機能もつ枠（図３、図４参照）へ導くことができる。
【００４８】
また、グラファイト膜４は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度と比較して１００倍以上大きい異方性（配向性）を有していることが好ましい。
【００４９】
グラファイト膜４の膜面方向の熱伝導度は、次式（１）によって算出する。
【００５０】
Ａ＝α×ｄ×Ｃｐ    ・・・・（１）
ここで、Ａは、グラファイト膜４の膜面方向の熱伝導度、αはグラファイト膜４の膜面方向の熱拡散率、ｄはグラファイト膜４の密度、Ｃｐはグラファイト膜４の比熱容量をそれぞれ表わしている。なお、グラファイト膜４の膜面方向の密度、熱拡散率、および比熱容量は、以下に述べる方法で求める。
【００５１】
グラファイト膜４の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたサンプルについて重量および厚さを測定し、測定された重量の値を算出された体積の値（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ）にて割ること、により算出する。
【００５２】
グラファイト膜４の比熱容量は、エスアイアイナノテクノロジー株式会社製の熱分析システムである示差走査熱量計ＤＳＣ２２０ＣＵを用い、２０℃から２６０℃まで１０℃／ｍｉｎの昇温条件下で測定する。
【００５３】
なお、グラファイト膜４の膜厚方向の熱伝導度は、上記式（１）において、αをグラファイト膜４の膜厚方向の熱拡散率として、同様に算出することができる。
【００５４】
ここで、グラファイト膜４の膜面方向の熱拡散率は、グラファイト膜４の厚さが３μｍを超える場合には、市販の光交流法に基づく熱拡散率測定装置（例えば、アルバック理工（株）社の「ＬａｓｅｒＰｉｔ」）を用いて測定することができる。例えば、４ｍｍ×４０ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜４のサンプルについて、２０℃の雰囲気下、レーザー周波数１０Ｈｚにおいて測定する。一方、グラファイト膜４の厚さが３μｍ以下である場合、グラファイト膜４の膜面方向の熱拡散率は、市販の装置での正確な測定は難しいので、新たに開発した周期加熱法によって測定する。
【００５５】
また、グラファイト膜４の膜厚方向の熱拡散率はレーザーによるパルス加熱法によって測定する。この方法では膜の片方の面に照射したレーザーによる加熱後の膜裏面における温度応答（温度変化）を測定し、温度が一定温度に達するまでの時間（ｔ）のハーフタイム（ｔ1/2）を以下の式（２）を用いて算出する。
【数１】
2017183693.tif 000003
式（２）において、αは熱拡散率、τ0は熱拡散時間、ｄは試料厚さ、ｔ1/2はハーフタイム、0.1388は用いた装置の装置定数である。
【００５６】
（グラファイト膜４の厚さ）
本実施形態におけるグラファイト膜４の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であり、より好ましくは２μｍ以上、１００μｍ以下であり、特に好ましくは１０μｍ以上、１００μｍ以下である。この様な厚さの場合、基板として十分な機械的強度を有し、面方向の高い熱伝導特性（１５００Ｗ／ｍＫ、以上）を実現することができる。
【００５７】
グラファイト膜４の厚さは、次の方法で測定する。厚さゲージ（ハイデンハイン（株）社製、ＨＥｌＤＥＮＨ：ＡＩＮ−ＣＥＲＴＯ）を用い、５０ｍｍ×５０ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜４のサンプルについて、２５℃の恒温室にて任意の１０点における厚さを測定し、当該測定値の平均値として、グラファイト膜４の厚さを算出する。
【００５８】
（グラファイト膜４の膜面方向の電気伝導度）
本実施形態におけるグラファイト膜４の膜面方向の電気伝導度は、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１７０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１８０００Ｓ／ｃｍ以上であることが最も好ましい。
【００５９】
また、グラファイト膜４は、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上である異方性（配向性）を有していることが好ましい。
【００６０】
グラファイト膜４の電気伝導度は、４探針法で定電流を印加（例えば、（株）三菱化学アナリテック製ロレスタＧＰ）することによって測定する。
【００６１】
（グラファイト膜４の密度）
グラファイト膜４の密度は、高いほど自己支持性、機械的強度特性に優れるので好ましい。また、グラファイト膜４の密度が高いほど荷電粒子線との相互作用が高くなり、中性子の減速効果が高くなる。また、高密度のグラファイト膜４では、構成するグラファイト層間に隙間がないために、熱伝導度が高くなる傾向がある。グラファイト膜４の密度が低い場合、荷電粒子線の減速効率が悪く、さらに構成するグラファイト層間の空気層の影響により熱伝導度も低下してしまうため好ましくない。また、空気層としての空洞部分では、熱伝導性が悪くなることにより熱が蓄積しやすくなる、あるいは、加熱による温度上昇により空洞部分に存在する空気層の膨張が起こると考えられる。それゆえ、低密度のグラファイト膜４は劣化・破壊しやすい。これらのことから、グラファイト膜４の密度は大きいことが好ましい。具体的には、１．６０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．７０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．００ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．１０ｇ／ｃｍ３以上が最も好ましい。また、グラファイト膜４の密度の上限について、グラファイト膜４の密度は、理論値である２．２６ｇ／ｃｍ３以下であり、２．２５ｇ／ｃｍ３以下であってもよい。
【００６２】
グラファイト膜４の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜４のサンプルについて、重量および厚さを測定し、測定された重量の値を、算出された体積の値（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ）にて割ることにより、算出する。
【００６３】
（グラファイト膜４の機械的強度）
グラファイト膜４の機械的強度は、膜厚が１００μｍ以下である場合には、そのＭＩＴ耐屈曲試験によって推定する事ができる。ＭＩＴ試験における屈曲回数は、５００回以上が好ましく、より好ましくは１０００回以上、更に好ましくは２０００回以上であるとよい。グラファイト膜４のＭＩＴ耐屈曲試験は次のとおり行う。１．５×１０ｃｍの試験片３枚を抜き出す。東洋精機（株）製のＭＩＴ耐揉疲労試験機型式Ｄを用いて、試験荷重１００ｇｆ（０．９８Ｎ）、速度９０回／分、折り曲げクランプの曲率半径Ｒは２ｍｍで行う。２３℃の雰囲気下、折り曲げ角度は左右へ１３５度で切断するまでの折り曲げ回数を測定する。
【００６４】
なお、本実施形態において１００μｍ以上の厚さのグラファイト基板は十分な機械的強度を有しており、機械的強度は問題にならない。
【００６５】
（ターゲットの構成）
図１に示されるように、本実施形態に係るターゲット（Ａ）は、金属膜３の表面とグラファイト膜４の表面とが境界面を介して接している構造を有する。すなわち、グラファイト膜４と金属膜３とが直接接合された構造である。このような構造は、金属膜３が比較的厚い場合には、例えば、グラファイト膜４の片面にベリリウムをホットプレスやＨＩＰ処理を施すことによって作製することができる。また、金属膜３が比較的薄いベリリウムの場合には、例えば、グラファイト膜４の片面にベリリウムを蒸着することによって作製することができる。
【００６６】
また、図２は、本実施形態に係るターゲットの変形例を示す断面図である。図２に示されるように、変形例１としてのターゲット（Ｂ）は、ターゲット支持枠５を備えている。ターゲット支持枠５は、少なくともグラファイト膜４の周縁部を支持する枠であり、金属により構成されていることが好ましい。金属が好ましい理由は、機械的強度、熱伝導性、及び耐久性に優れた材料であるためである。
【００６７】
このように、変形例１のターゲット（Ｂ）は、ターゲット支持枠５により支持された構成である。それゆえ、ターゲット（Ｂ）を容易に着脱可能とするカートリッジ型構造（カセット型構造）とすることができる。また、ターゲット支持枠５が金属からなる場合、ターゲット（Ｂ）にて発生する熱を、ターゲット支持枠５を通して、容易に別途設けられた冷却機構へ導くことができる。
【００６８】
また、図３は、本実施形態に係るターゲットの他の変形例を示す断面図である。図３に示されるように、変形例２としてのターゲット（Ｃ）では、ターゲット支持枠５内部に、冷却機構としての冷媒流路６が設けられている。また、冷媒流路６に流す冷媒として冷却水等の熱伝導性が高い液体、あるいは気体が用いられる。
【００６９】
このように、ターゲット支持枠５内部に冷媒流路６が設けられているので、ターゲット（Ｃ）に発生する熱は、ターゲット支持枠５に設けられた冷却機構として冷媒流路６によって速やかに冷却される。それゆえ、ターゲット（Ｃ）の耐久性が向上すると共に核反応の効率が上がる。
【００７０】
また、図４は、本実施形態に係るターゲットのさらに他の変形例を示す断面図である。図４に示すように、本実施形態に係る変形例３としてのターゲット（Ｄ）におけるグラファイト膜４は、所望に応じて、外部に露出した全面が放射線耐性・耐腐食性の金属材料膜７により被覆されていてもよい。金属材料膜７の材料としては、例えばチタン等が挙げられる。図４に示す構成によれば、ターゲット（Ｄ）全体を真空下に置くことにより、大気に接することによる酸化性の雰囲気での酸化劣化を防止することができる。
【００７１】
（陽子ビームの加速エネルギーと発熱）
ターゲット（Ａ）〜（Ｄ）、及び後述する実施形態２のターゲット（Ｅ）においては、荷電粒子としての陽子はグラファイト膜４を通過するが、標的物質（ここではグラファイト膜４）の荷電粒子（陽子）に対する衝突阻止能（エネルギー損失）は、下記のＢｅｔｈｅの式（３）によって表される。
【数２】
2017183693.tif 000004
ここで、ｅは電子の素電荷、ｍは電子の質量、ｖは電子の速度、ｚは入射粒子の核電荷数、Ｚは標的物質の原子番号、Ｎは標的物質の単位体積中の原子数、Ｉは標的物質の平均励起ポテンシャル、βはｃを光速度としてｖ／ｃを表す。
【００７２】
図５は、Ｂｅｔｈｅの式（３）に基づく阻止能と粒子の運動エネルギーとの関係を示すグラフである。図５に示されるように、標的物質の荷電粒子に対する衝突阻止能（エネルギー損失）は、粒子の運動エネルギーが低いＡからＢまで阻止能が増加し、Ｂにて最大になる。そして、ＢからＣまでＩ／ｖ２に比例して減少し、Ｃにて最小になる。そして、ＣからＤまで、Ｂｅｔｈｅの式（３）の対数項が実効的になり、緩やかに増加する。
【００７３】
本発明の対象となる陽子は、Ｂ〜Ｃのエネルギー範囲にある荷電粒子線であり、比較的低エネルギーである。Ｂにおける荷電粒子線のエネルギーはＭｅＶオーダー（例えば２ＭｅＶ）であり、ＣにおけるエネルギーはＧｅＶオーダー（例えば３ＧｅＶ）である。そして、Ｂにおける標的物質の阻止能は、Ｃにおける標的物質の阻止能と比較して１００倍程度高い。
【００７４】
発明の主要用途であるガン治療やＢＮＣＴ（ホウ素中性子補足療法）用の小型加速器のエネルギー領域１〜１００ＭｅＶにおいては、粒子エネルギーの増加に従って阻止能は低下する。従って、より低いエネルギーの粒子はターゲットに入射後、狭いターゲット領域でエネルギーを失い熱となる。すなわち、阻止能の大きな低エネルギー領域でのターゲットの単位体積あたりの基板の熱負荷は、高エネルギー領域の粒子照射による熱負荷よりも大きくなる。すなわち、加速陽子ビーム照射による発熱は陽子ビームの加速エネルギーが小さくなっても低減されず、従って低エネルギー陽子ビーム照射の場合でも、ターゲットに対する高い耐久性が要求される。
【００７５】
（中性子発生方法）
本実施形態に係る中性子発生方法では、ターゲットに対し低エネルギーの陽子を真空下で衝突させることによって、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を発生させる。本実施形態では、ターゲットとして、上述した特性を有するグラファイト膜４、及び該グラファイト膜４の片面に付着された厚さ１０μｍ以上１ｍｍ未満の金属膜３から構成される基板を用いる。これにより、本実施形態に係る中性子発生方法は、重金属に比べ放射化のレベルを低減でき、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子の発生効率を小さくする事が出来る。また、核反応に伴う熱負荷をグラファイト基板によって軽減できるので、冷却機構をコンパクトにすることができる。
【００７６】
金属膜３がベリリウムにより構成されている場合、本実施形態における中性子発生方法において使用する陽子の加速エネルギーは３ＭｅＶ以上１１ＭｅＶ未満であることが好ましく、より好ましくは４ＭｅＶ以上８ＭｅＶ以下である。陽子の加速エネルギーが３ＭｅＶ未満であると中性子の発生効率が著しく低下するので、本発明において使用する陽子の加速エネルギーは３ＭｅＶ以上であることが好ましい。また、陽子の加速エネルギーが１１ＭｅＶ以上であると部材の放射化が著しくなるだけでなく、速中性子の発生が多くなったり、毒性の高いトリチウム等の放射性物質が副生することもあるので、陽子の加速エネルギーは１１ＭｅＶ未満であることが好ましい。部材の放射化を低減させ、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された低エネルギー中性子を選択的に発生するためにより好ましい陽子の加速エネルギーは、４ＭｅＶ以上８ＭｅＶ以下である。
【００７７】
また、金属膜３がリチウムにより構成されている場合、本実施形態における中性子発生方法において使用する陽子の加速エネルギーは２ＭｅＶ以上４ＭｅＶ以下であることが好ましい。リチウムの７Ｌｉ（ｐ，ｎ）反応の閾値が約２ＭｅＶであるため、陽子の加速エネルギーが２ＭｅＶ未満であると中性子の発生効率が著しく低下する。また、陽子の加速エネルギーが４ＭｅＶを超えると部材の放射化が著しくなるだけでなく、速中性子の発生が多くなるので、陽子の加速エネルギーは４ＭｅＶ以下であることが好ましい。
【００７８】
なお、本実施形態に係る中性子発生方法において、陽子のターゲットへの衝突は真空下で行う。
【００７９】
本実施形態において、ターゲット表面に形成された金属膜３の表面は陽子の進行方向に対面するように設ける事が好ましい。これは、最初に陽子と金属との核反応を起こすためである。
【００８０】
本実施形態における中性子発生方法によって発生させることができる中性子は、熱中性子又は熱外中性子を多く含む低エネルギー中性子である。低エネルギー中性子とは、有害且つ放射化能の高い速中性子が低減された中性子のことである。速中性子は、熱中性子又は熱外中性子に比べてエネルギーが二桁以上高いので生物学的に有害であり且つ放射化能が極めて高い。中性子の種類には、速中性子、熱外中性子、熱中性子、及び冷中性子がある。これらの中性子は、エネルギー的に明確に区分されているものではなく、炉物理、遮へい、線量計測、分析、医療などの分野によってエネルギー区分が異なる。例えば、原子力防災基礎用語によれば、「速中性子とは、中性子のうち、大きな運動量をもつものを速中性子（高速中性子）とよび、炉物理、遮へい、線量計測などの分野によってこの値は異なるが、０．５ＭｅＶ以上を速中性子というのが一般的である」と記述されている。また、医療分野では熱外中性子とは、１ｅＶ〜１０ｋｅＶの範囲の中性子というのが一般的であり、熱中性子とは、０．５ｅＶ以下の中性子というのが一般的である。本発明でいう低エネルギー中性子とは、０．５ＭｅＶ以上の速中性子が低減された中性子のことをいう。照射陽子のエネルギーが８ＭｅＶを超えると０．５ＭｅＶ以上の中性子が含まれることもあるが、その程度は従来の一次中性子に比べてかなり低減することができる。
【００８１】
（中性子発生装置）
本実施形態に係る中性子発生装置は、ターゲットと、水素イオン発生器と、線形加速器と、陽子照射部とを備えている。中性子発生装置における陽子を発生させるための加速器は、線形加速器である。従来は、ターゲットに衝突させるための陽子として１１ＭｅＶ以上の高エネルギー陽子を用いるためにシンクロトロンやサイクロトロン等の大型加速器が用いられていた。本実施形態では、主に２ＭｅＶ以上１１ＭｅＶ未満の陽子を用いるので、線形加速器でも十分に所要とする大電流の陽子を発生することができる。
【００８２】
線形加速器の一端には水素イオン発生器が設けられている。水素イオン発生器からの水素イオンは荷電粒子変換膜を通して加速空洞に入射し、加速される。
【００８３】
水素イオン発生器は、特に限定されるものではなく、従来のプロトン発生器、負水素イオン発生器、等を用いることができる。加速空洞としては、高周波加速空洞、ＤＣ加速空洞、常伝導加速空洞、超伝導加速空洞等を用いることができる。
【００８４】
陽子ビーム照射部は、線形加速器における水素イオン発生器と反対側に設けられている。陽子ビーム照射部は、線形加速器とターゲットとの間に配されている。陽子照射部としては、特に限定されるものではなく、従来の四重極電磁石及び偏向電磁石を備える陽子照射部を用いることができる。
【００８５】
線形加速器にて加速された陽子は、線形加速器の先端部に連結された陽子照射部に導かれ、陽子照射部の先端に設けられたターゲットに衝突する。この衝突を経て低エネルギー中性子が発生する。
【００８６】
上述したように、ターゲット（Ｂ）〜（Ｄ）は、金属膜３、グラファイト膜４、および冷却機能を兼ねたターゲット支持枠５を備えた構成となっている。それゆえ、金属膜３、グラファイト膜４、およびターゲット支持枠５が一体化したカートリッジ型構造とすることが可能である。本実施形態に係る中性子発生装置は、カートリッジ型構造を有するターゲット（Ｂ）〜（Ｄ）が半自動脱着構造を有する真空フランジを介して陽子照射部の先端部分に設けられた構成であってもよい。これにより、ターゲットの劣化に際して、新品との着脱交換を遠隔操作によって簡易に行うことができる。
【００８７】
また、ターゲット（Ａ）〜（Ｄ）では低エネルギー陽子ビームに使用が可能である事から、有害な速中性子の発生が低減されるので、本実施形態では発生中性子を減速させるための減速機構が小型化できる。したがって、本実施形態に係る中性子発生装置は、ＢＮＣＴ等の医療用の中性子を発生するための医療用中性子発生装置として、小規模の医療機関においても設置可能である。
【００８８】
また、従来のターゲット基板よりもはるかに薄いターゲット基板が実現できれば、より小型の加速器を用いて（すなわち、より加速エネルギーの低い陽子ビームを用いて）、中性子を発生させる事が可能になる。この様な低エネルギー陽子によって発生させた中性子は、ガン治療用として有害性な速中性子を含まない。したがって、本発明のターゲットによって、ガン治療に有益な低エネルギーの熱中性子・熱外中性子を発生させ、同時にターゲットの放射化を低減させることができる。このような本発明の特徴は、ガン治療用の中性子発生ターゲットとして画期的である。
【００８９】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図６は、本実施形態に係るターゲット（Ｅ）の概略構成を示す断面図である。図６に示されるように、本実施形態に係るターゲット（Ｅ）は、金属膜３を支持する基板が、グラファイト膜４が積層されたグラファイト積層体８である点が、前記実施形態１と異なる。照射される加速陽子ビームのエネルギーが比較的高く、照射による発熱量が極めて大きい場合、本実施形態のように、金属膜３を支持する基板をグラファイト積層体８により構成してもよい。
【００９０】
グラファイト膜４の膜厚は、１μｍ以上、１００μｍ以下である。グラファイト積層体８は、複数のグラファイト膜４を加圧下での加熱による接合、または加熱下での加圧による接合により作製することが可能である。すなわち、グラファイト積層体８は、複数枚のグラファイト膜４の加圧接合物または加熱接合物である。このように、金属膜３を支持する基板がグラファイト積層体８により構成されているので、陽子ビームの照射に対する耐久性・耐熱性が増す。
【００９１】
ターゲット基板としてのグラファイト積層体８の膜厚は、１００μｍ以上、２０ｍｍ以下であり、より好ましくは２００μｍ以上、１０ｍｍ以下である。
【００９２】
また、本実施形態にかかるターゲット（Ｅ）においても、必要に応じて、図６に示されるように、冷却機構としての冷媒流路６を備えたターゲット支持枠５が取り付けられている事が好ましい。
【００９３】
ここで、実施形態２の様に複数のグラファイト膜４を積層することは、加速陽子ビームのエネルギーが比較的高い場合に有用である。加速陽子ビームのエネルギーが高くターゲットが薄すぎる場合には陽子ビームがターゲットを通過してしまう。そのために中性子生成効率が著しく低下するばかりで無く、発生した中性子と陽子ビームが混在することになり好ましくない。さらに、陽子ビームが遮断されるような場合でも、高エネルギーの陽子ビームを用いて中性子を発生させる場合には、ガン治療などの医療用途には有害な速中性子が混じることがある。ターゲット基板は、この様な中性子を減速させる役割も担う場合もあるため、中性子発生用ターゲットには、照射する陽子ビームのエネルギーと発生させる中性子の使用目的にあった厚さのターゲットとする必要がある。
【００９４】
本実施形態２では、厚さ１μｍ〜１００μｍの範囲の複数枚のグラファイト膜４を積層して作製するので、基本的に熱伝導や電気伝導特性を損なう事が無く、基本的にどの様な厚さのターゲット基板の作製も可能であり、極めて優れた方法であるといえる。
【００９５】
（圧着積層の方法）
複数枚のグラファイト膜４を積層して、希望する厚さの基板を作製する方法は、特に制限はないが、基板が極めて高い温度に曝されることを考えると、複数枚のグラファイト膜４を、接着剤を用いる事無く、直接加圧・加熱処理によって圧着してグラファイト積層体８を形成することが好ましい。加圧・加熱の条件については、十分な接合強度を持つグラファイト積層体８を形成することができれば特に制限はないが、加熱の温度は２００℃〜３０００℃の範囲、印加圧力は１０４パスカル以上であり、真空、またはアルゴンや窒素などの不活性ガス中にて加圧・加熱を行うことが好ましい。特に、加圧しながら加熱する、あるいは加熱しながら加圧することは積層体作製の方法として好ましい。また、グラファイト積層体８に用いられるグラファイト膜４は必ずしも完全にグラファイト化されたものである必要はなく、６００℃以上、より好ましくは８００℃以上、最も好ましくは１０００℃以上の温度で炭素化した膜であっても構わない。このように炭素化した膜を積層し、例えば２８００℃以上の温度で加熱、加圧すれば目的のターゲット基板を得ることができる。
【００９６】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【００９７】
〔まとめ〕
本発明の一実施形態に係るターゲットは、少なくとも、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイト膜から構成される基板と、を有し、加速された陽子を、前記金属膜及び前記基板面に衝突させて中性子を発生させるためのターゲットであって、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の１００倍以上であり、前記グラファイト膜の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴としている。
【００９８】
上記の構成によれば、前記基板はグラファイト膜から構成されているので、基板の放射化の程度を小さくする事ができる。また、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度と比較して１００倍以上大きいので、陽子ビームの照射によって発生する熱を速やかに冷却部に移動させる事が出来るため、十分な耐久性を有している。
【００９９】
また、前記グラファイト膜の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下である。この様な厚さを有するグラファイト膜は、非常に薄いにも関わらず、金属膜を支持する基板としての必要な機械的強度を具備している。
【０１００】
さらに、この様な薄いターゲットであれば、従来よりも加速エネルギーの低い低放射化の陽子ビームを用いて、医療用途に最適な低エネルギーの熱中性子・熱外中性子を発生させる事が出来る。
【０１０１】
本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて、前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であり、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であることが好ましい。
【０１０２】
電気伝導度の測定は、熱伝導度特性の測定と比べて極めて容易であり、電気伝導特性と熱伝導特性は良く比例しているので、電気伝導特性の測定によって、グラファイト膜の基板としての性能を適正に管理することができる。
【０１０３】
本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて、前記基板は、前記グラファイト膜が複数枚積層されたグラファイト積層体から構成され、前記基板の厚さは、１００μｍ以上、２０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１０４】
上記の構成によれば、前記基板は、前記グラファイト膜が複数枚積層されたグラファイト積層体から構成されているので、熱伝導特性を損なうことなく、より厚い基板を実現することができる。このような、複数枚のグラファイト膜からなる基板は、従来の等方性グラファイトからなる基板よりも薄いにも関わらず、十分な耐久性を有している。これによって比較的高いエネルギーの陽子ビーム照射に対する耐久性、耐熱性が向上し、現在もっぱら医療用に使用されているエネルギー領域の陽子ビームのみならず、さらに高いエネルギーの陽子ビームを用いた中性子発生に対応することができる。
【０１０５】
また、本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて、前記グラファイト積層体は、複数枚の前記グラファイト膜の、加圧下での加熱による接合物、または加熱下での加圧による接合物であることが好ましい。
【０１０６】
これによって、接着剤等を使用する事無く厚い基板が得られるので、陽子ビームの照射に対する耐久性、耐熱性が向上し、低放射化を実現することができる。
【０１０７】
本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて、前記グラファイト膜の密度は、１．６０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【０１０８】
本発明のターゲットにおいて、前記グラファイト膜と前記金属膜とが直接接合された構造であることが好ましい。換言すると、前記グラファイト膜に積層された金属からなる金属膜を含むことが好ましい。ここでいう「前記グラファイト膜に積層された金属からなる金属膜」は、前記グラファイト膜に直接接合された金属膜を意味する。
【０１０９】
本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて、前記ターゲットを支持する支持枠を備えたことが好ましい。
【０１１０】
上記の構成によれば、前記ターゲットを支持する支持枠を備えたので、ターゲットの機械的強度、耐久性を向上させることができる。
【０１１１】
本発明の一実施形態に係るターゲットにおいて前記支持枠は、前記ターゲットを冷却する冷却機構を備えたことが好ましい。
【０１１２】
これにより、陽子ビームの照射によりターゲットに熱が発生すると、支持枠の冷却機構によって速やかに冷却されるので、ターゲットの耐久性が向上すると共に核反応の効率が上がる。
【０１１３】
本発明の一実施形態に係る中性子発生装置は、陽子を加速するための加速器と、上述のターゲットに対して、前記加速器によって加速された陽子を照射するための陽子照射部と、を備えたことを特徴としている。
【０１１４】
これにより、陽子ビームの照射に対し十分な耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得る中性子発生装置を実現することができる。
【０１１５】
本発明の一実施形態に係るターゲットの製造方法は、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイトから構成される１または複数のグラファイト膜と、を有し、陽子を前記金属膜及び前記グラファイト膜の膜面にて衝突させ中性子を発生させるためのターゲットの製造方法であって、前記グラファイト膜を、高分子膜を焼成することにより作製することを特徴としている。
【０１１６】
上記の構成のように、高分子膜を焼成することにより、前記特性（熱伝導度、電気伝導度、機械的強度、等）を持ち、１μｍ〜１００μｍの範囲の厚さのグラファイト膜を得ることができる。これにより、陽子ビームの照射に対し十分な耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得るターゲットの製造方法を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、例えば、ＢＮＣＴ等の医療用の中性子を発生するための医療用中性子発生装置に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１            陽子ビーム（陽子）
２            中性子
３            金属膜
４            グラファイト膜（基板）
５            ターゲット支持枠（支持枠）
６            冷媒流路（冷却機構）
７            金属材料膜
８            グラファイト積層体
（Ａ）〜（Ｅ）  ターゲット
【図１】
2017183693.tif 000005
【図２】
2017183693.tif 000006
【図３】
2017183693.tif 000007
【図４】
2017183693.tif 000008
【図５】
2017183693.tif 000009
【図６】
2017183693.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月6日(2018.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ベリリウム材料またはリチウム材料から構成される金属膜と、グラファイト膜から構成される基板と、を有し、加速された陽子を前記金属膜及び前記基板の面に衝突させて中性子を発生させるためのターゲットであって、
前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の１００倍以上であり、
前記グラファイト膜の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とするターゲット。
【請求項２】
前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１に記載のターゲット。
【請求項３】
前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であり、膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のターゲット。
【請求項４】
前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１８０００Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載のターゲット。
【請求項５】
前記基板は、前記グラファイト膜が複数枚積層されたグラファイト積層体から構成され、
前記基板の厚さは、１００μｍ以上、２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項６】
前記グラファイト積層体は、複数枚の前記グラファイト膜の加圧下での加熱による接合物、または加熱下での加圧による接合物であることを特徴とする請求項５に記載のターゲット。
【請求項７】
前記グラファイト膜は、２．００ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項８】
前記グラファイト膜のＭＩＴ耐屈曲試験における屈曲回数は、１０００回以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項９】
前記グラファイト膜と前記金属膜とが直接接合された構造であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項１０】
前記ターゲットを支持する支持枠を備えたことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のターゲット。
【請求項１１】
前記支持枠は、前記ターゲットを冷却する冷却機構を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のターゲット。
【請求項１２】
陽子を加速するための加速器と、
請求項１〜１１の何れか１項に記載のターゲットに対して、前記加速器によって加速された陽子を照射するための陽子照射部と、を備えたことを特徴とする中性子発生装置。
【国際調査報告】
2017183693.tif 000011
2017183693.tif 000012
2017183693.tif 000013
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