The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

長寿命厚い炭素ス卜リッパ一フォイルの開発
菅井勲 A)、武田泰弘 ' 小柳津充広 ' 川上宏金 ' 入江吉郞 A)、荒木田是夫 ' 酒井泉 A)
川久保忠道 A)、山根功A)、金正倫計 ' 野田文章 B)、倉 持 勝 也 B)、高柳智弘 B)、島田太平B)、
鈴木寛光B)、木代純逸 ' 服部俊幸 0>、川崎克則 Q
A>高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 〒 3 0 5 « 0 8 0 1 茨 城 県 つ く ば 市 大 穗 1 一1
日本原子力研究所
Q 東京工業大学〒319-1195 茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 白 方 白 根 2 -4
〒 152>8550 東 京 都 目 黒 区 大 岡 山 2 - 1 2 - 1

要旨

12

J-PARC 加 速 器 の 3G eV 、R C S リングには負水素イオンビームから電子を剥ぎ取り陽子イオンビームに荷電変換する厚 い炭 素 ス 卜 リ ッ パ ー フ ォ イ ル （〜 400 ng/cm2) が使われる。 大強度ビーム電流で照射されると放射線損傷に加えて高温損傷が顕著になり 通常のフォイ ルはすぐ破 壊し短寿命化となり、加速器の運 転効 率 の 著 し い 低 下 、並びにフオイル交換作業者の多量被曝の重大な問題となる。
〜 1500 K 以上の背酷な条件下でも破壊しにくい長寿命の厚 い 炭 素 ス ト リ ッ パ ー フ ォ イ ル の 最 近 の M 発成果について報告する。

1 . 開発に到る背景とそのシナリオ
最近の 加速器のイオ ン源の飛躍的な開発成果によってイオン ビーム 強 度 が 大 幅 に 高 く な り 、それに伴いイオンビー ム か ら 電 子 を 剥 ぎ 取 る 炭 素 ス ト ！
；ッパーフオイルの寿 命 は 著し く悪くなって きた。 この短寿命の問題に対応し、解 決 す る こ と を 目 的 に 1 8 年前に開発に着手 した。
ま ず 、製 膜 法 が 最 も 簡 便 で 、最も長寿命炭素ストリッパ一フォ イルを製作できる製膜方法はどれかを具体的に実現する や り 方 の 一 つ と し て 、従来から世界で使われてきた 炭素薄膜の色々な製膜方法について世界の現状を認識するこ と に 努 め た 。 即 ち 、各製膜法についての文献のデー タをそ の ま ま 鵜 呑 み に せ ず 、比 較と確 認のため、炭素フォイルの作りやすさ、 そのフォイルの寿命そして機械的 強 度 等にっ いて焦点をし ぼり、各製膜装置を手作りするやり方で、ま ず エ ピ ゴ ー ネ ン （猿まね）から始まった。
但し、C W とパルスレーザ加熱蒸着装置は会社から借用し.

3. 制 御 型 AC • D C ア ー ク 放 電 法 （CADAD)
混合型イオンビーム ス パ ッ タ ー 法 （MIBS). 反応性窒素イオンビームスパッタ -法 （IBSRN)

上の各製膜法による炭素フォイルの電子顕微鏡による結晶 構 造 を 調 べ 、そして機械的強度も互いに異なることを確認した。 これらの何れの製膜法でも寿命は市販のフォイルに比べて最低 2 0 倍以上の長寿命を示した。
3 つの製 膜法の成功を機に各方法の性質の詳細を調べるため、ま ず 上 記 1 . の CA D A D 法に取り組んだ。その原理と特徴は：
D C の力ソード電極から放出する〜 0.2 jim の炭素クラス
タ一から形成された炭素フォイルはイオンビームに著し
く強いがメカニカルなストレスには弱い、一 方 A C の電極から放出する〜 0 .0 0 5 叫 ！のナノ粒子からなる炭素フォイ
ルはイオンビ ームには著 しく弱いがメ カニカルな ス トレ
ス には強い等の相異なる特徴を見出し。 この双方のメリットを活かすことにより長寿命の炭素フォイルを製作できる製膜法に成功した。 そ し て D C 電極の炭素蒸発ロッドからの蒸発量を Wc，A C 電極の炭素蒸発ロッドからの蒸発量 を W aとすれば、フォイルの寿命とその割合、R=Wc/Wc+Wa x 100 (%)の値との閨係は図一 1 に示す様に規則性があることを見出した [7]。

oa ‘た。
各 方 法 で 作 成 し た 炭 素 フ ォ イ ル の 膜 厚 は う す い 15 土5
pg/cm2 で 東 工 大 （理）の VdG 加 速 器 の 3.2 M eV の Nどイオ ン ビ ー ム を 用 い て 各 炭 素 フ ォ イ ル の 寿命を系統的に測定し、最も長寿命を示す製膜法を見出す方法を採った。
この中で、我 々 独 自 の ア イデアを加味 し、 より良い製膜法を開発してきた。

叫 為 が 曝 ）2. 薄 い 炭 素 ス ト リ ッ パ ー フ オ イ ル
そ の結果は 、以下に示す ような日本独自の新しい長寿命 の 炭 素 フ ォ イ ル を 作 れ る 3 通りの製膜法の開発に成功した[ 1 - 7 】
0國-1

Relationship between the ratio R and the lifetime(Lifetime measurements were performed with a 3.2 MeV，
Ne+at 3.0 土0.5 \jlA of 3.5beam spot)
Error bars represent mean square eirors and the numbers
attached to the points are measured sample numbers.

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

-50A

3 . 厚い炭 素ストリッパーフォイル\0aq/crrt

1鉍 g/cm2

図- 2-25000A-500A

Challena© to the utmost limit thickness by using
CADAD method

C A D A D 法の製膜法で 出来る厚さ の極限の性能 を探るた
めに薄い（〜 1 jig/cm2) か ら 厚 い （〜 500 \iglcm2) ものまでの試作を開始した（
図-2 に示す）。
色々な厚さの炭素フオイルの寿命を 3.2 M eV の Ne+イオ

J-PARCの 3 GeV, R C S リング加速器に使用する炭素ストリッパーフォイルは 300〜 400 |ig/cm2の厚い炭素ストリッパーフォイルが予定されている。表 一 1 に 3 GeV, RCS
リング加速器の仕様性能をしめす。一方、 米 国 の B N L のS N S や M S U の R I ビーム加速器ではダイヤモンドフォイ
ルの使用テスト実験が精力的に行なわれている [KM11Table 1 Injection beam properties of J-PARC 3 GeV
RCS ring
Kinetic energy
Beam pulse length
Repetition rate
Avera职 beam current
Beam size

ンビームで系統的に測定した。 そ の 結果、 イオンビームの エ ネ ル ー ギ 一 と 電流が一定の 時 、 膜厚によって図 -3 に示すように、（1 ) . 膜 厚 が 薄 い と き （S S p g /cm 2) は膜厚増加 （炭素ビルドアップ） 、（2>• 膜 厚 が 10〜 2 0 吨 /cm2 のとき、膜厚一定、そ し て ⑶ .腹 厚 が 厚 い と き （ミ50jxg/cm2)
は 膜 厚 減 少 の 異 な る 3 つ の 現 象 を見 い出した。 本来スト
リッパ ー フォイルは (2)のようにビーム照射中膜厚が変化しない で一定であることが理想的であり、 これがわれわ
れの開 発 の 最 終 目 標 で あ る 。 所でこの膜厚変化の現象は市販のフォイルでは短寿命のため観測されない。
上記の炭素ビルドアップは真空中の残留ガスがイオンビー ム と の 衝 突 に よ つて解離された炭素が薄い炭素フォイ
ル上に 付着する現象 でこの制 御 法 の 開 発 に 取 り 組 ん だ 。
そ の 結 果 、 このビルドアップ現象はフォイル白身の温度に依存 することを見い出した。 そしてフォイル温度を6 0 0 で以上にするとビルドアップ現象は現れないことを発見した。 これにより、我々はビルドアップを完全に制御す る こ と に 成 功 し た 。 この 完全制御の結果として、ストリッパーフォイルの寿命が平均 1 .5 倍以上に伸びた。
この結果から、 ビルドアップはストリッパーフオイルの寿命に ネガテ ブ に 働 く こ と を 見 い 出 し た 。 この炭素ビル ^ドアップの制御法の詳細については、本加速器研究発表会のポスターセ ッションに詳 しく報告さ れているので 参考にして頂きたい。

(a)

(b)

(c)

< 1 0 /Kg/cm2〜20#g/cm 2>S0/£g/cm2

KEK-JAERI炭素ストリッパーフォイル開発グループは上に 述 べ た 炭素 粒子の蒸発量 の大きい、 かつ、 大規模で厚い 製 膜 法 に 適 し て い る C A D A D 法を改良した方法を用いて開発を進め ることにし た。 現 在 、各 種 ァ ー ク 蒸 発 源 、大型高 t生能ァーク蒸着装置、並びに低速イオンビーム照射装置を設計、組み立て中である。
現 在 、計 画 し て い る ストリッパ ーフォイルの 大きさは幅〜 40mm，，長 さ 〜 15 D m m のリボン型で力一ボンあるいは シ リ コ ン カ 一 バ イ ド の 5 〜 7 ミクロンのファイバーでフ ォイル の両面をサンドイッチ構造にしてフオーク型のア ルミ ニ ュ ム ホ ル ダ ー に 取 り付け られる。 図 一 4 にその概略図を示す。

2 5 0 mm

図-4；i

A mounting scheme for a fork type of ribbon carbon
stripper foil and the ribbon carbon foil is mounted withcarbon fiber or silicon carbide fiber.

Iwoiom.

< mC/cm2 )
図-3400 MeV
0.5 ms25 Hz0335 mA
IQmm x lOsnm

txolaai( mC/crn^ )( mC/cm2 )The thickness change deoending on the foil thickness
under irradiation of a 3.2 MeV，Ne+3 A /1 A and 3.5 mm
in beam diameter

しかし、ストリッパーフォイルの開発の中で C ADAD 法には製作できる膜厚に限界がある。〜 1 00 蝴 /cm2以上の膜厚のデポジッシヨンになると蒸着基板よりデポジッシヨンした炭素膜が自然に剥離する。 これはクラスター粒子の多孔質による問題で解決せねばならな Vヽ課題である。
図- 5 に 3 GeV, R C S リング用に向けた R and D による最 近 の 成 果 の 1 例 と し て 1 3 0 吨 /cm2 の厚い炭素フォイ/レの寿命と膜厚変化を示す。 フォイルは直径 1 0 m m のThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

穴の あ い た SUS-304 のターゲット枠に取り付け、3.2 MeVの Ne+イオンビームで照射を行ない、膜厚はフォイルの後方にセットした S S D により前方散乱法により測定した。
この場合、寿命は積算イオン照射量 4100mC/cm2の長寿命を示した。 こ の 値 は 市 販 の 1 0 0 倍 に 相 当 す る 。 しかしな が ら 、 図から分かるように膜厚減少が明らかに観測されている。破損に到るまでの膜厚減少量はやく 8 6 呢 /咖 2で 最 初 の 膜 厚 の 66%に相当する。結果とし て、 この膜厚減少は フ ォ イ ル の 膜 厚 の 一 様 性 を 悪 く し 、それによる境界 で の歪み によりフォ イルの破損を もたらす。 この場合のビームスポットに於ける熱は 3.2 MeV, 2.5 [iA の電流では 約 10 W に相当する。J-PARC のフオイルの熱計算については 本研究会の ポスターセッションで詳細に報告されているので参 照してほし い。 赤外放射温度計ではビーム
照 射 初 期 (1000 mC/cm2) は 約 1300±100 t ：を観測し、その後厚さ減少と 共に約 800てに下がった。膜厚減少量は上
記 の 1 .CADAD, 2. M B S そ れ に 3. IBSRN の各製膜法による測定では若干の違い を見い出して いるが、本質的には厚膜デポジッシ ヨンと共に解 決しなけれ ばならない重 要な問題である。

Lifetime (x10® mC/cm2)
図-54The significant result showed a great achievement of tne
new record-breaking lifetime (4100 mC/cm2). Thicknesschan罗 of the foil made by the mCADAD method wasmeasured under beam irradiation with 3.2 MeV, Ne+,
2.5[xA ions beam current and a 3,5 mm diameter beam
spot Thickness reduced to 1/3 of the initial thickness.
. 結論と今後の課題

1 . 〜 3 jAg/cm2の薄い炭素ストリッパーフォイル上に2.

堆 積 （ビルドアップ）する炭素の完全制御法の開発に成功した。
30〜 100 |ig/cro2の厚さの寿命は市販のフォイルに対して平均 3 0 倍以上を示した。
今後の開発の主な課題は次の 3 と 4 である。

3 . 如何にして CADAD法を用いて剥離しないで 100|ig/cm2
か ら 500 lig/cm2の厚い炭素膜のデポジツションをできるか？

4 . 〜 1500 K 以上の高温度に於いても膜厚減少の少ない炭素フォイル、あるいは複合物質からなるストリツパーフォイルを実現できるか？

5. 最近、 ダ イ ヤ モ ン ド （D e n s i t y 5 g/cm3) はダラ
ファイト（Density:〗. 2 g/cm3) に比べて熱伝導率6,(Wcm-'K- 1) が極めて大きいことからグラフアイトの換わりにストリッパーフォイルとして使用する試みが世界でさかんに行なわれている。
しかし、本当にイオン照射に対して長寿命であり、かつ高温度(> 1 5 0 0 K ) にも耐られるのか、実際に確かめて確認する必要がある。
我々の厚い炭素ストリッパーフォイルの開発目標は市販のフォイルに対して最低 1 0 倍、最 高 3 0 倍以上である。

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