ターゲット材料
【課題】ガンマ線を発生させるターゲット材料としての炭素を高密着性を持って均一に形成すること。
【解決手段】少なくとも一対の電極（１３，１４）および前記電極（１３，１４）間に配置された絶縁部材（１８）により形成された空間（１９）に、ターゲット基板（１３）を配置し且つ表面層形成用粉体としてのグラファイト化された炭素粒子を収容して、前記電極（１３，１４）間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板（１３）表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材（３）を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とするガンマ線発生用のターゲット材料。
【解決手段】少なくとも一対の電極（１３，１４）および前記電極（１３，１４）間に配置された絶縁部材（１８）により形成された空間（１９）に、ターゲット基板（１３）を配置し且つ表面層形成用粉体としてのグラファイト化された炭素粒子を収容して、前記電極（１３，１４）間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板（１３）表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材（３）を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とするガンマ線発生用のターゲット材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素により構成されたターゲット材を製造するターゲット材製造方法、前記ターゲット材を有するガンマ線源装置およびターゲット材を製造するターゲット材製造装置に関する。
本発明により作成されたターゲット材は、イオンビーム等の荷電粒子線を照射して、ガンマ線を発生させるターゲット材として使用可能であり、物理、半導体、電子工学、化学、生物等の基礎科学実験分野、とりわけ、宇宙天体核物理学や元素合成の分野におけるガンマ線発生用のターゲット材に好適に使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用の放射線撮影装置や工業用の非破壊検査装置、あるいは、Ｘ線顕微分析装置等において、ガンマ線（Ｘ線）を使用するガンマ線源装置が使用されている。前記ガンマ線源装置では、金属ターゲット（標的部材）に電子や陽電子等の荷電粒子を照射した場合に発生する制動放射のガンマ線（Ｘ線）を使用することが知られている。前記ガンマ線は、使用されるターゲット材により出力される波長（エネルギー）が異なる。
このようなガンマ線源装置として、特許文献１（特開２０００−３１４８００号公報）記載の技術が従来公知である。
【０００３】
特許文献１（特開２０００−３１４８００号）には、ターゲット材料として、原子番号１〜１００の中から適当なものが選ばれ、金属、合成樹脂でもよく、常温で液体もしくは気体であって常温未満の低温度で凝固した物質を使用してもよいことが記載されている。
【０００４】
この他にも、加速器の荷電粒子ビームを用いる星の起源、進化や宇宙天体核物理学や元素合成等を研究する科学実験において、濃縮同位体炭素１２と炭素１３のターゲットが必要不可欠である。これらのターゲットを、宇宙天体核物理学等の超精密実験で使用する場合は、次の要求（１）〜（３）を満足する必要がある。
（１）ターゲットの材料が、より高純度であること。
（２）ターゲットの膜が、必要な厚さで一様に作成されていること。
（３）大強度ビーム電流と長時間照射によって蒸発、剥離、破損のなく、安定であること。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３１４８００号公報（「００２９」）
【特許文献２】特開平６−１５８３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（従来技術の問題点）
従来、基板上にターゲット材の層が被膜されたターゲット材を作製する方法として、金属メッキ法や、真空蒸着法、スプレー塗装法が一般的である。しかし、金属メッキ法では、被膜可能な材料に制約があるとともに、メッキの廃液処理や大電力が必要になるため、設備が大規模化する問題がある。
また、真空蒸着法では、ターゲット材を加熱して蒸着させる方法であるが、蒸着された物質が活性が高く、残留ガス等と反応して不純物が含まれる問題があったり、蒸着された膜の付着力が弱いという問題もある。また、点蒸発源であるため、一様性が悪いという問題もある。
さらに、スプレー塗装法では、均一、緻密に成膜することが難しく、密着性も弱いという問題もある。
【０００７】
また、貴重で高価な炭素同位体は、メタンガスまたはアモルファス粉末（フレーク状の破片）の形で入手可能であり、炭素フォイルは通常、メタンガスを熱分解する熱分解法で作成される。しかしながら、熱分解法で作成される炭素フォイルの膜厚は、１００μｇ／ｃｍ２〜２０００μｇ／ｃｍ２と幅があり、一様に形成することが困難であるという問題がある。また、熱分解法で作成される炭素フォイルは、ビーム照射に対してフォイルの発生熱（約１０００Ｋ程度）により短時間で破損する問題がある。
この熱による破損を緩和するために熱伝導率の高い金フォイルをバッキング膜として使用し、金フォイルの表面に熱分解法による粉末または、アモルファス粉末を電子やレーザービームで加熱して蒸着させる高温蒸着法やスパッタ方の蒸着法で蒸着することで作成することも行われている。
【０００８】
しかし、この方法では、前述のように、蒸着法であるため、バッキング膜と炭素フォイル（炭素膜）との密着性が悪く、そのため蒸着膜の膜厚は、最大でも８０μｇ／ｃｍ２が限度であり、且つ、一様性が悪く、収率（出発物質に対する生成物質の割合）も１０％以下で効率が悪い問題がある。
収率を高めるために、高圧プレス成型器でディスク状のターゲットの作製を試みたが、全く固まらず、ターゲットの作製はできなかった。
【０００９】
現時点では、炭素膜が形成されたターゲットを作成する方法としては、前記蒸着法しかなく、新たな方法の出現が期待されている。
これに応じて、本願発明者が発明し、出願を行った特許文献２（特開平６−１５８３５０号公報）には、基体の被膜方法に関する技術が記載されており、一対の電極と電極間に配置された絶縁部材との間の空間に、基板を配置すると共に被膜材料の粒子を収容し、電極間に電圧を印加して粒子を往復動させることで、被膜材料の粒子が基板表面にたたき込まれて成膜される。よって、この方法を使用して、ガンマ線を出力するためのターゲット材を作成することが考えられる。
ここで、物性の検査等を行う際にガンマ線を出力する場合に、前記ターゲット材料として使用する材料によっては、ガンマ線を出力しにくかったり、強度の強い荷電粒子線を照射する必要がある場合がある。前記ターゲット材料として、比較的入手しやすい天然の炭素を使用する場合、炭素は、天然の状態では炭素１２（１２Ｃ）が約９８．９％、炭素１３（１３Ｃ）が約１．１％、炭素１４（１４Ｃ）が極微量存在し、これらが混在すると、高精度のデータが収集できないという問題がある。
【００１０】
図３は従来の炭素１３の成膜方法で成膜した場合の説明図である。
しかしながら、炭素１３を使用して、前記特許文献２記載の方法で成膜した場合、すなわち、図３に示すように、電極としての平板状の導電性基板０１と、中空円筒状の絶縁部材０２とにより囲まれた空間に炭素１３の粉体を収容して電圧を印加し、炭素１３の粉体を往復動させた場合、炭素１３の被膜０３が、絶縁部材０２と導電性基板０１との境界部に多く付着して、被膜０３が均一に形成されないことが本発明者の実験により確認された。
【００１１】
本発明は、前述の事情に鑑み、ターゲット材料としての高濃縮度の同位体炭素を高い密着性を持って均一に形成することを第１の技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（本発明）
前記技術的課題を解決するために、請求項１記載の発明のガンマ線発生用のターゲット材料は、
少なくとも一対の電極および前記電極間に配置された絶縁部材により形成された空間に、ターゲット基板を配置し且つ表面層形成用粉体としての炭素粒子を収容して、前記電極間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、グラファイト化された炭素粒子を使用するので、ターゲット基板表面にターゲット材料としての炭素を高い密着性を持って均一に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の実施例１のガンマ線源装置の説明図である。
図１において、実施例１のガンマ線源装置１は、排気装置Ｐにより内部が排気された装置筐体１ａを有する。前記装置筐体１ａ内部には、荷電粒子線源の一例としての陽電子線源装置２が配置されている。前記陽電子線源装置２から出力された陽電子線２ａは、ガンマ線発生用ターゲット材３に照射される。前記ターゲット材３は、ターゲット基板３ａと、ターゲット基板３ａ表面に形成された表面層３ｂとを有する。前記ターゲット材３は、図示しない移動装置により、装置筐体１ａ内で移動可能に構成されており、同じ位置に陽電子線２ａが照射され続けることで破損することを低減するために照射される位置を変更可能である。なお、実施例１では、ターゲット材３の基板３ａは、ガンマ線に影響を与えにくい金（Ａｕ）により構成されており、表面層３ｂはガンマ線を発生させやすい炭素１３（１３Ｃ）により構成されている。
前記陽電子線２ａが照射されたターゲット材３の表面層３ｂでは、制動放射のガンマ線４が放出され、発生したガンマ線４は装置筐体１の窓材６を通じて外部に出力される。なお、前記窓材６としては、ガンマ線４の透過率が高い材料で構成可能であり、例えば、ベリリウムやアルミニウム等により構成できる。
【００１６】
図２は本発明の実施例１のターゲット材製造装置の全体説明図である。
図２において、本発明の実施例１のガンマ線発生用のターゲット材製造装置１１は、板状のベース１２を有する。前記ベース１２上には、第１電極部材１３が支持されており、前記第１電極部材１３の上方には、第１電極部材１３に対向して第２電極部材１４が配置されている。なお、実施例１では、前記第１電極部材１３として、前記ターゲット材３のターゲット基板３ａを使用することで、第１電極部材１３とターゲット基板３ａとを共通化（兼用）した。また、実施例１では、ターゲット基板３ａ（バッキング層）として、金（Ａｕ）を使用した。さらに、実施例１では、前記電極部材１３，１４間の距離は１０ｍｍ（＝１ｃｍ）に設定されているが、前記距離は設計や仕様等に応じて任意に変更可能である。
前記一対の電極部材１３，１４には、電源装置Ｅが接続されている。前記一対の前記電極部材１３，１４の内側には中空円筒状（リング状）の絶縁部材１８が挟持されている。前記一対の電極部材１３，１４および絶縁部材１８により囲まれた空間により粉体Ｆが収容される粉体収容空間１９が構成されている。なお、実施例１では、前記絶縁部材１８は、内周が直径２５ｃｍのリング状に形成されているが、直径は設計等に応じて任意に変更可能である。また、前記絶縁部材１８として、ガラスが使用されているが、材料は特に限定されず、任意の絶縁性の部材（セラミック、樹脂等）を採用可能である。
【００１７】
前記ベース１２の端部には、支柱２１が支持されており、支柱２１の先端部には第２電極部材１４側に延びるアーム２２がネジ止めされている。前記アーム２２の先端部には、軸部材２３が上下方向に移動可能に支持されている。軸部材２３の下端には前記第２電極部材１４の上面に接触する板状の押圧部材２４が支持されている。前記軸部材２３には、前記押圧部材２４とアーム２２との間にスプリング２６が装着されており、押圧部材２４を常時下方に付勢する。したがって、前記押圧部材により第２電極部材１４は第１電極部材１３側に押圧され、粉体Ｆが外部に漏出しないように粉体収容空間１９が密閉される。
実施例１では、前記粉体収容空間１９は、真空排気されず、室温の大気圧下に配置されている。そして、前記電源装置Ｅにより、電極部材１３，１４間に１２ｋＶ程度の直流電圧（即ち、電界強度は１２ｋＶ／ｃｍ）と、交流電圧が重畳されて印加される。なお、前記電圧は、１２ｋＶに限定されず、炭素の膜が成膜可能な任意の電圧、例えば、３ｋＶ〜３０ｋＶ程度の間の値に設定可能である。
【００１８】
また、実施例１では、前記粉体収容空間１９には、粉体Ｆとして、ターゲット材３の表面層３ｂを形成するための表面層形成粒子が収容されており、実施例１では、前記表面層形成粒子Ｆは、グラファイト化された炭素１３（１３Ｃ）により構成されている。なお、炭素１３に限定されず、炭素１２（１３Ｃ）も使用可能である。
前記グラファイト化された炭素１３は、以下の方法により作成する。まず、天然の炭素を遠心分離法、レーザー拡散法または電磁同位体分離法等の従来公知の同位体の分離方法により、炭素１３を濃縮度９９％以上にする。次に、この分離された濃縮同位体炭素１３を、不活性ガスの一例としての窒素（Ｎ２）ガスの１気圧の雰囲気中で、常温から昇温して、２５００Ｋ〜３５００Ｋで３時間以上加熱する。加熱して得られた炭素１３の粉体を、瑪瑙乳鉢で粉砕して数１０μｍ程度の微粉体とし、この微粉体を使用する。
【００１９】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１のガンマ線発生用のターゲット材製造装置１１において、３０００Ｋで加熱した炭素１３を使用すると、ターゲット基板３ａ表面に炭素１３の表面層３ｂが均一に形成されることが実験により確認された。このとき、遠心分離で得られた状態の炭素１３と、加熱後の炭素１３とを、Ｘ線回折法により測定すると、同位体が分離された状態の炭素１３は、アモルファス（非晶質）カーボンであるのに対し、２５００Ｋ以上で加熱後の炭素１３は、グラファイト結晶に転換していることがわかった。
【００２０】
したがって、実施例１のガンマ線発生用ターゲット材製造装置１１では、炭素１３をグラファイト化し、グラファイト化された炭素１３を使用することで、均一な表面層３ｂを形成することができる。また、作製された炭素膜は、密着性が高く、且つ、貴重で高価な炭素試料の純度を低下せず、損失がなく（高収率で）、必要な厚さで成膜できる。そして、従来よりも厚い厚さで成膜できる。さらに、ターゲット材製造装置１１は、室温で実行可能であり、ターゲット基板３ａの加熱等も伴わないため、ターゲット基板３ａの変形や変質が発生しないと共に、炭素膜成膜後すぐに取り出すことができる。したがって、実施例１のガンマ線源装置１では、均一な厚みで、密着性、耐久性が非常に高く、荷電粒子ビーム照射により膜厚が減少しない炭素１３の表面層３ｂを有するターゲット材３を使用して、安定したガンマ線を発生させることができる。
【００２１】
（成膜実験）
（実験例１）
実験例１では、アモルファス粉末を２５００Ｋ〜３５００Ｋの高温度処理により、フレーク状のアモルファス炭素１３を、グラファイト結晶化し、グラファイト化された粉末を瑪瑙乳鉢で、平均粒径４０μｍの微粉体化した。この微粉体を、厚さ０．２ｍｍの金のバッキング膜を電極基板１３として、実施例１のターゲット材製造装置１１で１６ｋＶの直流高電圧を印加して、炭素１３の成膜を行った。その結果、ターゲット基板（第１電極基板）３ａ表面に収量がほぼ１００％で高密着性をもった一様な炭素膜が成膜されたターゲットが作製された。ターゲット材製造装置１１を３時間の作動させた場合の炭素膜の厚さは、アモルファスカーボンの６倍の５００μｍ／ｃｍ２であった。この炭素１３膜の一様性は、どの場所にもよらず、最大で２％以内であった。実験の結果、炭素膜の厚さは最大で５０００μｇ／ｃｍ２まで作製できた。
（実験例２）
実験例２では、炭素１３に換えて、炭素１２にした以外は、同様の条件、同様の装置でターゲットを作製した。
【００２２】
（比較例１）
比較例１では、高温度処理無しの濃縮同位体アモルファス炭素粉末を厚さ０．２ｍｍの金バッキング膜表面に電子ビーム蒸着法により、厚さ８０μｇ／ｃｍ２の炭素膜を成膜してターゲットを作製した。
（比較例２）
比較例２では、高温度処理無しの濃縮同位体アモルファス炭素粉末を、実施例１のターゲット材製造装置１１で、実験例１と同様にして作製した膜厚〜１００μｇ／ｃｍ２以下のターゲットを作製した。
【００２３】
前記実験例１、２および比較例１、２のターゲットを静電型加速器にセットし、エネルギー３．２ＭｅＶ、Ｎｅ＋、３μＡ、ビームスポット径３．５ｍｍのイオンビームを各ターゲットに照射した。比較例１では、照射開始から４５分で炭素層が金のバッキング膜から剥離した。比較例２では、照射開始から２時間後に小さな割れが発生し、次第に全体に広がり、最後は剥離した。
実験例１，２では、共に、２５時間照射したが、剥離や膜厚減少、変形は全く発生せず、安定していた。なお、実験例１，２で、炭素膜の厚さを厚くして複数形成したが、厚みにかかわらず、同様に破損等せず、安定していた。
なお、メタンガスを熱分解して作製される市販の炭素フォイル（比較例３）は、同じ照射条件の場合、２０分以内で破損した。
【００２４】
（グラファイト化実験）
次に、高温度処理を実行する温度と、グラファイト化との関係を検証する実験を行った。
（実験条件）
分離された濃縮同位体のアモルファス炭素のフレーク５００ｍｇを、真空高温焼結炉の坩堝に入れて、窒素ガス雰囲気で、５時間加熱した。加熱温度は、２０００Ｋ（比較例３）、２５００Ｋ（実験例３）、３０００Ｋ（実験例４）、３５００Ｋ（実験例５）で実験を行った。
各温度で作製された粉末をＸ線スペクトル（Ｘ線回折法）で分析すると、比較例３では表れなかったが、実験例３〜５では、グラファイト結晶を示すスペクトルが観測された。この高温処理した粉末を瑪瑙乳鉢で粉砕して、実施例１のターゲット材製造装置１１を使用して成膜すると、均一に成膜できた。
【００２５】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、常温大気圧下でガンマ線発生用ターゲット材製造装置１１を稼働させたが、これに限定されず、粉体収容空間１９を加熱または冷却したり、真空排気あるいは高圧ガス封入等任意に変更可能である。すなわち、真空圧、大気圧、高圧状態のいずれでも、ターゲット材３を作製可能である。なお、このとき、温度や圧力、粉体のサイズ等により放電条件が変わるため、放電せず且つ粒子の往復動が行われる電圧を電源装置で印加することが必要となる。
【００２６】
（Ｈ02）前記実施例において、ターゲット基板３ａとして、金（Ａｕ）を例示したが、これに限定されず、例えば、タンタルや銅等の金属材料を使用することも可能である。また、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミックス等を使用することも可能であるが、この場合は、セラミック等が絶縁性であるため、第１電極部材１３と共通化できず、第１電極部材１３の表面側にセラミックス製のターゲット基板を配置する必要がある。なお、ターゲット基板３ａとしては、発生したガンマ線が透過する性能が高いものが好ましいことはいうまでもない。また、ターゲット基板３ａと電極１３とを共通化したが、別体とし、電極１３の内側にターゲット基板３ａを配置して、ターゲット基板３ａ表面に表面層３ｂを形成することも可能である。
【００２７】
（Ｈ03）前記実施例において、装置のサイズや印加する電圧は、実施例に例示した値に限定されず、設計に応じて変更可能である。このとき、電極間の間隔と、電圧は、放電条件や粉体の往復動と関連するため、放電せず且つ往復動可能な電圧および電極間間隔に設定することができる。また、印加する電圧は直流電圧に交流電圧が重畳された電圧に限定されず、交流電圧あるいは直流電圧のみ、あるいはパルス状の電圧とすることも可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、めのう乳鉢で粉砕した粉体を例示したが、これに限定されず、任意の方法で往復動可能な程度の大きさ（比重等により異なるが、５００μｍ以下程度が好ましい）にすることが可能である。また、製造された球状粒子の径は、粉体Ｆのサイズによるところがあるため、製造された球状粒子の径のばらつきを少なくするために、粉体Ｆのサイズも揃えることが望ましい。
【００２８】
（Ｈ05）前記実施例において、荷電粒子線源として陽電子線源を例示したが、これに限定されず、炭素１３からガンマ線を発生可能な荷電粒子線源であれば、レーザ光源装置や電子銃、イオンビーム発生装置等の荷電粒子線源を使用可能である。
（Ｈ06）前記実施例において、アモルファスの炭素１２、炭素１３をグラファイト化する際の温度、使用ガス、圧力、時間は、例示した条件に限定されず、炭素１２，炭素１３がアモルファスからグラファイトの状態にできる任意の数値に変更可能である。例えば、使用ガスは不活性ガスとして希ガスを使用することが可能であり、真空状態とすることも可能である。また、圧力も１気圧よりも高圧、低圧とすることが可能であり、時間もグラファイト化するのに十分な時間に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明の実施例１のガンマ線源装置の説明図である。
【図２】図２は本発明の実施例１のガンマ線発生用ターゲット材製造装置の全体説明図である。
【図３】図３は従来の炭素１３の成膜方法で成膜した場合の説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ガンマ線源装置、
２…荷電粒子線源、
２ａ…荷電粒子、
３…ガンマ線発生用のターゲット材、
３ａ，１３…ターゲット基板、
３ｂ…表面層、
１１…ガンマ線発生用のターゲット材製造装置、
１３，１４…電極、
１８…絶縁部材、
１９…空間、
Ｅ…電源装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素により構成されたターゲット材を製造するターゲット材製造方法、前記ターゲット材を有するガンマ線源装置およびターゲット材を製造するターゲット材製造装置に関する。
本発明により作成されたターゲット材は、イオンビーム等の荷電粒子線を照射して、ガンマ線を発生させるターゲット材として使用可能であり、物理、半導体、電子工学、化学、生物等の基礎科学実験分野、とりわけ、宇宙天体核物理学や元素合成の分野におけるガンマ線発生用のターゲット材に好適に使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用の放射線撮影装置や工業用の非破壊検査装置、あるいは、Ｘ線顕微分析装置等において、ガンマ線（Ｘ線）を使用するガンマ線源装置が使用されている。前記ガンマ線源装置では、金属ターゲット（標的部材）に電子や陽電子等の荷電粒子を照射した場合に発生する制動放射のガンマ線（Ｘ線）を使用することが知られている。前記ガンマ線は、使用されるターゲット材により出力される波長（エネルギー）が異なる。
このようなガンマ線源装置として、特許文献１（特開２０００−３１４８００号公報）記載の技術が従来公知である。
【０００３】
特許文献１（特開２０００−３１４８００号）には、ターゲット材料として、原子番号１〜１００の中から適当なものが選ばれ、金属、合成樹脂でもよく、常温で液体もしくは気体であって常温未満の低温度で凝固した物質を使用してもよいことが記載されている。
【０００４】
この他にも、加速器の荷電粒子ビームを用いる星の起源、進化や宇宙天体核物理学や元素合成等を研究する科学実験において、濃縮同位体炭素１２と炭素１３のターゲットが必要不可欠である。これらのターゲットを、宇宙天体核物理学等の超精密実験で使用する場合は、次の要求（１）〜（３）を満足する必要がある。
（１）ターゲットの材料が、より高純度であること。
（２）ターゲットの膜が、必要な厚さで一様に作成されていること。
（３）大強度ビーム電流と長時間照射によって蒸発、剥離、破損のなく、安定であること。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３１４８００号公報（「００２９」）
【特許文献２】特開平６−１５８３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（従来技術の問題点）
従来、基板上にターゲット材の層が被膜されたターゲット材を作製する方法として、金属メッキ法や、真空蒸着法、スプレー塗装法が一般的である。しかし、金属メッキ法では、被膜可能な材料に制約があるとともに、メッキの廃液処理や大電力が必要になるため、設備が大規模化する問題がある。
また、真空蒸着法では、ターゲット材を加熱して蒸着させる方法であるが、蒸着された物質が活性が高く、残留ガス等と反応して不純物が含まれる問題があったり、蒸着された膜の付着力が弱いという問題もある。また、点蒸発源であるため、一様性が悪いという問題もある。
さらに、スプレー塗装法では、均一、緻密に成膜することが難しく、密着性も弱いという問題もある。
【０００７】
また、貴重で高価な炭素同位体は、メタンガスまたはアモルファス粉末（フレーク状の破片）の形で入手可能であり、炭素フォイルは通常、メタンガスを熱分解する熱分解法で作成される。しかしながら、熱分解法で作成される炭素フォイルの膜厚は、１００μｇ／ｃｍ２〜２０００μｇ／ｃｍ２と幅があり、一様に形成することが困難であるという問題がある。また、熱分解法で作成される炭素フォイルは、ビーム照射に対してフォイルの発生熱（約１０００Ｋ程度）により短時間で破損する問題がある。
この熱による破損を緩和するために熱伝導率の高い金フォイルをバッキング膜として使用し、金フォイルの表面に熱分解法による粉末または、アモルファス粉末を電子やレーザービームで加熱して蒸着させる高温蒸着法やスパッタ方の蒸着法で蒸着することで作成することも行われている。
【０００８】
しかし、この方法では、前述のように、蒸着法であるため、バッキング膜と炭素フォイル（炭素膜）との密着性が悪く、そのため蒸着膜の膜厚は、最大でも８０μｇ／ｃｍ２が限度であり、且つ、一様性が悪く、収率（出発物質に対する生成物質の割合）も１０％以下で効率が悪い問題がある。
収率を高めるために、高圧プレス成型器でディスク状のターゲットの作製を試みたが、全く固まらず、ターゲットの作製はできなかった。
【０００９】
現時点では、炭素膜が形成されたターゲットを作成する方法としては、前記蒸着法しかなく、新たな方法の出現が期待されている。
これに応じて、本願発明者が発明し、出願を行った特許文献２（特開平６−１５８３５０号公報）には、基体の被膜方法に関する技術が記載されており、一対の電極と電極間に配置された絶縁部材との間の空間に、基板を配置すると共に被膜材料の粒子を収容し、電極間に電圧を印加して粒子を往復動させることで、被膜材料の粒子が基板表面にたたき込まれて成膜される。よって、この方法を使用して、ガンマ線を出力するためのターゲット材を作成することが考えられる。
ここで、物性の検査等を行う際にガンマ線を出力する場合に、前記ターゲット材料として使用する材料によっては、ガンマ線を出力しにくかったり、強度の強い荷電粒子線を照射する必要がある場合がある。前記ターゲット材料として、比較的入手しやすい天然の炭素を使用する場合、炭素は、天然の状態では炭素１２（１２Ｃ）が約９８．９％、炭素１３（１３Ｃ）が約１．１％、炭素１４（１４Ｃ）が極微量存在し、これらが混在すると、高精度のデータが収集できないという問題がある。
【００１０】
図３は従来の炭素１３の成膜方法で成膜した場合の説明図である。
しかしながら、炭素１３を使用して、前記特許文献２記載の方法で成膜した場合、すなわち、図３に示すように、電極としての平板状の導電性基板０１と、中空円筒状の絶縁部材０２とにより囲まれた空間に炭素１３の粉体を収容して電圧を印加し、炭素１３の粉体を往復動させた場合、炭素１３の被膜０３が、絶縁部材０２と導電性基板０１との境界部に多く付着して、被膜０３が均一に形成されないことが本発明者の実験により確認された。
【００１１】
本発明は、前述の事情に鑑み、ターゲット材料としての高濃縮度の同位体炭素を高い密着性を持って均一に形成することを第１の技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（本発明）
前記技術的課題を解決するために、請求項１記載の発明のガンマ線発生用のターゲット材料は、
少なくとも一対の電極および前記電極間に配置された絶縁部材により形成された空間に、ターゲット基板を配置し且つ表面層形成用粉体としての炭素粒子を収容して、前記電極間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、グラファイト化された炭素粒子を使用するので、ターゲット基板表面にターゲット材料としての炭素を高い密着性を持って均一に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の実施例１のガンマ線源装置の説明図である。
図１において、実施例１のガンマ線源装置１は、排気装置Ｐにより内部が排気された装置筐体１ａを有する。前記装置筐体１ａ内部には、荷電粒子線源の一例としての陽電子線源装置２が配置されている。前記陽電子線源装置２から出力された陽電子線２ａは、ガンマ線発生用ターゲット材３に照射される。前記ターゲット材３は、ターゲット基板３ａと、ターゲット基板３ａ表面に形成された表面層３ｂとを有する。前記ターゲット材３は、図示しない移動装置により、装置筐体１ａ内で移動可能に構成されており、同じ位置に陽電子線２ａが照射され続けることで破損することを低減するために照射される位置を変更可能である。なお、実施例１では、ターゲット材３の基板３ａは、ガンマ線に影響を与えにくい金（Ａｕ）により構成されており、表面層３ｂはガンマ線を発生させやすい炭素１３（１３Ｃ）により構成されている。
前記陽電子線２ａが照射されたターゲット材３の表面層３ｂでは、制動放射のガンマ線４が放出され、発生したガンマ線４は装置筐体１の窓材６を通じて外部に出力される。なお、前記窓材６としては、ガンマ線４の透過率が高い材料で構成可能であり、例えば、ベリリウムやアルミニウム等により構成できる。
【００１６】
図２は本発明の実施例１のターゲット材製造装置の全体説明図である。
図２において、本発明の実施例１のガンマ線発生用のターゲット材製造装置１１は、板状のベース１２を有する。前記ベース１２上には、第１電極部材１３が支持されており、前記第１電極部材１３の上方には、第１電極部材１３に対向して第２電極部材１４が配置されている。なお、実施例１では、前記第１電極部材１３として、前記ターゲット材３のターゲット基板３ａを使用することで、第１電極部材１３とターゲット基板３ａとを共通化（兼用）した。また、実施例１では、ターゲット基板３ａ（バッキング層）として、金（Ａｕ）を使用した。さらに、実施例１では、前記電極部材１３，１４間の距離は１０ｍｍ（＝１ｃｍ）に設定されているが、前記距離は設計や仕様等に応じて任意に変更可能である。
前記一対の電極部材１３，１４には、電源装置Ｅが接続されている。前記一対の前記電極部材１３，１４の内側には中空円筒状（リング状）の絶縁部材１８が挟持されている。前記一対の電極部材１３，１４および絶縁部材１８により囲まれた空間により粉体Ｆが収容される粉体収容空間１９が構成されている。なお、実施例１では、前記絶縁部材１８は、内周が直径２５ｃｍのリング状に形成されているが、直径は設計等に応じて任意に変更可能である。また、前記絶縁部材１８として、ガラスが使用されているが、材料は特に限定されず、任意の絶縁性の部材（セラミック、樹脂等）を採用可能である。
【００１７】
前記ベース１２の端部には、支柱２１が支持されており、支柱２１の先端部には第２電極部材１４側に延びるアーム２２がネジ止めされている。前記アーム２２の先端部には、軸部材２３が上下方向に移動可能に支持されている。軸部材２３の下端には前記第２電極部材１４の上面に接触する板状の押圧部材２４が支持されている。前記軸部材２３には、前記押圧部材２４とアーム２２との間にスプリング２６が装着されており、押圧部材２４を常時下方に付勢する。したがって、前記押圧部材により第２電極部材１４は第１電極部材１３側に押圧され、粉体Ｆが外部に漏出しないように粉体収容空間１９が密閉される。
実施例１では、前記粉体収容空間１９は、真空排気されず、室温の大気圧下に配置されている。そして、前記電源装置Ｅにより、電極部材１３，１４間に１２ｋＶ程度の直流電圧（即ち、電界強度は１２ｋＶ／ｃｍ）と、交流電圧が重畳されて印加される。なお、前記電圧は、１２ｋＶに限定されず、炭素の膜が成膜可能な任意の電圧、例えば、３ｋＶ〜３０ｋＶ程度の間の値に設定可能である。
【００１８】
また、実施例１では、前記粉体収容空間１９には、粉体Ｆとして、ターゲット材３の表面層３ｂを形成するための表面層形成粒子が収容されており、実施例１では、前記表面層形成粒子Ｆは、グラファイト化された炭素１３（１３Ｃ）により構成されている。なお、炭素１３に限定されず、炭素１２（１３Ｃ）も使用可能である。
前記グラファイト化された炭素１３は、以下の方法により作成する。まず、天然の炭素を遠心分離法、レーザー拡散法または電磁同位体分離法等の従来公知の同位体の分離方法により、炭素１３を濃縮度９９％以上にする。次に、この分離された濃縮同位体炭素１３を、不活性ガスの一例としての窒素（Ｎ２）ガスの１気圧の雰囲気中で、常温から昇温して、２５００Ｋ〜３５００Ｋで３時間以上加熱する。加熱して得られた炭素１３の粉体を、瑪瑙乳鉢で粉砕して数１０μｍ程度の微粉体とし、この微粉体を使用する。
【００１９】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１のガンマ線発生用のターゲット材製造装置１１において、３０００Ｋで加熱した炭素１３を使用すると、ターゲット基板３ａ表面に炭素１３の表面層３ｂが均一に形成されることが実験により確認された。このとき、遠心分離で得られた状態の炭素１３と、加熱後の炭素１３とを、Ｘ線回折法により測定すると、同位体が分離された状態の炭素１３は、アモルファス（非晶質）カーボンであるのに対し、２５００Ｋ以上で加熱後の炭素１３は、グラファイト結晶に転換していることがわかった。
【００２０】
したがって、実施例１のガンマ線発生用ターゲット材製造装置１１では、炭素１３をグラファイト化し、グラファイト化された炭素１３を使用することで、均一な表面層３ｂを形成することができる。また、作製された炭素膜は、密着性が高く、且つ、貴重で高価な炭素試料の純度を低下せず、損失がなく（高収率で）、必要な厚さで成膜できる。そして、従来よりも厚い厚さで成膜できる。さらに、ターゲット材製造装置１１は、室温で実行可能であり、ターゲット基板３ａの加熱等も伴わないため、ターゲット基板３ａの変形や変質が発生しないと共に、炭素膜成膜後すぐに取り出すことができる。したがって、実施例１のガンマ線源装置１では、均一な厚みで、密着性、耐久性が非常に高く、荷電粒子ビーム照射により膜厚が減少しない炭素１３の表面層３ｂを有するターゲット材３を使用して、安定したガンマ線を発生させることができる。
【００２１】
（成膜実験）
（実験例１）
実験例１では、アモルファス粉末を２５００Ｋ〜３５００Ｋの高温度処理により、フレーク状のアモルファス炭素１３を、グラファイト結晶化し、グラファイト化された粉末を瑪瑙乳鉢で、平均粒径４０μｍの微粉体化した。この微粉体を、厚さ０．２ｍｍの金のバッキング膜を電極基板１３として、実施例１のターゲット材製造装置１１で１６ｋＶの直流高電圧を印加して、炭素１３の成膜を行った。その結果、ターゲット基板（第１電極基板）３ａ表面に収量がほぼ１００％で高密着性をもった一様な炭素膜が成膜されたターゲットが作製された。ターゲット材製造装置１１を３時間の作動させた場合の炭素膜の厚さは、アモルファスカーボンの６倍の５００μｍ／ｃｍ２であった。この炭素１３膜の一様性は、どの場所にもよらず、最大で２％以内であった。実験の結果、炭素膜の厚さは最大で５０００μｇ／ｃｍ２まで作製できた。
（実験例２）
実験例２では、炭素１３に換えて、炭素１２にした以外は、同様の条件、同様の装置でターゲットを作製した。
【００２２】
（比較例１）
比較例１では、高温度処理無しの濃縮同位体アモルファス炭素粉末を厚さ０．２ｍｍの金バッキング膜表面に電子ビーム蒸着法により、厚さ８０μｇ／ｃｍ２の炭素膜を成膜してターゲットを作製した。
（比較例２）
比較例２では、高温度処理無しの濃縮同位体アモルファス炭素粉末を、実施例１のターゲット材製造装置１１で、実験例１と同様にして作製した膜厚〜１００μｇ／ｃｍ２以下のターゲットを作製した。
【００２３】
前記実験例１、２および比較例１、２のターゲットを静電型加速器にセットし、エネルギー３．２ＭｅＶ、Ｎｅ＋、３μＡ、ビームスポット径３．５ｍｍのイオンビームを各ターゲットに照射した。比較例１では、照射開始から４５分で炭素層が金のバッキング膜から剥離した。比較例２では、照射開始から２時間後に小さな割れが発生し、次第に全体に広がり、最後は剥離した。
実験例１，２では、共に、２５時間照射したが、剥離や膜厚減少、変形は全く発生せず、安定していた。なお、実験例１，２で、炭素膜の厚さを厚くして複数形成したが、厚みにかかわらず、同様に破損等せず、安定していた。
なお、メタンガスを熱分解して作製される市販の炭素フォイル（比較例３）は、同じ照射条件の場合、２０分以内で破損した。
【００２４】
（グラファイト化実験）
次に、高温度処理を実行する温度と、グラファイト化との関係を検証する実験を行った。
（実験条件）
分離された濃縮同位体のアモルファス炭素のフレーク５００ｍｇを、真空高温焼結炉の坩堝に入れて、窒素ガス雰囲気で、５時間加熱した。加熱温度は、２０００Ｋ（比較例３）、２５００Ｋ（実験例３）、３０００Ｋ（実験例４）、３５００Ｋ（実験例５）で実験を行った。
各温度で作製された粉末をＸ線スペクトル（Ｘ線回折法）で分析すると、比較例３では表れなかったが、実験例３〜５では、グラファイト結晶を示すスペクトルが観測された。この高温処理した粉末を瑪瑙乳鉢で粉砕して、実施例１のターゲット材製造装置１１を使用して成膜すると、均一に成膜できた。
【００２５】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ06）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、常温大気圧下でガンマ線発生用ターゲット材製造装置１１を稼働させたが、これに限定されず、粉体収容空間１９を加熱または冷却したり、真空排気あるいは高圧ガス封入等任意に変更可能である。すなわち、真空圧、大気圧、高圧状態のいずれでも、ターゲット材３を作製可能である。なお、このとき、温度や圧力、粉体のサイズ等により放電条件が変わるため、放電せず且つ粒子の往復動が行われる電圧を電源装置で印加することが必要となる。
【００２６】
（Ｈ02）前記実施例において、ターゲット基板３ａとして、金（Ａｕ）を例示したが、これに限定されず、例えば、タンタルや銅等の金属材料を使用することも可能である。また、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミックス等を使用することも可能であるが、この場合は、セラミック等が絶縁性であるため、第１電極部材１３と共通化できず、第１電極部材１３の表面側にセラミックス製のターゲット基板を配置する必要がある。なお、ターゲット基板３ａとしては、発生したガンマ線が透過する性能が高いものが好ましいことはいうまでもない。また、ターゲット基板３ａと電極１３とを共通化したが、別体とし、電極１３の内側にターゲット基板３ａを配置して、ターゲット基板３ａ表面に表面層３ｂを形成することも可能である。
【００２７】
（Ｈ03）前記実施例において、装置のサイズや印加する電圧は、実施例に例示した値に限定されず、設計に応じて変更可能である。このとき、電極間の間隔と、電圧は、放電条件や粉体の往復動と関連するため、放電せず且つ往復動可能な電圧および電極間間隔に設定することができる。また、印加する電圧は直流電圧に交流電圧が重畳された電圧に限定されず、交流電圧あるいは直流電圧のみ、あるいはパルス状の電圧とすることも可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、めのう乳鉢で粉砕した粉体を例示したが、これに限定されず、任意の方法で往復動可能な程度の大きさ（比重等により異なるが、５００μｍ以下程度が好ましい）にすることが可能である。また、製造された球状粒子の径は、粉体Ｆのサイズによるところがあるため、製造された球状粒子の径のばらつきを少なくするために、粉体Ｆのサイズも揃えることが望ましい。
【００２８】
（Ｈ05）前記実施例において、荷電粒子線源として陽電子線源を例示したが、これに限定されず、炭素１３からガンマ線を発生可能な荷電粒子線源であれば、レーザ光源装置や電子銃、イオンビーム発生装置等の荷電粒子線源を使用可能である。
（Ｈ06）前記実施例において、アモルファスの炭素１２、炭素１３をグラファイト化する際の温度、使用ガス、圧力、時間は、例示した条件に限定されず、炭素１２，炭素１３がアモルファスからグラファイトの状態にできる任意の数値に変更可能である。例えば、使用ガスは不活性ガスとして希ガスを使用することが可能であり、真空状態とすることも可能である。また、圧力も１気圧よりも高圧、低圧とすることが可能であり、時間もグラファイト化するのに十分な時間に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明の実施例１のガンマ線源装置の説明図である。
【図２】図２は本発明の実施例１のガンマ線発生用ターゲット材製造装置の全体説明図である。
【図３】図３は従来の炭素１３の成膜方法で成膜した場合の説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ガンマ線源装置、
２…荷電粒子線源、
２ａ…荷電粒子、
３…ガンマ線発生用のターゲット材、
３ａ，１３…ターゲット基板、
３ｂ…表面層、
１１…ガンマ線発生用のターゲット材製造装置、
１３，１４…電極、
１８…絶縁部材、
１９…空間、
Ｅ…電源装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の電極および前記電極間に配置された絶縁部材により形成された空間に、ターゲット基板を配置し且つ表面層形成用粉体としての炭素粒子を収容して、前記電極間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とするターゲット材料。
【請求項１】
少なくとも一対の電極および前記電極間に配置された絶縁部材により形成された空間に、ターゲット基板を配置し且つ表面層形成用粉体としての炭素粒子を収容して、前記電極間に前記表面層形成用粉体を往復動させる電圧を印加することにより、前記ターゲット基板表面に炭素の表面層が形成されたターゲット材を製造する場合に、アモルファスの炭素粒子を不活性ガス雰囲気中で２５００Ｋ以上の高温に加熱することでグラファイト化された炭素粒子により構成されたことを特徴とするターゲット材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２４１６３８（Ｐ２００８−２４１６３８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８６１４２（Ｐ２００７−８６１４２）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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