(57)【要約】  十分な遮蔽性、耐久性、耐熱性を有し、放射化の程度を小さくし得るビーム強度変換膜を実現する。アッテネータ（１）は、膜面が荷電粒子ビーム（Ｘ）のビーム軸と交差するように配されたグラファイト膜から構成され、グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上である。
2017188117.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、
膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であることを特徴とするビーム強度変換膜。
【請求項２】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、
膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の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ビーム強度変換膜。
【請求項３】
各グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１に記載のビーム強度変換膜。
【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、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする特徴とする請求項２に記載のビーム強度変換膜。
【請求項５】
前記グラファイト膜の開口率が１〜８０％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項６】
前記グラファイト膜の密度は、１．７０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項７】
前記グラファイト膜が複数枚積層された積層体からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項８】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有し、１または複数のグラファイト膜から構成されたビーム強度変換膜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ビーム強度変換膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム強度変換膜、及びビーム強度変換膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サイクロトロン等の、様々な荷電粒子ビームを生成する加速器では、荷電粒子ビームのサイズ調整や広範囲なビーム強度の制御が要求される。そして、この要求に対し、荷電粒子ビームのサイズを小さくするスクレーバ、荷電粒子ビームの強度を減衰させるアッテネータ等といった、開口部を有するビーム強度変換膜が用いられる。【０００３】
例えば、特許文献１には、低速陽電子生成のための減速材として、金属メッシュからなるアッテネータが開示されている。この金属メッシュは、タングステンからなる。【０００４】
また、特許文献２には、黒鉛状あるいはアモルファス炭素等の非ダイヤモンド状炭素とダイヤモンド状炭素との両方を含む自己支持多層フィルムが開示されている。【０００５】
また、ビーム強度変換膜を構成する材料として、上述のタングステンの他に、チタン等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２６２９９号公報
【特許文献２】特表２００９−５３０４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような従来技術には、（１）荷電粒子ビームに対する強度変換膜の耐久性が低い、（２）荷電粒子ビームによる強度変換膜や周辺機器の放射化をどの様に低減するか、という問題がある。【０００８】
一般的に、ビーム強度変換膜として、耐久・耐熱性の観点からチタン、タングステン等の金属膜、また、放射化し難いという観点から炭素部材が使用されることが多い。ここで放射化とは強度変換膜自体の放射化のみでなく、ビーム強度変換膜からの反射ビームによる周辺機器の放射化のことも意味する。強く放射化したビーム強度変換膜や周辺機器は、人が取り扱うことができなくなるので、放射化の程度が進まない間に加速器を停止し、ビーム強度変換膜を交換する必要がある。これは、実質的な加速器の駆動時間が短くなる事につながる。【０００９】
また、加速器におけるビーム強度変換膜（アッテネータやスクレーバ）にはビーム照射による温度上昇に対する高い耐久性が要求される。例えば、アッテネータは設置場所や開口率に応じて要求される耐久性は様々であり、そのビーム強度変換膜の交換頻度もまた様々である。例えば、開口率５０％のアモルファス炭素からなるアッテネータは、ウランビームの照射により、極めて短時間で破壊されるため、変換膜の交換頻度が高くなる。交換頻度が高くなる事は実質的な加速器の駆動時間が短くなることにつながる。【００１０】
このような荷電粒子ビームに対する強度変換膜の耐久性に関する課題は、ビーム強度変換膜が特許文献２に記載されたような炭素部材によって構成されている場合には特に大きな問題である。すなわち、炭素からなるビーム強度変換膜の最大の課題は、その耐久性にある。【００１１】
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、放射化の程度を小さくし得る炭素からなり、荷電粒子ビームに対し十分な耐久性を有しするビーム強度変換膜、及びビーム強度変換膜の製造方法を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様のビーム強度変換膜は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であることを特徴としている。【００１３】
また、本発明の他の態様のビーム強度変換膜は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の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している。【００１４】
また、本発明の他の態様のビーム強度変換膜の製造方法は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有し、１または複数のグラファイト膜から構成されたビーム強度変換膜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】
【００１５】
本発明の態様によれば、荷電粒子ビームに対し十分な耐久性を有し、放射化の程度を小さくし得るビーム強度変換膜を提供できるという効果を持つ。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態１に係るビーム強度変換膜としてのアッテネータの概略構成を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は荷電粒子ビームの出射方向からみた正面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係るビーム強度変換膜としてのスクレーバの概略構成を示す断面図である。
【図３】Ｂｅｔｈｅの式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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述のとおり、従来、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜として、放射化の程度が比較的小さいといわれるアモルファス炭素等の炭素部材が用いられることもあった。しかし、アモルファス炭素を原材料として作製したビーム強度変換膜は耐久性の観点から全く不満足な強度変換膜であった。荷電粒子ビームをビーム強度変換膜に入射させる際には非常に大きな熱負荷がかかる。例えば、アモルファス炭素から構成される開口率５０％のビーム強度変換膜は、高エネルギーのウランビームの照射により、ほとんど瞬時に破壊される。
【００１８】
さらに、アモルファス炭素膜は、その機械的強度が低いため、自己支持膜とするためには、例えば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜等との多層膜とするなどの工夫が必要であった。このような多層膜の作製例では、特許文献２に記載されているように、(i) 研磨基板上に水溶性剥離層を形成、(ii) アモルファス炭素層の堆積、(iii) ＤＬＣ層の堆積、(iv) アモルファス炭素層の堆積、(v) 水中で基板から多層膜を剥離、(vi) 多層膜の乾燥、などの複雑な工程が必要となる。
【００１９】
そこで本願発明者らは、炭素からなるが自己支持性や機械的強度に優れ、上述した熱負荷にも十分に耐える様な高い耐久性を持つビーム強度変換膜の開発、を目指して鋭意開発を行なった。
【００２０】
その結果、特定の特性と厚さを有するグラファイトを用いることにより、優れた自己支持性と機械的強度を有し、さらに熱負荷に対しても十分な耐久性を持つと共に放射化の程度を小さくできるビーム強度変換膜の開発に成功した。
【００２１】
まず、加速器用強度変換膜はもっぱら真空中で使用される事から、真空中で３０００℃以上の高い耐熱特性を有するグラファイトを用いる事、さらに強度変換膜の膜面方向の熱伝導度、あるいは電気伝導度特性が一定以上の異方性を持つ事、を目安とした高結晶性・高配向性を有するグラファイトとすることで本発明を成すに至った。また、このグラファイト膜の熱伝導・電気伝導の物性値、および厚さを所定範囲内とすることで、荷電粒子ビームに対する十分な遮蔽性、十分な機械的特性の課題を解決し得るという知見を見出し、本願発明を完成させた。
【００２２】
ビーム強度変換膜の放射化と強度変換膜によるビームの反射の程度は、ビーム強度変換膜に用いられる材料（元素）に関係する。例えば、軽元素である炭素（原子番号１２）は、チタン（原子番号２２）やタングステン（原子番号７４）に比べて、ビーム変換膜自体の放射化や荷電粒子ビーム反射の程度を低減させることができる。さらに、本発明者の検討により、荷電粒子ビーム反射の程度は、ビーム強度変換膜の温度にも関係し、ビーム強度変換膜の温度が高いと荷電粒子ビーム反射の程度が大きくなる、と言う新規な知見を得る事が出来た。すなわち、ビーム強度変換膜は、荷電粒子ビーム照射により温度が上昇するが、この温度上昇によってビーム強度変換膜による荷電粒子ビーム反射の程度が大きくなる。一方で、ビーム強度変換膜の温度上昇を抑える事が出来れば、荷電粒子ビームの反射を抑える事が出来ると考えられるのである。
【００２３】
すなわち、我々は本発明のグラファイト膜であれば、従来のチタンやタングステンなどの金属膜はもちろんのこと、アモルファス炭素膜と比較しても周辺機器の放射化の程度を小さくし得るという新規知見を見出した。すでに述べたように、チタンやタングステンなどの金属膜に比べて、炭素元素のみからなる本発明のグラファイト強度変換膜が放射化の点で優れているという効果は、膜の構成元素の効果であるので、予想された通りである。一方、アモルファス炭素膜と比較しても、本発明のグラファイト膜は、その周辺機器に対する放射化の程度を低減できる。これは、先に述べたビーム強度変換膜の荷電粒子ビーム反射の程度が膜の温度上昇に依存する事を見つけた事によっている。すなわち、ビーム強度変換膜の温度を低く抑えることができれば、強度変換膜からの荷電粒子ビーム反射が低減できると言う全く新しい知見によるものである。本発明のグラファイト膜は、アモルファス炭素膜と比較して熱伝導性に優れるために熱拡散性能に優れるばかりでなく、さらに放熱の多くが輻射による機構よっても起きるために、グラファイト膜自体の温度が上り難いと言う特徴がある。そのため、結果的に荷電粒子ビームの反射を少なくし、周辺機器の放射化の程度を抑えることができる。本発明のかかる知見に基づく本願発明の技術思想は、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。
【００２４】
また、イオンビーム等の荷電粒子ビームの強度を目的の強さに制御する場合、荷電粒子ビームの強度によってビームを遮蔽するために必要なグラファイト膜の膜厚と、ビームを通過させるための開口部を精密に制御することが好ましい。本発明であれば、どのような膜厚のグラファイト膜も作製可能であり、さらに機械的強度に優れている事からレーザー等による精密な開口部形成も容易であり、極めて優れた方法であると言える。
【００２５】
なお、ここでいうビーム強度変換膜は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部が設けられ、入射してくる荷電粒子ビームの強度と出射する荷電粒子ビームの強度とが異なる構成であればよい。このようなビーム変換膜として、例えば、荷電粒子ビームのエネルギーを減衰させるアッテネータ、荷電粒子ビームのビームサイズを調整するスクレーバ等が挙げられる。
【００２６】
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るアッテネータ（ビーム強度変換膜）１の概略構成を示し、図１の（ａ）は断面図であり、図１の（ｂ）は荷電粒子ビームの出射方向からみた正面図である。
【００２７】
図１の（ａ）に示されるように、本実施形態に係るアッテネータ１には、荷電粒子ビームＸが通過可能な開口部１ａが形成されている。アッテネータ１は、入射してくる荷電粒子ビームＸのビーム強度を減衰するための膜であり、膜面が荷電粒子ビームＸの光軸と交差するように配置されている。また、アッテネータ１は、１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は１μｍ以上である。アッテネータ１は、開口部１ａが形成されていない部分にて荷電粒子ビームＸを遮蔽するので荷電粒子が通過しないように、ある程度の膜厚が必要である。完全に遮蔽するのに必要なグラファイト膜の厚さは荷電粒子ビームＸの強度によって異なる。ビーム強度が高い場合には、完全に遮断するために必要なグラファイト膜の厚さは厚くなり、ビーム強度が低い場合には必要な厚さは薄くなる。比較的強度が低い１ＭｅＶ程度のビームであれば１μｍ以上の膜厚のグラファイト膜によって、荷電粒子ビームＸを有意に遮蔽することが可能である。
【００２８】
荷電粒子ビーム源（不図示）から出射された荷電粒子ビームＸは、アッテネータ１に入射すると、開口部１ａが形成された部分ではアッテネータ１を通過する。一方、アッテネータ１における開口部１ａが形成されていない部分では遮蔽される。このように、荷電粒子ビームＸは、開口部１ａを通過するビーム成分がアッテネータ１から出射される。それゆえ、荷電粒子ビームＸは、アッテネータ１によりビーム強度が減衰される。なお、荷電粒子ビームＸは、アッテネータ１の開口部を通過後しばらくは強度ムラのある状態であるが、その後均一な分布となり、目的通りに減衰されたビーム強度が得られることになる。
【００２９】
ここで、アッテネータ１による荷電粒子ビームＸの減衰の程度は、アッテネータ１の開口率（アッテネータ１の膜面の面積に対する開口部１ａの割合）に依存する。それゆえ、アッテネータ１の開口率は、目的とする荷電粒子ビームＸのビーム強度に応じて適宜設定可能である。アッテネータ１を構成するグラファイト膜の強度等を考慮すると、アッテネータ１の開口率は、１〜８０％で設定可能である。
【００３０】
また、図１の（ｂ）に示されるように、アッテネータ１の開口部１ａは、スリット状（簾状）に形成されている。なお、開口部１ａは、アッテネータ１における荷電粒子ビームＸの入射側と出射側とを貫通する構成であればよく、図１の（ｂ）に示されるような構成に限定されない。開口部１ａは、例えば、パンチ穴のような貫通穴や網目状の構造であってもよい。
【００３１】
また、開口部は、複数枚のアッテネータによって構成されていてもよい。例えば、図１に示す開口部１ａを有するアッテネータ１を複数枚用いた場合、アッテネータ１同士の相対的な配置を変更することにより、開口率を調節することが可能となる。
【００３２】
一例として、スリット状の開口部１ａを有するアッテネータ１を２枚用いた場合について説明する。ここでは、アッテネータ１の開口率を５０％とし、互いの開口部１ａが一致するように調整している。この様な場合、２枚のアッテネータ１を相対回転させ、互いの開口部１ａの角度を変更させることにより、開口率を調節することができる。２枚のアッテネータ１の互いの開口部１ａが直角になるように、２枚のアッテネータ１を配置したとき、開口率は２５％となる。それゆえ、互いの開口部１ａが一致するように２枚のアッテネータ１を用いた場合には、２枚のアッテネータ１を相対回転させることにより、２５％と５０％との範囲内でその開口率を調節する事ができる。
【００３３】
また、互いの開口部１ａが互い違いになるように２枚のアッテネータ１を調整した場合、すなわち、一方のアッテネータ１の開口部１ａと他方のアッテネータ１の開口部１ａ以外の部分（遮蔽部）とが一致するように２枚のアッテネータ１を調整した場合、開口率は０％であるが、２枚のアッテネータ１を相対回転させることにより、０％と２５％との範囲内で開口率を調節することができる。
【００３４】
（アッテネータ１を構成するグラファイト膜について）
アッテネータ１を構成するグラファイト膜は、非開口部では荷電粒子ビームＸを遮蔽し、荷電粒子が通過しないように、ある程度の膜厚が必要である。１μｍを超える膜厚のグラファイト膜であれば、低エネルギーの荷電粒子ビームＸを有意に遮蔽することが可能である。一方、より高いエネルギーの荷電粒子ビームを完全に遮蔽するためには、さらに厚い膜厚が必要となる。その様な場合には、本実施形態にて使用される複数枚のグラファイト膜を積層して加圧下加熱などの方法により、より厚い膜を作製する方法が有効である。一般的に、本実施形態に使用されるような高い配向性と結晶性とを有する厚いグラファイト膜を作製することは極めて難しいが、本実施形態に使用するグラファイト膜を複数枚積層する事により、高い配向性や結晶性を有し、１００μｍ以上の厚さを有するアッテネータを作製する事ができる。
【００３５】
本実施形態におけるグラファイト膜は、高い結晶性・配向性を有し、その構成するグラファイトのＢａｓａｌ（網）面がグラファイト膜の膜面と並行に並ぶことが特徴である。このような配向性は、グラファイト膜の熱伝導性によって評価することができる。本実施形態におけるグラファイト膜は、膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であることを特徴としており、２０倍を越えていれば、その他の構成は特に限定されない。
【００３６】
また、アッテネータ１を構成するグラファイト膜は１μｍ以上の厚さであり、その配向性はグラファイト膜の電気伝導性によっても評価することができる。本実施形態におけるグラファイト膜は、膜面方向の電気伝導度が電気方向の熱伝導度の１００倍以上であることを特徴とする。１００倍を越えていればその他の構成は特に限定されない。
【００３７】
なお、熱伝導度と比較して電気伝導度の測定は極めて容易であるため、電気伝導度の特性はグラファイト膜の性能を管理する上で極めて有効な方法となる。
【００３８】
アッテネータ１を構成するグラファイト膜の開口率は１〜８０％である。開口率がこの範囲内であれば、開口形状、及び開口方法は、特に限定されない。
【００３９】
また、アッテネータ１を構成するグラファイト膜は、高い放熱特性、高耐久性、優れた機械的強度の観点から、その膜面方向の熱伝導度が１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。かかるグラファイト膜は、強度が高く、かつ、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、アッテネータ１の荷電粒子ビームＸの透過方向における長さをいう。
【００４０】
アッテネータ１を構成するグラファイト膜は、高品質、高耐久性、優れた機械的強度の観点から、その膜面方向の電気伝導度が１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００４１】
また、加速器において、アッテネータ１の交換頻度は、開口率や設置場所等に応じて様々である。交換時にアッテネータ１や周辺機器が放射化している場合、作業者が被曝するおそれがある。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。アッテネータ１の発熱量が使用時に大きくなると、発熱により放射化の度合いが強くなり、アッテネータ１だけでなくその周辺の部材が放射化される。そのため、アッテネータ１の高い放熱性により荷電粒子ビームＸ照射時の発熱を防ぐことは、アッテネータ１の寿命を単に延ばすというだけでなく、周辺機器の放射化を防ぐという観点からも非常に重要である。
【００４２】
（グラファイト膜の製造方法）
本実施形態におけるグラファイト膜の製造方法は、特に限定されないが、例えば、高分子膜を熱処理することによって、グラファイト膜を作製する方法が挙げられる。具体的には、本実施形態の一例のグラファイト膜の製造方法は、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。
【００４３】
＜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℃以上であることが好ましく、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。炭素化処理の過程で、出発高分子フィルムにシワが発生しないように、フィルムの破損が起きない程度にフィルムの厚み方向に圧力、またはフィルム面と並行方向に引張り張力を加えてもよい。
【００４４】
＜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、最も好ましくは３０００℃以上まで処理するとよい。なお、黒鉛化工程において、フィルムの厚み方向に圧力を加えてもよく、フィルム面と平行方向に張力を加えてもよい。
【００４５】
上記の方法によれば、良好なグラファイト結晶構造を有し、かつ、熱伝導性、電気伝導性に優れたグラファイト膜を得ることができる。
【００４６】
本実施形態で使用する高分子膜は、炭化処理もしくは黒鉛化処理、またはこれら処理の両方によって膜方向と膜厚方向との熱伝導度や電気伝道度の異方性が上述した範囲であるグラファイト膜に変換できるものであれば、特に限定されない。例えば、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、ポリベンゾ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ことが好ましい。特に、本実施形態におけるグラファイト膜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。
【００４７】
（グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度）
本実施形態で使用するグラファイト膜における膜面方向と膜厚方向との熱伝導度の異方性は２０倍以上であり、３０倍以上であることはより好ましく、５０倍以上であることは最も好ましい。ここでいう「膜面方向と膜厚方向との熱伝導度の異方性」とは、膜厚方向の熱伝導度に対する膜面方向の熱伝導度の比率（膜面方向の熱伝導度／膜厚方向の熱伝導度）である。
【００４８】
膜面方向の具体的な熱伝導度については、１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、１２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、１４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがさらに好ましい。
【００４９】
膜面方向の熱伝導度が１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜を用いれば、より高い放熱性を有するグラファイト膜を得ることができる。膜面方向の熱伝導度が１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上のグラファイト膜は、金属材料（例えば、銅、アルミなど）に対して、２．５〜４倍以上の熱伝導性を有することになる。
【００５０】
グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、次式（１）によって算出する。
【００５１】
Ａ＝α×ｄ×Ｃｐ    ・・・・（１）
ここで、Ａは、グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度、αは、グラファイト膜の膜面方向の熱拡散率、ｄは、グラファイト膜の密度、Ｃｐは、グラファイト膜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。
【００５２】
グラファイト膜の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜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）にて除することにより算出する。
【００５３】
グラファイト膜の比熱容量は、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した。
【００５４】
なお、グラファイト膜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。
【００５５】
ここで、グラファイト膜の膜面方向の熱拡散率は、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」）を用いて測定した。例えば、４ｍｍ×４０ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜のサンプルについて、２０℃の雰囲気下、レーザー周波数１０Ｈｚにおいて測定した。
【００５６】
また、グラファイト膜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。
【００５７】
【数１】
2017188117.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。
【００５８】
（グラファイト膜の厚さ）
本実施形態におけるグラファイト膜の膜厚は、１μｍ以上である。より好ましくは２μｍ以上、１ｍｍ以下であり、特に好ましくは３μｍ以上、５００μｍ以下である。このような膜厚の場合、荷電粒子ビームを照射した場合でも、アッテネータ１の温度上昇を抑えることができ、結果的に周辺機器が放射化し難いため好ましい。高分子焼成法によって本実施形態の範囲の物性を有し、しかも５０μｍ以上の厚さを有するグラファイト膜を作製することは難しい。このような場合には、複数枚のグラファイト膜を加圧すればよい。また、圧着してより厚いグラファイト膜を作製することも有効である。例えば、２００μｍの厚さのグラファイト膜を作製するためには、５０μｍの厚さのグラファイト膜４枚を加圧・圧着すればよく、１０枚を加圧・圧着する事により５００μｍの厚さのグラファイト膜を作製する事が出来る。
【００５９】
グラファイト膜の厚さは、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、グラファイト膜の厚さを算出する。
【００６０】
（グラファイト膜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の膜面方向の電気伝導度は、特に限定されないが、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１４０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１６０００Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましく、１８０００Ｓ／ｃｍ以上であることが最も好ましい。
【００６１】
また、グラファイト膜は、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。
【００６２】
グラファイト膜の電気伝導度は、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。
【００６３】
（グラファイト膜の密度）
本実施形態におけるグラファイト膜の密度は、特に限定されないが、１．７０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．９０ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、２．００ｇ／ｃｍ３以上がより好ましい。グラファイト膜の密度が１．６０ｇ／ｃｍ３以上であれば、グラファイト膜自体の自己支持性、機械的強度特性に優れるので好ましい。
【００６４】
また、グラファイト膜の密度が高いほど荷電粒子ビームとの相互作用する割合が高くなるため、アッテネータとしての効果に優れる。また、高密度のグラファイト膜では、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。グラファイト膜の密度が低い場合、荷電粒子ビームの減衰効率が悪く、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、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は劣化・破壊しやすい。また、グラファイト膜の密度が高い場合、荷電粒子ビームは、グラファイト膜を通過するとき、散乱しにくい。このため、グラファイト膜が積層された場合でも、高密度のグラファイト膜では荷電粒子ビームが散乱しにくい。これらのことから、グラファイト膜の密度は大きいことが好ましい。具体的には、１．７０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．８０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、１．９０ｇ／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以上がより好ましい。また、グラファイト膜の密度の上限について、グラファイト膜の密度は、理論値である２．２６ｇ／ｃｍ３以下であり、２．２４ｇ／ｃｍ３以下であってもよい。
【００６５】
グラファイト膜の密度は、１００ｍｍ×１００ｍｍの形状に切り取られたグラファイト膜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）にて除することにより、算出する。
【００６６】
（開口部の形成）
本実施形態のビーム強度変換膜を構成するグラファイト膜の開口率は、１％〜８０％の範囲であることが好ましい。開口率は、上記好ましい範囲内であれば特に限定されないが、２％〜７０％の範囲であることがより好ましく、５％〜６０％の範囲であることがさらに好ましく、１０％〜５０％の範囲であることが最も好ましい。
【００６７】
また、開口部の形成方法は、特に制限されず、必要に応じてレーザー等による加工、機械的な加工等を用いれば良い。中でも、炭素からなるグラファイトはレーザー加工によって、所望の形状や開口率の開口部を形成することができる。レーザーによる加工は空気中で行なう事が好ましく、空気中で行う事により炭素は炭酸ガスとして散逸し、容易に開口部を形成する事ができる。加工に用いられるレーザーはグラファイトの加工が可能であれば特に制限はない。
【００６８】
開口部の形状についても、特に限定されず、上述した簾状、穴状、網目状など自由に選択できる。
【００６９】
（グラファイト膜の機械的強度）
本実施形態のグラファイト膜は機械的な強度の点からも優れている。本発明のグラファイト膜は自立膜として用いられるが、グラファイト膜は金属製の枠に貼り付けて、あるいは金属製の２枚の枠に挟んで用いる事ができる。
【００７０】
また、機械的強度が問題となる膜厚１μｍ〜５０μｍの範囲のグラファイト膜の評価法の一つが耐屈曲試験である。上記の範囲のグラファイト膜のＭＩＴ耐屈曲試験における屈曲回数は、１００回以上が好ましく、より好ましくは２００回以上、更に好ましくは５００回以上、特に好ましくは１０００回以上であるとよい。
【００７１】
グラファイト膜の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。
【００７２】
なお、図１に示される構成では、アッテネータ１は、１つのグラファイト膜から構成されていた。しかし、アッテネータ１は、複数のグラファイト膜から構成されていてもよい。
【００７３】
アッテネータ１は、より高エネルギーの荷電粒子ビームＸの照射に対し耐久性がある膜厚とするために、グラファイト膜の積層体であってもよい。このような積層体は、上述の方法により製造された膜厚１〜５０μｍの複数のグラファイト膜を、プレス圧着等の方法により積層することにより作製することができる。これにより、面方向の熱伝導度等の優れた特性を有する、５０μｍ以上の膜厚のアッテネータ１を実現することができる。
【００７４】
この積層体からなるビーム強度変換膜の厚さは、特に制限されない。通常１００μｍ以上の厚さのビーム強度変換膜を作製するために、積層体構成とすることは極めて有効である。
【００７５】
また、アッテネータ１が複数のグラファイト膜から構成されている場合、加速器において、グラファイト膜は、１つずつ個々に設けられていてもよい。この場合、個々のグラファイト膜は、目的とする荷電粒子ビームＸの複数のエネルギー強度に対応するように開口率が設定されている。また、個々のグラファイト膜の配置は、荷電粒子ビームＸを用いた実験の種類または加速器の構成に応じて適宜設定することができる。例えば、個々のグラファイト膜は、荷電粒子ビームＸの１つのビーム軸と交差するように配置されていてもよいし、荷電粒子ビームＸの複数のビーム軸に対し１対１で対応して交差するように配置されていてもよい。
【００７６】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図２に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００７７】
本実施形態に係るビーム強度変換膜は、スクレーバである点が、前記実施形態１と異なる。図２は、本実施形態に係るビーム強度変換膜としてのスクレーバ２の概略構成を示す断面図である。
【００７８】
図２に示されるように、本実施形態に係るスクレーバ２（ビーム強度変換膜）には、開口部２ａが形成されている。スクレーバ２は、入射してくる荷電粒子ビームＸのビームサイズを小さくするための膜であり、膜面が荷電粒子ビームＸの光軸と交差するように配置されている。また、スクレーバ２は、１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は、１μｍ以上である。
【００７９】
荷電粒子ビーム源（不図示）から出射された荷電粒子ビームＸは、スクレーバ２に入射すると、開口部２ａが形成された中央部分ではスクレーバ２を通過する。一方、スクレーバ２における開口部２ａが形成されていない外側部分では遮蔽される。
【００８０】
このように、荷電粒子ビームＸは、開口部２ａが形成されたスクレーバ２の中央部分に入射するビーム成分のみが出射される。一方、開口部２ａが形成されていない外側部分に入射する比較的低いエネルギーのビーム成分は、スクレーバ２によって遮蔽される。それゆえ、荷電粒子ビームＸは、スクレーバ２により、外側の比較的低エネルギーのビーム成分が取り除かれ、強度の揃ったサイズの小さなビームとなる。
【００８１】
（実施形態１及び２における荷電粒子ビームのエネルギーについて）
荷電粒子ビームは、グラファイト膜からなるビーム強度変換膜（アッテネータ１、スクレーバ２等）の開口部を通過し、開口部以外の部分によりビームは遮蔽される。ビーム強度変換膜によって遮蔽される荷電粒子ビームＸのエネルギーは、加速器によって異なる。
【００８２】
標的物質（ここではビーム強度変換膜）の荷電粒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。
【００８３】
【数２】
2017188117.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。
【００８４】
図３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３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。
【００８５】
実施形態１及び２のビーム強度変換膜（アッテネータ１、スクレーバ２等）に入射する荷電粒子ビームＸは、Ａ〜Ｃのエネルギー範囲にある荷電粒子ビームである場合が多く、その領域は比較的低エネルギーである。しかしながら、比較的低エネルギー領域で用いられると言う事は必要な強度変換膜の耐久性が低くても良いと言う事を意味しない。Ｂにおける荷電粒子ビームＸのエネルギーはＭｅＶオーダー（例えば１ＭｅＶ）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。すなわち標的物質中で荷電粒子のエネルギーが熱に変換されて効果的に失われる事を意味している。それゆえ、本発明に用いるＢ〜Ｃのエネルギー範囲の強度変換膜には高い耐久性が要求される。荷電粒子の数はそれぞれの加速器によって異なるため、強度変換膜に必要な耐久性は阻止能のみで記述される訳ではないが、実施形態１及び２の強度変換膜が主に用いられる、１〜１００ＭｅＶのエネルギー領域において高い耐久性が要求されることは間違いない。このような過酷な条件下において、実施形態１及び２のビーム強度変換膜を構成する上述のグラファイト膜は、上述した範囲の物性と膜厚を有していれば上記要求に耐え得るものである。
【００８６】
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。
【００８７】
〔まとめ〕
本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であることを特徴としている。
【００８８】
上記の構成によれば、各グラファイト膜の膜厚は１μｍ以上であるので、該グラファイト膜は荷電ビームに対する十分な遮蔽能、実使用するための機械的強度、さらには十分な耐久性を有している。また、上記の構成によれば、このグラファイト膜は、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であるという特性を有している。この特性は、配向性を示す一つの指標であり、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜におけるグラファイト膜が高い配向性を有していることを示している。このような構成を有するグラファイト膜は、基本的に炭素のみから形成されているので、膜自体の放射化の程度を小さくする事ができる。さらに、ビーム照射によって発生する熱がスムーズに膜面方向に拡散される事で強度変換膜の温度上昇を防ぐ事ができ、その耐久性が向上する。さらに後述する様に、温度上昇を抑制する事で周辺機器の放射化も低減できる。
【００８９】
また、上述した熱伝導度に関する特性（熱伝導度の異方性）は、このグラファイト膜が高い結晶性を有している事も示している。それゆえ、本発明にかかるグラファイト膜は高い耐熱性を持つ事が出来る。高い結晶性を有するグラファイトは真空中では３０００℃以上の優れた耐熱性を有しており、従来のチタンからなる強度変換膜と比較しても荷電粒子ビームに対し優位な耐久性を有している。
【００９０】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の膜厚は１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の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している。
【００９１】
上記の構成によれば、前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度の１００倍以上であるという特性を有している。この特性は、配向性を示す一つの指標であり、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜におけるグラファイト膜が高い結晶性と配向性を有している事を示している。それゆえ上記の構成によれば、炭素からなり、荷電粒子ビームに対し十分な耐久性を有し、さらに放射化の程度を小さくし得るビーム強度変換膜を実現できる。
【００９２】
また、熱伝導度と比較して電気伝導度の測定は極めて容易であるため、電気伝導度の特性はグラファイト膜の性能を管理する上で極めて有効な方法となる。このような電気伝導度の異方性もこのグラファイト膜が高い結晶性を有している事の指標であり、グラファイト膜は高い耐熱性を持つことができる。
【００９３】
さらに、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜において、各グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。このような高い面方向の熱伝導率によって膜の温度上昇が抑えられ、後述する理由によって、強度変換膜のビーム反射による周辺機器の放射化の程度の低減が実現可能である。
【００９４】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜において、前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。熱伝導と比較して電気伝導度の測定は極めて容易であるため、電気伝導度特性はグラファイト膜の性能を管理する上で極めて有効な方法となる。
【００９５】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜において、前記グラファイト膜の開口率が１〜８０％であることが好ましい。
【００９６】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜は、前記グラファイト膜が複数枚積層された積層体からなっていてもよい。グラファイト膜の厚さは、厚くなるに従い、荷電粒子ビームの照射に対する強度変換膜の遮蔽性と耐久性が向上する。また、前記積層体は、本発明の複数枚のグラファイト膜を積層したものであるが、この積層体は加圧ホットプレス等の方法で圧着することにより作製されても良い。これにより任意の厚さの強度変換膜が作製できる。この積層体からなるビーム強度変換膜の厚さは、特に制限されないが、通常１００μｍ以上の厚さのビーム強度変換膜を作製するために、この様な積層体構成とする事は、極めて有効である。
【００９７】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜において、前記グラファイト膜の密度は、１．７０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００９８】
また、本発明の一実施形態に係るビーム強度変換膜の製造方法は、荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有し、１または複数のグラファイト膜から構成されたビーム強度変換膜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。
【００９９】
上記の構成によれば、荷電粒子ビームに対し十分な遮蔽性・耐久性を有し、放射化の程度を小さくし得るビーム強度変換膜の製造方法を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、加速器の分野に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  アッテネータ（ビーム強度変換膜）
１ａ  開口部
２  スクレーバ（ビーム強度変換膜）
２ａ  開口部
【図１】
2017188117.tif 000005
【図２】
2017188117.tif 000006
【図３】
2017188117.tif 000007
【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】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、
膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度が膜厚方向の熱伝導度の２０倍以上であることを特徴とするビーム強度変換膜。
【請求項２】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有するビーム強度変換膜であって、
膜面が荷電粒子ビームのビーム軸と交差するように配された１または複数のグラファイト膜から構成され、各グラファイト膜の厚さは１μｍ以上であり、前記グラファイト膜の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ビーム強度変換膜。
【請求項３】
各グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項１に記載のビーム強度変換膜。
【請求項４】
各グラファイト膜の膜面方向の熱伝導度は、１６００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項３に記載のビーム強度変換膜。
【請求項５】
前記グラファイト膜の膜面方向の電気伝導度は、１２０００Ｓ／ｃｍ以上であることを特徴とする特徴とする請求項２に記載のビーム強度変換膜。
【請求項６】
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５に記載のビーム強度変換膜。
【請求項７】
前記グラファイト膜の開口率が１〜８０％であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項８】
前記グラファイト膜の密度は、１．７０ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項９】
前記グラファイト膜の密度は、２．００ｇ／ｃｍ３以上、２．２６ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項８に記載のビーム強度変換膜。
【請求項１０】
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１〜９の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項１１】
前記グラファイト膜が複数枚積層された積層体からなることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のビーム強度変換膜。
【請求項１２】
荷電粒子ビームが通過可能な開口部を有し、１または複数のグラファイト膜から構成されたビーム強度変換膜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ビーム強度変換膜の製造方法。
【国際調査報告】
2017188117.tif 000008
2017188117.tif 000009
2017188117.tif 000010
2017188117.tif 000011