중성자 발생장치용 타깃과 그 제조방법

중성자 발생장치용 타깃과 그 제조방법{TARGET FOR NEUTRON-GENERATING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은, 양자(陽子) 빔을 조사해서 중성자를 발생시키는 중성자 발생 장치용의 타깃과 그 제조 방법에 관한 것이다.

암세포에 모이기 쉬우며 정상 세포에 모이기 어려운 붕소( ¹⁰ B)를 포함한 붕소 화합물에 의한 ¹⁰ B(n, α) ⁷ Li 반응을 이용해서 붕소( ¹⁰ B)가 열 중성자 또는 열외 중성자를 포획했을 때에 발생하는 α입자와 리튬 원자 핵( ⁷ Li)으로 암세포를 선택적으로 파괴하는 치료법인 붕소 중성자 포획 요법이 알려져 있다. 종래, 이 붕소 중성자 포획 요법은 연구용 원자로를 이용해서 실시해 왔지만, 연구용 원자로의 운용 계획과의 조정이 필요하며, 쉽게 치료 일정을 짤 수 없거나 기설의 연구용 원자로의 유지 관리 비용이나 수명의 문제가 있었다. 또한, 일반 병원에서 원자로를 중성자 발생 장치로서 이용하는 것은 비용이나 운용 관리 등의 면에서 매우 어렵다.

따라서, 최근, 가속기로 양자(陽子)를 가속하고, 소정의 에너지로 가속된 양자를 소정의 타깃재에 조사해서, 중성자를 발생시키는 중성자 발생 장치가 주목되어 왔다. 이러한 중성자 발생 장치는, 원자로와 비교해서 설비가 간소하다.

일반적으로, 이런 목적의 중성자 발생 장치의 타깃재로서는, 특허문헌 1, 2에 기재되어 있는 바와 같이 ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응을 이용하는 리튬, ⁹ Be(p, n) 반응을 이용하는 베릴륨, 고 에너지의 양자나 중수소에 의한 핵 파쇄 반응을 이용하는 우라늄, 탄탈, 텅스텐, 납, 비스무트, 수은 등의 고체 중금속이 검토되고 있다.

그러나, 고 에너지의 양자나 중수소를 가속기로 가속해서 고체 중금속의 타깃재에 조사해서, 핵 파쇄 반응에 의해 고밀도의 중성자를 발생시키는 중성자 발생 장치에서는 가속기가 대형이면서 고가가 되어, 일반 병원에 설치할 수는 있는 것은 아니다.

또, 핵 파쇄 반응에 의해 발생하는 중성자의 에너지는 매우 높고 타깃재를 가진 타깃을 내부에 포함하고, 붕소 중성자 포획 요법에서 이용되는 소용의 에너지의 열 중성자나 열외 중성자까지 중성자의 에너지를 감소시키는 감속재를 가지면서 고 에너지 중성자의 누설을 억제하는 차폐재를 가진 대형의 중성자 조사부를 필요로 한다.

따라서, 특허문헌 3에 기재된 바와 같이, ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응에 필요한 양자의 에너지 역치가 1.889MeV이므로, 양자를 가속하는 가속기도 소형이며 비교적 저렴한 제품으로 할 수 있으며, 가속된 양자를 조사하는 타깃재로서 리튬 금속( ⁷ Li)의 얇은 판을 이용하는 것이 제안되고 있다. 그러나, 리튬 금속은 활성도가 높고, 공기 중에서 쉽게 산소나 질소나 수분과 반응한다. 이때, 금속 기판 위에 증착 등의 방법으로 수십㎛정도 두께의 ⁷ Li의 얇은 막을 형성한 뒤, 그 위에서 매우 얇은 스테인리스강 박판으로 금속 기판에 밀봉하면서 동시에 리튬 금속을 유지(保持)하는 금속 기판에 냉각재를 순환시켜서 냉각하는 냉각재 유로를 가진 타깃의 구성이 제안되고 있다(특허문헌 3 참조).

그런데, 붕소 중성자 포획 요법에 있어서 환자에게 장시간의 중성자 조사( 照射)를 강요하지 않고, 환부에 조사하는데 필요한 열 중성자나 열외 중성자의 중성자 다발(束) 레벨을 얻기 위해서는 예를 들면 양자 빔의 전류 값은 필요 수준 이상이 필요하다.

하지만, 양자(陽子) 빔을 스테인리스강 박판 측에서 리튬 금속을 유지하는 타깃에 조사하면, 스테인리스강 박판이 가열되어서 부풀어오른다. 스테인리스강 박판이 부풀어 리튬 금속과 스테인리스강 박판의 접촉이 사라지면 스테인레스강 박판이 냉각되지 않게 되어 스테인레스강 박판이 파손되어 리튬 금속의 밀봉성이 훼손될 가능성이 있다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 구조의 타깃으로서도, 리튬 금속의 녹는점은 180℃로 비교적 낮아서, 스테인리스강 박판으로 밀봉된 리튬 금속이 용융되는 것은 피하기 어렵고 스테인리스강 박판이 부풀어 올라서 액화된 리튬이 타깃의 금속 기판의 한 부분에 편재되어버려 타깃으로서의 기능이 매우 떨어질 가능성이 있다. 따라서, 그런 상태가 되기 전에 고가의 타깃을 교환할 필요가 생긴다.

본 발명은, 상기한 종래의 과제를 해결하는 것이며, 간단한 구조로 타깃재로서의 리튬 금속의 가열이 진행되어도 타깃으로서의 기능을 유지할 수 있는 긴 수명의 중성자 발생 장치용의 타깃과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가속기에 의해 가속된 양자 빔을 타깃재인 리튬에 조사해서 ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응에 의해 중성자를 발생시키는 중성자 발생 장치용 타깃이며, 타킷재를 유지하는 금속 기판과, 금속 기판에 있어서 타깃재를 유지하는 유지면 측에 타깃재를 밀봉하는 밀봉 금속 박막을 구비하고,

금속 기판의 유지면 측에는, 가장자리 테두리부와, 가장자리 테두리부에 의해 둘러싸인 내부에 가장자리 테두리부와 같은 높이의 복수의 섬부분(island parts)을 남기고, 가장자리 테두리부 및 복수의 섬 부분 이외의 다른 영역을 타깃재의 두께만큼 감육(減肉, 두께가 줄어듬)된 오목부로 한 엠보스 구조를 가지며,

타깃재가 밀봉 금속 박막에 의해 금속 기판의 오목부에 밀봉되는 것을 특징으로 한다.

엠보스 구조에서의 감육된 오목부는,

테두리 프레임부에 의해 둘러싸인 내측에 육방 배치되고, 평면으로 보아 원형 모양을 갖는 복수의 원형 오목부와,

인접한 원형 오목부끼리 서로 연통하는 연통 오목부로, 이루어지는 것이 바람직하다.

오목부의 바닥면에는, 타킷재와 금속 기판의 부착성을 좋게 하는 부착 촉진층을 마련하는 것이 바람직하다.

또, 금속 기판은, 유지면측과 반대측의 면 쪽에 냉각재를 흐르게 하는 냉각재 유로를 다수 줄(라인) 설치하는 것이 바람직하다.

금속 기판은, 철 또는 탄탈로 구성되고, 밀봉 금속 박막은, 스테인리스강 박판, 티타늄 박판, 티타늄 합금 박판, 베릴륨 박판 또는 베릴륨 합금 박판으로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 부착 촉진층은 구리, 알루미늄, 마그네슘, 또는 아연의 박막층인 것이 바람직하다.

엠보스 구조에서의 섬 부분의 재질은, 중성자 발생 효율 향상의 관점에서 1~20질량%의 Cu, 20~40질량%의 Al, 또는 45~60질량%의 Mg 중 어느 것을 포함하고, 나머지가 Li와 불가피 불순물로 이루어진 리튬 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 특징을 가진 본 발명에 따르면, 금속 기판의 타깃재를 유지하는 유지면(保持面) 측에는, 가장자리 테두리부와, 가장자리 테두리부에 둘러싸인 내측에 가장자리 테두리부와 같은 높이의 섬 부분을 복수 남겨서 가장자리 테두리부 및 복수의 섬 부분 이외의 다른 영역을 타깃재의 두께만큼 감육된 오목부로 한 엠보스 구조를 가지고, 밀봉 금속 박막과, 가장자리 테두리부 및 복수의 섬 부분의 표면을, 예를 들면, HIP접합해서 타깃재가 밀봉 금속 박막에 의해 금속 기판의 오목부에 밀봉한다. 그 결과, 양자 빔이 밀봉 금속 박막을 통해서 타깃재의 리튬에 조사되고, 밀봉 금속 박막이 양자 빔의 가열에 의해 부풀어올라도, 복수의 섬 부분의 표면에서 접합되어 있어서 그 부풀어오름은 억제되고, 타깃재와 밀봉 금속 박막의 밀착 상태는 유지된다.

따라서, 금속 기판이 냉각재에 의해 냉각됨으로써, 금속 기판, 리튬을 통해서 밀봉 금속 박막도 냉각되고, 밀봉 금속 박막의 과열로 인한 파손 가능성을 저감할 수 있다.

도 7에 나타내는 비교 예와 같이 가장자리 테두리부만으로 밀봉 금속 박막이 접합되어 있는 경우, 타깃은, 밀봉 금속 박막이 부풀어오르면 그 팽창 부피가 가장자리 테두리부의 중앙에서 커지기 쉽다. 그 결과, 타깃재인 리튬 금속이 양자 빔의 조사에 의해 가열되어서 녹으면, 금속 기판과 밀봉 금속 박막 사이에서 리튬 금속이 타깃의 하방측으로 치우쳐 버려, 양자 빔이 조사되는 부위에 리튬 금속이 거의 존재하지 않게 될 우려가 있다.

본 발명에 따르면, 밀봉 금속 박막은, 가장자리 테두리부 및 복수의 섬 부분의 표면과 HIP 접합되고, 금속 기판의 유지면 측에 접합되어 있다. 따라서, 오목부에 밀봉된 리튬 금속이 양자 빔의 조사에 의해 가열되어서 녹아도 밀봉 금속 박막의 팽창에 따른 타깃재 두께의 변화가 작아지고, 금속 기판과 밀봉 금속 박막 사이에서 타깃의 테두리 프레임부에 둘러싸인 내측에 균등하게 유지된다.

그 결과, 타깃의 수명이 늘어나 고가의 타깃을 교환할 때까지의 양자 빔의 누적 조사 시간을 늘릴 수 있다. 즉, 붕소 중성자 포획 요법을 받는 환자의 치료 비용을 줄이는 것에 기여한다.

또, 본 발명의 다른 형태는, 가속기에 의해 가속된 양자 빔을 타깃재인 리튬에 조사해서, ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응에 의해 중성자를 발생시키는 중성자 발생 장치용 타깃으로서, 타깃재를 유지하는 금속 기판과, 금속 기판에 있어서 타깃재를 유지하는 유지면 측에 타깃재를 밀봉하는 밀봉 금속 박막을 구비하고,

상기 타깃재가, 1~20질량%의 Cu, 20~40질량%의 Al, 또는 45~60질량%의 Mg 중 어느 것을 포함하며, 나머지가 Li와 불가피한 불순물로 이루어지는 리튬 합금으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 특징을 가진 본 발명의 다른 형태에 따르면, 타깃재의 녹는점(融點)은, 녹는점이 비교적 낮은 순(純) 리튬 금속을 타깃재로 한 경우와 비교해서 수백 ℃ 정도 높아진다. 그 결과, 양자 빔의 조사에 의해 타깃재가 가열되어서 용융하는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 용융된 타깃재가 금속 기판의 일부분에 편재되어, 타깃으로서의 기능이 떨어지는 것을 막을 수 있다.

발명에 따르면, 간단한 구조로 타깃재로서의 리튬 금속의 가열이 진행되어도 타깃으로서의 기능을 유지할 수 있는 긴 수명의 중성자 발생 장치용 타깃과 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은, 중성자 발생 장치의 전체 개요도이고,
도 2는, 타깃부의 개요도이고,
도 3은, 타깃 패널의 설치 구조를 설명하는 설명도이고,
도 4는, 타깃 패널의 빔 조사면(11a) 측의 분해 구조 설명도이고,
도 5는, 타깃의 분해 설명도이고,
도 6은, 타깃(51A)의 제조 공정의 설명도이며, (a)는, 타깃(51A)의 금속 기판(52A)의 유지면측(X)(겉쪽)에 엠보스 구조를 형성하는 엠보스 구조 가공 공정과, 금속 기판의 유지면과 반대측(뒤쪽)에 냉각재 유로(52d)용 홈부를 형성하는 냉각재 유로 가공 공정 후에 오목부(52c)의 저면에 부착 촉진층을 형성하는 부착 촉진층 형성 공정을 수행하고 그 뒤에 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서 녹은 타깃재를 오목부(52c)에 충전하는 타깃재 충전 공정의 설명도, (b)는, 타깃재 충전 공정 완료 후의 상태 설명도, (c)는, 유지면측 평활화 공정을 종료한 후의 상태 설명도, (d)는, 타깃재 충전 공정 후의 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52A)과 뒤판(55)을 HIP 접합한 접합 공정 완료 후의 상태 설명도이다.
도 7은, 비교 예의 타깃(51B)의 구조 설명도이며, (a)는, 타깃(51B)의 사시도, (b)는, (a)에서의 YY단면도이고,
도 8은, 변형 예의 타깃(51C)의 구성 설명도이며, (a)는, 모식화해서 표시한 사시도, (b)는, (a)에서의 ZZ단면도이고,
도 9는, 변형 예에서의 타깃 패널의 빔 조사면(11a) 측의 분해 구조 설명도이고,
도 10은 변형 예에서의 타깃 패널의 용융 리튬 주입구, 충만 용융 리튬 출구의 배치 구조의 설명도이고,
도 11은, 변형 예의 타깃(51D)의 구조 설명도이며, (a)는, 타깃(51D)의 분해 설명도, (b)는, 타깃재(54)가 유지된 금속 기판(52D)의 평면도, (c)는, 금속 기판(52D)에서의 엠보스 구조의 확대 사시도이고,
도 12는, 변형 예의 타깃(51E)의 구조 설명도이며, (a)는, 타깃(51E)의 분해 설명도, (b)는, 타깃재(54)가 유지된 금속 기판(52E)의 평면도이고,
도 13은, 변형 예의 타깃(51E)의 제조 공정의 설명도이며, (a)는, 타깃(51E)의 금속 기판(52E0)의 유지면측(X)(겉쪽)에, 한결같이 감육된 오목부(52c)의 영역을 감육 가공하는 공정과, 금속 기판(52E0)의 유지면과 반대측(뒤쪽)에 냉각재 유로(52d)용 홈부를 형성하는 냉각재 유로 가공 공정 후에, 오목부(52c)의 저면에 부착 촉진층을 형성하는 부착 촉진층 형성 공정을 수행하고, 그 후에, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 녹은 리튬 합금(54a)을 오목부(52c)에 충전하는 리튬 합금 충전 공정의 설명도, (b)는 리튬 합금 충전 공정을 완료하고, 그 후에 유지면측 평활화 공정을 수행한 뒤의 상태 설명도, (c)는 엠보스 구조 가공 공정을 종료한 뒤의 상태 설명도, (d)는, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 녹은 타깃재(54)를 오목부(52c)에 충전하는 타깃재 충전 공� ��의 설명도, (e)는, 타깃재 충전 공정을 완료하고 그 후에 유지면측 평활화 공정을 수행한 뒤의 상태 설명도이고,
도 14는, 변형예의 타깃(51F)의 분해 설명도이다.

아래에, 본 발명의 실시형태와 관련한 중성자 발생 장치용 타깃을 적용한 붕소 포획 요법(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)용 중성자 발생 장치(100)에 관해서 도 1~4를 참조하면서 설명한다.

도 1은, 중성자 발생 장치의 전체 개요도이다.

도 1에서와 같이 중성자 발생장치(100)는, 주로, 양자 빔 발생장치(1), 양자 빔 발생장치(1)에서 발생시킨 양자 빔(6)을 타깃부(5)까지 진공 속을 이끄는 빔 도관(4), 양자 빔(6)에 의해 조사되어서 타깃부(5)에서 발생한 중성자를 소정의 에너지로 감속하면서 동시에 중성자 빔(9)으로 성형해서 환자의 환부(치료부3)에 조사하는 조사부(2)를 포함하여 구성되어 있다.

(양자 빔 발생장치(1))

양자 빔 발생장치(1)는, 소정 양의 양자(수소 이온)를 발생시키는 이온 원(1a), 양자를 가속하는 가속기(1b)를 포함한다.

본 실시형태에서의 중성자 발생장치(100)는 BNCT용이며, 그 타깃부(5)는 타깃재로서 리튬 금속을 사용하고, 그것에 양자를 조사해서 ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응에 의해 중성자를 발생시키는 것으로 한다. 그리고, 타깃재 중에서 일어나는 ⁷ Li(p, n) ⁷ Be 반응의 역치 1.889MeV 이상으로 3.0MeV정도까지의 양자 에너지 범위에서 가속기 (1b)에 있어서 가변으로 설정할 수 있게 한다. 그리고, 양자 빔(6)의 전류 값은 환자에 대한 중성자 조사의 치료 시간이 그 정도로 길어지지 않는 예를 들면 30분 정도를 목표로 하여 15~20mA정도로 한다.

그리고, 조사부(2)로부터 환자로 조사되는 중성자 빔(9)에 대한 열외(熱外) 중성자의 목표 값은, 체(體) 표면에서 2.5cm의 깊이로 2×10 ⁹ n/㎠s의 중성자 다발(束) 레벨이다.

이러한 요구 사양에 합치시켜, 소형이며 저 비용의 양자 빔 발생장치(1)는, 이온원(1a)으로서 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 이온원(源)을 사용하고, 가속기(1b)로서는 정전형(靜電型) 가속기를 이용한다.

이온원(1a)은, 여기에서는 전자 사이클로트론 공명 감소를 이용해서 수소( ¹ H)의 플라즈마를 생성하고, 솔레노이드 코일 또는 영구 자석과 6극 영구 자석에 의해 수소( ¹ H) 플라즈마를 가두고, 수소( ¹ H ⁺ ) 이온을 생성한다. ECR 이온원은, 무전극 방전을 위한 장시간 연속 안정 운전이 가능하며, 큰 강도 이온 빔을 생성할 수 있다는 특징이 있다.

정전형 가속기는, 전극 간에 직류 고전압을 인가하고 그 전극 간의 전위차에 의해 하전(荷電) 입자를 가속하는 장치이며, 본 실시형태에서는 저 에너지로 연속적인 이온 빔을 비교적 높은 전류 값으로 출력할 수 있는 가속기로서, 예를 들면, 다이나미트론(Dynamitron, 벨기에 IBA사(Ion Beam Applications SA)의 등록 상표)를 이용한다(특표2012-500454 참조). 이 가속기(1b)에서는, 양자 빔(6)의 전류값 15~20mA가 얻어질 가능성이 높다. 그리고, 이 가속기(1b)에 의해 얻어진 양자 빔(6)의 에너지는 1.889MeV이상으로 3.0MeV정도까지의 가능성이 있다.

도 1에 있어서, 빔 도관(4)의 조사부(2)의 바로 앞쪽(도 1의 좌측)에는 양자 빔(6)을 타깃부(5)의 타깃재(54)(도 4참조)에 조사함에 있어서, 빔 도관(4) 내에서 양자 빔(6)이 퍼져서, 빔 도관(4)의 내벽에 충돌해서 양자 빔(6)의 강도가 저하되는 것을 억제하기 위한 빔 집속 렌즈(7)가 마련되어 있다. 빔 집속 렌즈(7)로서는, 일반적으로 사중극(四重極) 전자석을 양자 빔(6)의 방향으로 극성을 반전시킨 것을 여러 개 조합해서 사용한다. 빔 도관(4)의 선단부에는, 타깃부(5)가 설치되는 콜리메이터(10)가 마련되어 양자 빔(6)의 세로 방향 및 가로 방향의 확산을 조정한다.

콜리메이터(10)는, 타깃부(5)로 입사하는 양자 빔(6)을, 타깃부(5)의 타깃재 (54)가 배치되어 있는 영역에 조사되도록 좁힌다. 콜리메이터(10)는, 내벽은 예를 들면, 원통 형상을 띠고 있으며 그 내벽의 외측에 도시되지 않은 수냉(水冷) 쟈켓이 배치되어서 상기 내벽이 냉각된다.

또한, 도 1에 있어서, 빔 도관(4)의 양자 빔 발생장치(1)와 빔 집속 렌즈(7) 사이는 직선으로 되어 있으며 아무것도 배치되어 있지 않지만, 특개2008-22920호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 조사부(2)를 치료부(3)의 환부에 대해서 적절한 방향에서 중성자 빔(9)을 조사할 수 있도록 회전 갠트리가 배치되고, 그 부분에는 양자 빔(6)의 방향을 굽히는 편향(偏向) 전자석(電磁石)이 여러 단 배치되고, 편향 전자석의 후단에는 빔 집속 렌즈(7)가 배치되는 구성으로 할 수 있다. 그 경우, 양자 빔(6)의 방향을 굽히는 부분의 빔 도관(4)에는 회전 씰부가 마련되어 있는 구성으로 하는 것이 좋다.

(조사부 2)

조사부(2)는, 양자 빔(6)의 축 방향을 따른 외형이 거의 원기둥(圓柱) 형상을 하고 있으며, 타깃부(5)의 전방에 원기둥 형상의 감속재(21)가 배치되고, 그 둘레방향 및 후방(양자 빔(6)의 입사방향과 반대방향)을 반사재(22)가 덮고 있다. 빔 도관(4)은 반사재(22)의 중앙에 마련된 관통홀에 삽입 통과되어 있다. 반사재(22)의 외주에는 방사선 차폐를 위한 원통형의 중성자 흡수재(23)가 배치되어 있다.

감속재(21) 및 반사재(22)의 전방측(조사측)에는, 도시하지 않는 필터가 배치되고, 그리고 그 전방 중앙에 개구가 마련된 콜리메이터(24)가 배치된다.

감속재(21)로서는, 예를 들면, 불화 마그네슘(MgF ₂ )이나 불화 알루미늄(AlF ₃ )을 이용하고, 반사재(22)로서는 흑연(C) 또는 납(Pb)이 고려된다. 덧붙여서, 반사재(22)로서 납을 이용하면, 조사부(2)가 무거워진다는 단점이 있지만 타깃부(5)에서 생기는 γ선을 차폐하는 효과도 생각하면 흑연보다 납이 더 바람직하다.

중성자 흡수재(23)로서는, 수소 등의 고속 중성자를 열화하고, 중성자 흡수 시 γ선을 방출하지 않은, 예를 들면, 붕소를 함유한 폴리에틸렌 수지 등이 고려될 수 있다.

상기 필터는, 중성자 투과 γ선 차폐 기능을 가지는 재료로 구성되고, 타킷부(5)에서의 핵 반응시에 생기는 γ선, 중성자 감속 과정에서 생기는 γ선 등, 치료에 유해한 γ선을 억제하고 열외 중성자를 치료 부위에 조사할 수 있도록 투과시킬 수 있는 불화 납(PbF ₂ ) 비스무트(Bi) 등을 이용한다. 불화 납과 비스무트를 비교하면 비스무트 쪽이, 중성자 투과 능력이 높고, γ선 차폐 성능이 높은 재료이지만, 비스무트는 상당히 고가의 재료이기 때문에 가격과 필요 성능에 따라 불화 납과 비스무트를 나눠 사용한다.

콜리메이터(24)로서는, 중성자 차폐 성능이 높고 중성자 조사에 의한 γ선 발생이 낮은 불화 리튬(LiF) 등을 이용한다.

(타깃부 5)

이어서, 도 2~도 6을 참조하면서 타깃부(5)의 구성을 설명한다. 도 2는, 타깃부의 개요도이다.

도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이 타깃부(5)는, 두 장의 타깃 패널(11A,11B)을, 그 선단측(양자 빔(6)의 입사 방향측)의 선단면(11b)을 맞추듯이 V자형으로 양자 빔(6)의 축선에 대해 경사시켜서, 예를 들어 30도 경사시켜서, 빔 도관(4)의 선단부에 마련된 콜리메이터(10)의 선단 플랜지부(10a)에 전기 절연을 위한 절연 부재(113)를 개재시켜서 설치된다. 또한, 도 2에서의 좌우에서 측판(12L, 12R)을 타깃 패널(11A, 11B)의 좌우의 패널 측면(11cL, 11cR)에 전기 절연을 위한 절연 부재(124)를 개재시켜서 수밀(水密)하게 조립하면서 동시에 선단 플랜지부(10a)에 맞닿게 한다.

그리고, 도 2에서는 생략되어 있지만, 그 외측에서 밑이 있는 원통 형상의 케이싱이 선단 플랜지부(10a)에 케이싱 안이 기밀한 상태가 되도록 씰 부재를 개재시켜서 예를 들어 나사 고정으로 조립된다(특허문헌 3의 Fig.5 참조).

또, 선단면(11b, 11b)에는, 가상 선(이점 쇄선)으로 나타낸 바와 같이 양자 빔(6)이 통과하지 않도록 빔 스톱 부재(112)가, 예를 들어 나사 고정으로 고정된다. 빔 스톱 부재(112)는, 양자 빔(6)이 선단면(11b, 11b)과의 틈새에 조사된 경우에 양자 빔(6)을 스톱시켜서 케이싱을 조사하지 않도록 하기 위한 구조이다. 빔 스톱 부재(112)로서는, 예를 들면, 저탄소강이 이용된다.

도 2에서의 타깃 패널(11A, 11B)의 좌측면에 냉각재 유로홀(117L, 117L)이 설치되어 있고, 타깃 패널(11A, 11B)의 우측면에도 도시되지 않지만 냉각재 유로 홀(117R, 117R)이 설치되어 있다.

냉각재 유로홀(117L, 117L)은, 측판(12L)의 상하 두 곳의 냉각재 유로 홀(121L, 121L)과 대응하도록 이루어져 있으면서 동시에 도시하지 않은 수밀(水密) 씰재가 배치되어 냉각재가 새지않는 구성으로 되어서 냉각재 연통홀(122L)에서 상면의 냉각재 유로홀(123L)에 이어진다.

상기한 도시하지 않은 케이싱 내에서 냉각재 유로홀(123L)과 선단 플랜지부 (10a)에 마련된 제1의 냉각재 유로홀(미도시)이 제1 냉각재 파이프(미도시)에 의해 접속된다. 그 제1의 냉각 파이프는, 예를 들면, 중성자 조사에 내성이 있는 수지관과 그 양단에 수밀 구조의 금속 커넥터를 가진 배관이다. 제1의 냉각재 파이프의 일측의 금속 커넥터는 제1의 냉각재 유로홀에 접속되어서 콜리메이터(10)의 냉각재 유로를 이용해서 냉각재를 유통시키도록 한다(특허문헌 3의 Fig.5 참조). 그리고, 제1의 냉각 파이프 타측의 금속 커넥터는 냉각재 유로홀(123L)에 접속된다.

마찬가지로 냉각재 유로홀(117R, 117R)(도 2에 도시하지 않음)은, 측판(12R)의 상하 2개의 냉각재 유로홀(121R, 121R)과 대응하게 되어 있는 동시에 도시하지 않은 수밀 씰재가 배치되어서 냉각재가 새지않는 구성으로 되어 있으며, 냉각재 연통홀(122R)에서 상면의 냉각재 유로홀(123R)로 이어진다.

상기한 도시하지 않는 케이싱 내에서 냉각재 유로홀(123R)과 선단 플랜지부 (10a)에 마련된 제2의 냉각재 유로홀(미도시)이, 제2의 냉각재 파이프(미도시)에 의해 접속된다. 그 제2의 냉각재 파이프는, 제1 냉각 파이프와 동일 구성이다. 제2의 냉각재 파이프의 일측의 금속 커넥터는, 제2의 냉각재 유로홀에 접속되어서 콜리메이터(10)의 냉각재 유로를 이용해서 냉각재를 유통시키도록 한다(특허문헌 3의 Fig.5 참조). 그리고, 제2의 냉각 파이프의 타측의 금속 커넥터는 냉각재 유로홀( 123R)에 접속된다. 이렇게 제1 및 제2의 냉각 파이프 중 한쪽이 타깃 패널(11A, 11B)에 냉각재 공급을 하고, 제1 및 제2의 냉각 파이프의 다른 쪽이 타깃 패널 (11A, 11B)에서 배출되는 냉각재를, 콜리메이터(10)의 냉각 통로를 통해서 배출한다.

여기에서, 냉각재로서는 예를 들면 순수(純水)를 이용한다.

도 3은, 타깃 패널의 부착 구조의 설명도이다. 도 4는 타깃 패널(11A)의 빔 조사면(11a)측의 분해 구조 설명도이다. 도 3에 있어서는 도 2의 타깃 패널(11A)을 예로 설명하고 있지만, 타깃 패널(11B)의 설치 구조도 마찬가지이다.

선단 플랜지부(10a)의 선단면에 설치된 암나사 구멍(미도시)에 설치 볼트(17)를, 삽통홀(115)을 통해서 전기 절연용의 절연 피스(18)를 통해서 나사 체결하여 사전에 타깃 패널(11A, 11B)과 측판(12L, 12R)이 조립된 것이 선단 플랜지부 (10a)에 설치된다. 절연 피스(18)에 의해 설치 볼트(17)는 타깃 패널(11A, 11B)과 접촉하는 일은 없다.

도 3에서는, 본래 타깃 패널(11A, 11B)을 설치하기 전에, 타깃(51A)은, 타깃 패널(11A, 11B)의 양자 빔(6)이 조사되는 쪽(겉쪽)의 면인 빔 조사면(11a)에 고정되어 있지만, 알기 쉽게 나누어서 나타내어져 있다. 그런데, 도 5의 설명 중에서 후술하는 바와 같이 타깃(51A)은, 금속 기판(52A), 타깃재(54)(도 4, 도 5 참조), 밀봉 금속 박막(53), 뒤판(55)으로 구성되어 있다. 그리고, 뒤판(55)은, 타깃 패널 (11A, 11B)중의 일부분이다(도 4 참조). 덧붙여서, 타깃 패널(11A, 11B)의 부재로서는 탄소강, 구리가 고려될 수 있다.

밀봉 금속 박막(53)의 구성 부재의 종류는, 타깃재(54)의 산화 등의 화학 반응을 방지할 수 있거나 또 타깃재(54)에 의해 부식되기 어려운 재질이면서 동시에 양자 빔(6)의 손실이나 양자 빔(6)에 의한 발열이 적다는 요청에서 양자 빔(6)을 통과시키기 쉬운 구성 부재의 종류를 선택하는 것이 적합하다. 밀봉 금속 박막(53)의 구체적인 구성 부재의 예로서는, 스테인리스강 박판, 티타늄 박판, 티타늄 합금 박판, 베릴륨 박판, 베릴륨 합금 박판 중 어느 것이 적당하다. 여기에서는, 밀봉 금속 박막(53)의 예로서 제조 원가가 싼 관점에서 두께가 4㎛인 스테인리스 포일로 하지만, 티타늄 합금 박판을 이용하는 경우에는 두께를 5㎛, 베릴륨 합금 박판을 이용하는 경우는 두께를 10㎛으로 하는 것이 바람직하다.

금속 기판(52A)의 뒷면(裏面)에는, 도 3, 도 4, 도 5에 나타내는 바와 같이 홈을 내서 구성된 냉각재 유로(52d)를 가지고, 금속 기판(52A)의 뒷면이 도 4에서 나타내는 바와 같이 타깃 패널(11A)의 빔 조사면(11a)의 뒤판(55)에 접합된다. 뒤판(55)은, 빔 조사면(11a)의 표면보다 조금 단차를 내어서 오목부로서 마련되어 있다. 도 4에서는, 타깃 패널(11A)을 뒤쪽에서 보고 있어서 좌우가 뒤바뀌어 있지만, 뒤판(55)의 좌우 근방에는 냉각재를 냉각재 유로(52d)에 공급 또는 냉각재 유로 (52d)에서 집합시키는 매니폴드(116L, 116R)가 겉쪽을 향해서 움푹 들어가게 마련되어 있다. 매니폴드(116L)에 개구되는 냉각재 유로홀(116La)은, 냉각재 유로홀(117L)에 통하게 한다. 마찬가지로 매니폴드(116R)에 개구되어 있는 냉각재 유로홀(116Ra)은 냉각재 유로홀(117R)에 통하게 한다.

이 구조는, 타깃 패널(11B)에 대해서도 마찬가지이며, 그냥 좌우를 나타내는 부호가 도 4와 거꾸로 될 뿐이며, 형상으로서는 완전히 동일하다.

도 5는, 타깃의 분해 설명도이다. 도 5에서는 뒤판(55)을 단순화해서 모식적으로 평면 형상으로 나타내고 있지만, 도 4에서 나타내는 바와 같이 타깃 패널 (11A(11B))의 뒤판(55)처럼 매니폴드(116L, 116R)의 부분이 아래에 움푹 패인 줄 홈(條溝)이다.

도 5에 나타내는 바와 같이 거의 직사각형 판 모양의 금속기판(52A)의 표면 측(도 5에서 「유지면(X)」로 표시)에는, 외주측에 가장자리 테두리부(52a)가 마련되고, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 있어서 도 6(a)에서의 좌우 방향 및 전후 방향으로 규칙적 이산적으로 배치된 섬 부분(52b)을 남기고 감육된 오목부(52c)의 영역으로 구성되어 있다. 가장자리 테두리부(52a)의 표면 높이와 섬 부분(52b)의 표면 높이가 같으며 오목부(52c)와의 단차는 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께와 같은 예를 들어 50㎛이다. 이 섬 부분(52b)을 남긴 오목부(52c)의 형성은, 이른바 「엠보스 구조」를 구성하고 있다. 이와 같은 가공은, 예를 들면, 밀링 가공으로 할 수 있지만, 방전 가공, 약품에 의한 엣칭 가공에 의해서도 수행할 수 있다.

금속 기판(52A)의 뒷면 측(유지면측(X)의 반대측)에는, 홈 가공으로 냉각재 유로(52d)를 형성하고 남은 부분이 냉각 핀(52e)이 된다.

그리고, 이 오목부(52c)에 금속 리튬이 충전되고, 그 뒤에 도 4에 나타내는 뒤판(55) 상에 금속 기판(52A)의 뒷면을 마주하게 해서 올리고, 그리고 금속 기판(52A)의 유지면측(X)의 면에 밀봉 금속 박막(53)을 올려서 HIP가공에 의해 밀봉 금속 박막(53)을 가장자리 테두리부(52a)의 표면 및 섬 부분(52b)의 표면에 접합하면서 동시에 금속 기판(52A)의 뒷면과 뒤판(55)을 동시에 접합한다.

여기에서, 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께는 50㎛로 했지만, 양자 빔(6)의 조사 방향에 대해서 30° 기울여서 타깃 패널(11A, 11B)이 설정되어 있기 때문에 양자 빔(6)의 타깃재(54)의 통과 거리는 약 110㎛가 되어 충분한 두께이다. 예를 들면 2.8MeV 에너지의 양자 빔(6)이 리튬 금속(타깃재(54))을 이 거리를 지나는 동안에 1.889MeV미만으로까지 내려가고, 그 후 양자는 금속 기판(52A)을 통과하게 되므로 조사된 양자가 리튬과 비탄성 산란을 발생해서 γ선을 방출시키는 것을 억제할 수 있다.

금속 기판(52A)으로서는 저탄소강(Fe) 또는 탄탈(Ta)이 바람직하며, 그 오목부(52c)의 저면에서부터 냉각재 유로(52d)의 홈 바닥까지의 두께는 타깃재(54)에 입사한 양자 빔(6)이 타깃재(54)를 통과한 나머지 양자를 모두 저지할 수 있는 두께로 한다.

철은, 양자의 충돌 결과 일어나는 격자 결함으로 인한 팽창 현상(블리스터링)이나 수소 취화(脆化)에 대한 내성이 탄탈(Ta)과 비슷하게 양호한 것에 더하여 저렴한 재료이다. 타깃 패널(11A, 11B)의 소재로서는, 구리(Cu)가 그 열 전도성에서 바람직하지만 금속 기판(52A)과 HIP(Hot Isostatic Pressing:열간 정수압 프레스) 접합에 의한 접합을 생각하면 탄소강으로서도 좋다.

(타겟(51A)의 제조 방법)

이어서, 도 6을 참조하면서 타깃(51A)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 도 6은, 타깃(51A)의 제조 공정의 설명도이며, (a)는 타깃(51A)의 금속 기판(52A)의 유지면측(X)(겉쪽)에 엠보스 구조를 형성하는 엠보스 구조 가공 공정과, 금속 기판의 유지면과 반대측(뒤쪽)에 냉각재 유로(52d)용의 홈부를 형성하는 냉각재 유로 가공 공정 후에 오목부(52c)의 저면에 부착 촉진층을 형성하는 부착 촉진층 형성 공정을 수행하고, 그 뒤에 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 녹은 타깃재를 오목부(52c)에 충전하는 타깃재 충전 공정의 설명도, (b)는, 타깃재 충전 공정 완료 후의 상태 설명도, (c)는 유지면측 평활화 공정을 종료한 후의 상태 설명도, (d)는 타깃재 충전 공정 후의 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52A)과 뒤판(55)을 HIP접합한 접합 공정 완료 후의 상태 설명도이다.

타깃(51A)은, 다음과 같이 제작된다.

(1)냉각재 유로 형성 가공 공정

금속 기판(52A)의 기본(元)이 되는 직사각형 모양의 저탄소강 또는 탄탈 판재에 대해서 그 일면측(뒤쪽(도 6(a)의 하측면에 대응))에 밀링 가공 등에 의해 냉각재 유로(52d)를 형성하기 위해 홈을 다수 가공하여 냉각 핀(52e)을 마련한다(도 6(a)참조).

(2)엠보스 구조 가공 공정

금속 기판(52A)의 겉쪽(도 6(a)에서의 상측면에 대응)에, 가장자리 테두리부(52a)와, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 도 6(a)에서의 좌우 방향 및 전후 방향으로 규칙적 이산적으로 배치된 복수의 섬 부분(52b)을 남기고 오목부(52c)를 소정 깊이의 감육 가공, 예를 들면 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께와 같은 50㎛의 감육 가공을 예를 들면, 밀링 가공으로 수행한다.

(3)부착 촉진층 형성 공정

엠보스 구조 가공 공정 다음에, 오목부(52c)의 바닥부에 구리, 알루미늄, 마그네슘, 또는 아연의 초박층(부착 촉진층)을, 예컨대 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스에 의해 형성하고, 그 두께는 예를 들어 0.05㎛로 한다. 이것은, 타깃재(54)인 리튬과 금속 기판(52A)과의 부착성(젖음성)을 좋게 하기 위한 가공이다. 이때, 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스 전에 가장자리 테두리부(52a)와 섬 부분(52b)의 도 6(a)에서의 상측의 표면에는 구리의 초박층을 형성하지 않도록 마스킹 처리를 하고, 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스 후에 마스킹을 벗긴다.

(4)타깃재 충전 공정

이어서, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 도가니(61)에 들어있는 타깃재(54)인 리튬 금속의 용탕을 오목부(52c)에 흘려 넣는다(도 6(a),(b)참조). 아르곤 가스는, 불순물로서 산소와 수분(H ₂ O)을 포함하고 있어서, 용융된 리튬 금속이 산화되므로 진공 중에서 충전하는 것이 바람직하다.

(5)유지면측 평활화 공정

이어서, (4)타깃재 충전 공정에 있어서 오목부(52c)에 충전한 타깃재(54)인 리튬 금속은 아르곤 가스 중 또는 진공 중에서 그대로 응고시키지만, 도 6(b)에서와 같이 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면에도 리튬 금속이 부착되고 그리고 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면보다도 솟아있다.

따라서, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 이것을 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면 높이까지, 예를 들면, 밀링 가공에 의해 긁어내고 리튬 금속의 분말도 아르곤 가스의 블로우 등에 의해서 제거한다. 그 결과, 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면이 깨끗한 상태로 노출되어 오목부(52c)으로만 리튬 금속이 충전된 상태가 된다(도 6(c)참조). 아르곤 가스는, 불순물로서 산소나 수분(H ₂ O)을 포함하고 있기 때문에 용융된 리튬 금속이 산화되므로 진공 중에 연삭하는 것이 바람직하다.

(6)접합 공정

이어서, 아르곤 가스 분위기 중에서 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)(도 6(d)에서는 모식적으로 설명하기 위해 뒤판(55)을 직사각형 모양의 평판으로 표시)을 수평이 되도록 해서 금속 기판(52A)의 뒤쪽을 아래로 하고, 뒤판 (55) 위에 올려놓고 다음에 금속 기판(52A)의 유지면측(X)(도 5참조)의 면 위에 밀봉 금속 박막(53)을 올린다.

그리고, HIP 접합시에 밀봉 금속 박막(53)과 접합하지 않는, 그리고 밀봉 금속 박막(53)과 대향하는 하면이 평탄한 접촉부재를 밀봉 금속 박막(53) 위에 올린다. 접촉부재로는 세라믹이 고려될 수 있다.

이 접촉부재는, 중량적으로 적당한 중량을 가지고, HIP접합을 시작하기 전에 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52A)의 유지면측(X) 면 사이의 아르곤 가스를 배제하면서 HIP 접합시에 밀봉 금속 박막(53)이 평탄하게 금속 기판(52A)의 유지면 측(X)의 면에 맞닿게 한 상태를 유지하고, 리튬 금속이 녹아서 밀봉 금속 박막(53)이 오목부(52c)에 가라앉지 않도록 하기 위한 것이다.

그 뒤, HIP접합을 수행한다. 덧붙여서, 이 접합 공정에 따르면 밀봉 금속 박막(53)과, 금속 기판(52A)의 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면을 접합하는 동시에 금속 기판(52A)과 뒤판(55)을 동시에 접합할 수 있다.

이때, 금속 기판(52A)의 냉각 핀(52e)의 하면과 뒤판(55)이 접합될 뿐 아니라 금속 기판(52A)의 사방 둘레의 측면부도 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 빔 조사면(11a)의 뒤판(55)을 형성하는 테두리부와 동시에 접합되기 때문에 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 빔 조사면(11a) 측은 매니폴드(116L, 116R)가 수밀 구조로 밀폐 접합된다.

이에 따라, 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52A)의 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면과의 접합과, 금속 기판(52A)과 뒤판(55)의 접합을, 개별적으로 실시하는 것보다도 가공 공정을 생략할 수 있다.

이상으로 인해 타깃(51A)이 완성된다.

도 7은, 비교예의 타깃(51B)의 구조 설명도이며, (a)는 타깃(51B)의 사시도, (b)는 (a)에서의 YY단면도이다.

비교예의 타깃(51B)은, 금속 기판(52B)의 표면측에 있어서, 외주측에 가장자리 테두리부(52a)가 설치되고, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 고르게 감육된 오목부(52c)의 영역이 마련되어 있으며, 이 엠보스 구조를 가지고 있지 않은 오목부(52c)에 타깃재(54)의 순(純) 리튬 금속이 밀봉된 구조를 가지고 있다.

본 실시형태의 타깃(51A)에 따르면, 양자 빔(6)이 입사하는 유지면 측(X)의 금속 기판(52A) 상의 밀봉 금속 박막(53)이 금속 기판(52A)의 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면과 접합되어 있어서 비교 예에 나타낸 것처럼 금속 기판(52B)의 양자 빔(6)이 입사하는 유지면측(X)에 엠보스 구조를 가지고 있지 않은 경우와 비교해서 타깃재(54)의 리튬 금속이 양자 빔(6)으로 가열되어서 용융 상태가 되어도 밀봉 금속 박막(53)의 열 팽창에 의한 부풀어 오름이 억제되며 용융된 리튬 금속의 가장자리 테두리부(52a)의 내부 평면의 한쪽에 중력에 의해 치우침이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 양자 빔(6)은, 콜리메이터(10)로 타킷 패널(11A, 11B)의 타깃재(54)에 균등하게 닿도록, 양자 빔(6)을 정형(整形)하고 있으므로 타깃(51A)의 밀봉 금속 박막(53)의 일부에만 스폿 형태로 양자 빔(6)이 조사되는 것이 방지되고 밀봉 금속 박막(53)의 과열로 인한 파손이 방지된다. 그 결과, 밀봉 금속 박막(53)의 조사(照射) 열화에 따라 수명에 이르기까지의 시간이 길어져 타깃(51A)의 수명이 길어진다.

이에 대해서, 비교 예에서는 콜리메이터(10)를 통해서 타깃(51B)의 타깃재(54)에 균등하게 양자 빔(6)을 조사해도 용융한 리튬 금속이 가장자리 테두리부(52a)의 내부의 평면 일측에 중력에 의해 치우침이 발생한다. 그 결과, 밀봉 금속 박막(53)의 뒤쪽(裏側)에 용융된 리튬 금속이 접하지 않은 부분이 발생하고, 그 부분은 용융한 리튬 금속을 통해서 냉각되는 일이 없이 과열에 따라 밀봉 금속 박막(53)이 파손될 때까지의 시간이 짧아져 타깃(51B)의 수명이 짧아진다.

그에 대해서 본 실시형태의 타깃(51A)에 따르면 그런 일이 없으므로, 비교 예의 타깃(51B)보다 수명이 길어지고, 붕소 포획 요법에서의 환자 1인당 비용 저감에도 도움이 된다.

또한, 타깃재(54)의 리튬 금속의 두께를 50㎛로 얇게 하고 있으므로, 양자 빔(6)이 리튬과의 비탄성 산란에 의해 그 에너지를 리튬 금속 내에서 잃는 것이 억제되어 비탄성 산란 γ선의 발생을 줄일 수 있다. 그 결과, 조사부(2)의 γ선 차폐의 구조 중량을 적고 가볍게 할 수 있어서 조사부(2)를 소형화할 수 있다.

그리고 또한, 타깃재(54)의 리튬 금속을 용융 상태에서 조사부(2)의 타깃부(5)에 순환해서 사용하는 경우는 그 순환 배관 구조가 복잡해지면서 조사부(2)의 밖에 배관되는 순환 배관의 γ선 차폐 구조가 필요해지는 것에 대해서 본 실시형태에서는 그 필요가 없이 콤팩트한 타깃부(5)의 구성으로 할 수 있다.

덧붙여서, 금속 기판(52A)은, 저탄소강 또는 탄탈로 하고 있으므로 금속 기판(52A)을 구리(Cu)로 한 경우보다도 양자(수소)의 흡수에 의한 팽창 현상(블리스터링)이 억제되어, 타깃(51A)의 수명이 길어져 붕소 포획 요법에서의 환자 1인당 비용저감에도 도움이 된다.

또한, 본 실시형태의 타깃(51A)의 금속 기판(52A)의 엠보스 구조의 형성에 있어서는, 엠보스 구조는, 규칙적인 구조 또는 불규칙한 구조 중 어느 것이어도 좋고 감육된 오목부 및 남겨지는 섬 부분의 형상은 직선 또는 곡선 중 어느 것으로 구성되는 형상이라도 좋다. 도 4~도 6에 있어서는, 금속 기판 표면상에 직사각형 형상의 섬 부분이 전후 방향 및 좌우 방향으로 등(等)간격으로 배열하도록 평면에서 보아 격자 무늬의 형상으로 감육된 오목부가 형성된 형태를 나타내고, 도 6(a)에서 섬 부분(52b)을 좌우에 인접하는 전후 방향의 열에서, 동일 전후 위치에 배치하는 「격자 형상」이라고도 할 수 있는 배치로 했지만 그것에 한정되는 것은 아니다. 섬 부분(52b)을 좌우에 인접하는 전후 방향의 열에서, 동일 전후 위치로 하지 않고, 벗어나게 한 「지그재그 형태」라고도 할 수 있는 배치로 해도 좋다.

《실시형태의 변형 예1》

이어서, 도 8을 참조하면서 본 실시형태의 타깃(51A)과 그 제조 방법이 다른 타깃(51C)의 구성과 그 제조방법에 대해 설명한다. 도 8은, 변형 예의 타깃(51C)의 구성 설명도이며, (a)는 모식화해서 표시한 사시도, (b)는 (a)에서의 ZZ단면도이다. 도 9는, 변형 예에서의 타깃 패널의 빔 조사면(11a) 측의 분해 구조 설명도이다. 도 10은, 변형 예에서의 타깃 패널의 용융 리튬 주입구, 충만 용융 리튬 출구의 배치 구조의 설명도이다. 타깃(51A)과 같은 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복하는 설명을 생략한다.

타깃(51C)은, 도 8에서 나타내는 바와 같이 모식적으로 금속 기판(52C)을 평판 모양으로 나타내고 금속 기판(52C)의 유지면(X)측에 밀봉 금속 박막(53)이 접합되고, 금속 기판 (52C)의 유지면(X)의 반대 측에 뒤판(裏板)(55)이 접합되어 있다. 타깃(51C)이 타깃(51A)과 다른 점은, (1)도 8에 나타내는 바와 같이 금속 기판(52C)의 유지면(X)측의 대각(對角) 모서리부 근방의 두 곳에 섬 부분(52b)이 없는 약간 넓은 직사각형 평면의 오목부(52c1,52c2)를 가지고 있는 점과, (2)오목부(52c1)에 연통되는 주입 통로(63)를 가지고 금속 기판(52C)의 유지면(X)의 반대 측에 예를 들면, 원통 형상의 돌출부를 가지고 그 돌출부의 단면에 주입 통로(63)가 개구되어 있는 관통부(52f1)와, 오목부(52c2)에 연통되는 주입 통로(64)를 가지고 금속 기판(52C)의 유지면(X)의 반대 측에 원통 모양의 돌출부를 가지고, 그 돌출부의 단면에 주입 통로(64)가 개구되어 있는 관통부(52f2)를 가지고 있다는 점이다.

금속 기판(52C)의 관통부(52f1,52f2)는, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이 매니폴드(116L, 116R)를 좌우 내측으로 피한 위치의 뒤판(55)의 평탄면에 관통시킨 관통홀(120A, 120B)에 삽입 통과시켜서 뒤판(55)(타깃 패널(11A))의 유지면(X)의 반대측 면과 단차없이 평평하게 구성되고, 주입 통로(63,64)가 타깃 패널(11A)의 유지면(X)의 반대측 면에 개구되어 있다.

타깃 패널(11B)에 대해서도 같은 구성이다.

타깃(51C)에서는 후술되는 용융 리튬 금속을 주입하는 타깃재 충전 공정에 있어서는 주입 통로(63)에는 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 가상 선(이점 쇄선)으로 나타낸 용융 리튬 주입 배관(65)이 접속되고, 주입 통로(64)에는 가상 선(이점 쇄선)으로 나타낸 충만한 용융 리튬 출구 배관(66)이 접속된다.

그리고, 예를 들어 용융 리튬 금속의 충전이 완료되고 응고한 후에 용융 리튬 주입 배관(65), 용융 리튬 출구 배관(66)은 절삭 절단되어서 주입 통로(63, 64) 내의 응고된 리튬 금속을 제거해서 관통부(52f1,52f2)의 주입 통로(63,64)는 도시하지 않는 뚜껑에 의한 밀봉 용접된다.

타깃(51C)은, 다음과 같이 제작된다.

(1)냉각재 유로 형성 가공 공정

금속 기판(52C)의 기본이 되는 직사각형 모양의 저탄소강 또는 탄탈 판재에 대해서 그 중 일면 측(뒤쪽(도 10에서의 상측면에 대응)에 밀링 가공 등에 의해 냉각재 유로(52d)를 형성하기 위해 홈을 다수 가공하여, 냉각 핀(52e)을 설치한다(도 10참조).

(2)주입 통로 천공 가공 공정

그 후, 도 10의 금속 기판(52C)의 오른쪽 아래 모서리 근방 및 왼쪽 위 모서리 근방에 주입 통로(63,64)의 구멍을 천공한다.

(3)엠보스 구조 가공 공정

금속 기판(52C)의 겉쪽(도 9에서의 상측면에 대응)에, 가장자리 테두리부(52a)와, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에, 도 9에서의 좌우 방향 및 전후 방향으로 규칙적 이산적으로 배치된 복수의 섬 부분(52b)을 남기고 오목부(52c)를 소정 깊이의 감육 가공, 예를 들면 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께와 같은 50㎛의 감육 가공을, 예를 들면 밀링 가공을 수행한다. 이때, 도 9에서의 왼쪽 아래 모서리 근방에 50㎛의 감육 가공의 오목부(52c1)를, 도 9에서의 하측의 가장자리 테두리부(52a) 측으로 돌출하는 형태로 형성하면서 도 9에서의 오른쪽 위 모서리 근방에 50㎛의 감육 가공의 오목부(52c2)를, 도 9에서의 상측의 가장자리 테두리부(52a) 측으로 돌출하는 형태로 형성한다.

이 결과, 도 9에서 나타내는 바와 같이 오목부(52c1, 52c2)의 바닥면에는 각각 주입 통로 천공 가공 공정에서 천공한 주입 통로(63,64)의 홀이 개구되어 있다.

(4)관통부 접합 공정

이어서, 도 10에서와 같이 금속 기판(52C)의 주입 통로(63,64)의 홀에 각각 연통하는 주입 통로(63,64)의 홀을 가진 원통 형상의 관통부(52f1,52f2)를 용접한다.

(5)접합 공정

다음으로, 아르곤 가스 분위기 중에서, 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)(도 8에서는 모식적으로 설명을 위해 뒤판(55)을 직사각형 모양의 평판으로 표시)을 수평이 되도록 해서 금속 기판(52C)의 뒤쪽을 아래로 하고, 뒤판(55)의 위에 올려놓고 이어서 금속 기판(52C)의 유지면측(X)(도 8(a)참조)의 면 위에 밀봉 금속 박막(53)을 올린다.

이때, 관통부(52f1,52f2)는, 각각 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)(도 9, 도 10 참조)의 관통홀(120A, 120B)에 삽입 통과되어서 관통부 (52f1,52f2)의 단면이 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)의 유지면(X)측과 반대측의 면에서 단차없이 평평하도록 이루어져 있다.

그리고, HIP 접합시에 밀봉 금속 박막(53)과 접합하지 않으며, 밀봉 금속 박막(53)과 대향하는 하면이 평탄한 접촉부재를 밀봉 금속 박막(53) 위에 올린다. 접촉부재로서는 예를 들면 세라믹이 고려될 수 있다.

이 접촉부재는 중량적으로 적당한 중량을 가지며, HIP 접합을 시작하기 전에 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52C)의 유지면측(X)의 면 사이의 아르곤 가스를 배제하면서 동시에 HIP 접합시에 밀봉 금속 박막(53)이 평탄하게 금속 기판(52C)의 유지면측(X)의 면에 맞닿은 상태를 유지하고 밀봉 금속 박막(53)이 오목부(52c, 52c1, 52c2)에 빠져 들어가지 않도록 하기 위한 것이다.

그 후, HIP 접합을 수행한다. 덧붙여서, 이 접합 공정에 따르면, 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52C)의 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면을 접합하는 동시에 금속 기판(52C)과 뒤판(55)을 동시에 접속할 수 있다.

이때, 금속 기판(52C)의 냉각 핀(52e)의 하면과 뒤판(55)이 접합될 뿐만 아니라 관통부(52f1,52f2)와 뒤판(55)의 관통홀(120A, 120B)도 접합된다. 또한, 금속 기판(52C)의 사방 둘레의 측면부도 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))의 빔 조사면(11a)의 뒤판(55)을 형성하는 가장자리 테두리부와도 동시에 접합되기 때문에 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))의 빔 조사면(11a)측은 매니폴드(116L, 116R)가 수밀 구조로 밀폐 접합된다.

이에 따라 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판(52C)의 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면과의 접합과, 금속 기판(52C)과 뒤판(55)의 접합을, 개별적으로 실시하는 것보다도 가공 공정을 생략할 수 있다.

(6)타깃재 충전 공정

이어서, 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)의 유지면(X)측과 반대측에 노출된 관통부(52f1,52f2)의 단면에 각각 용융 리튬 주입 배관(65)의 일단측을 용접하는 동시에 용융 리튬 출구 배관(66)의 일단측을 용접한다. 그리고, 용융 리튬 출구 배관(66)의 타단측을 기름 확산 펌프 등의 진공 펌프에 접속하고 용융 리튬 주입 배관(65)의 타단측을 용융 리튬 금속 공급측에 접속한다.

이때, 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))은, 유도 가열 등의 가열 수단, 절삭 장치, 용접 장치 등을 갖는, 밀봉 용기 내에 설치하는 것이 바람직하다.

그 후, 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 용융 리튬 출구 배관(66)측을 위로 하고, 용융 리튬 주입 배관(65) 측을 아래로 하게 배치해서 진공 펌프를 운전해 용융 리튬 주입 배관(65), 뒤판(55)과 밀봉 금속 박막(53) 사이에 형성된 오목부(52c, 52c1, 52c2)의 공간, 용융 리튬 출구 배관(66) 내를 진공 상태가 되도록 공기를 뺀다. 또, 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))을 유도 가열 등의 방법으로 200℃ 이상으로 예를 들어 400~500℃의 제1의 소정의 온도로 가열한다. 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))에는 도시하지 않은 온도 센서가 복수 설치되어 있으며, 제1의 소정의 온도로 가열이 완료된 것을 온도 센서의 신호로 확인해서 진공 중에서 미리 200℃ 이상으로 가열한 타깃재(54)인 용융 리튬 금속을 용융 리튬 주입 배관(65)을 통해서오목부(52c,52c1,52c2)의 공간을 채우도록 주입한다.

용융 리튬 금속이 충분히 오목부(52c,52c1,52c2)의 공간을 채우도록 주입된 것의 확인은, 예를 들어 X선으로 용융 리튬 출구 배관(66)의 용융 리튬 금속의 액면(液面)을 감시함으로써 쉽게 확인할 수 있다.

충분히 오목부(52c,52c1,52c2)의 공간을 용융 리튬 금속으로 채우도록 주입한 후에는 용융 리튬 금속의 공급 측을 덮고, 소정 시간 금속 기판(52C) 및 밀봉 금속 박막(53)과, 용융 리튬 금속이 젖어서 충분히 접촉할 때까지 타깃 패널 (11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 온도를 200℃이상의, 예를 들면, 200~300℃의 제2의 소정 온도로 소정의 시간(유지시간) 유지한다. 이 제2의 소정 온도 및 유지 시간은 미리 실험적으로 정한다.

여기에서 상술한 제1의 소정의 온도는, 높아도 용융 리튬 금속이 뒤판(55) 및 밀봉 금속 박막(53)을 침식하는 일이 없는 온도이며, 미리 실험적으로 정한다.덧붙여서, 제1의 소정의 온도가 제2의 소정의 온도와 같은 온도라도 좋다.

(7)타깃재 주입 통로 폐색 가공 공정

다음으로, 용융 리튬 금속을 충전한 후의 주입 통로(63,64)의 폐색 가공 공정에 관해서 설명한다.

유지 시간 경과 후, 오목부(52c,52c1,52c2)의 공간을 용융 리튬 금속이 채워진 상태로 서서히 냉각해서, 오목부(52c,52c1,52c2)의 공간이 고체의 리튬 금속이 충전된 상태가 된다. 타깃 패널(11A)(또는 타깃 패널(11B))에 설치된 온도 센서에 의해 충분히 냉각이 완료된 것을 확인 후 용융 리튬 출구 배관(66)을 닫아서 진공 펌프를 정지하여, 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))을 설치한 상기 밀봉 용기를 아르곤 가스 분위기 또는 진공 상태로 한다.

그리고, 용융 리튬 주입 배관(65) 및 용융 리튬 출구 배관(66)을 상기의 절삭 공구로 절단해 관통부(52f1)의 주입 통로(63) 및 관통부(52f2)의 주입 통로(64) 내의 리튬 금속을 절삭 제거한다. 미리 상기 밀봉 용기 내에 준비해 둔 도시하지 않은 금속 기판(52C)과 동일 부재로 제작된 뚜껑(미도시)을 관통부(52f1,52f2)의 주입 통로(63,64)에 끼워넣어 레이저 용접이나 전자선 용접 등으로 밀봉 용접한다.

이상에 의해 타깃(51C)이 완성된다.

또한, 본 변형 예에 있어서, (6)의 타깃재 충전 공정에서의 상기 유지시간을 단축하기 위해 (3)의 엠보스 구조 가공 공정의 후이며, (5)의 접합 공정 전에 실시 형태의 타깃(51A)의 제작에서의 (3)의 「부착 촉진층 형성 공정」을 포함하도록 해도 좋다.

또, 본 변형 예에서, (7)의 타깃재 주입 통로 폐색 가공 공정에 있어서, 용융 리튬 출구 배관(66) 및 용융 리튬 출구 배관(66)을 절삭 절단해서 주입 통로 (63,64)에 뚜껑을 덮기로 했지만, 그것에 한정되는 것은 아니다. 용해 리튬 금속 또는 고체 리튬 금속이 용융 리튬 출구 배관(66) 및 용융 리튬 출구 배관(66) 안에 충만해져 있는 상태에서 압접해서 봉인 용접해도 좋다.

또한, 본 변형 예에서는, 금속 기판(52C)에 관통부(52f1,52f2)를 설치하는 구성으로 하였지만 그것에 한정되는 일은 없으며, 관통부(52f1,52f2)는 설치하지 않고, 금속 기판(52C)의 주입 통로(63,64)의 구멍의 테두리부(緣部)와 뒤판(55)의 관통홀(120A, 120B)의 테두리부가 HIP접합되어 관통홀(120A, 120B)이 각각 따로 주입 통로(63,64)의 일부를 구성하게 해도 좋다.

본 변형 예에 따르면, 상기한 실시형태에서의 효과 이외에, 실시형태에 있어서는, 충전완료된 타깃재(54)가 HIP접합시에 용융해서 고온이 되고, 금속 기판(52A)이나 밀봉 금속 박막(53)을 침식할 가능성을 방지하는 효과가 있다. 그 결과, 본 변형 예의 타깃(51C)은, 실시 형태의 타깃(51A)보다 더 수명을 길게 할 수 있다.

《실시 형태의 변형 예 2》

이어서, 도 11을 참조하면서 본 실시 형태의 타깃(51A)과 엠보스 구조가 다른 타깃(51D)의 구성과 그 제조 방법에 관해서 설명한다. 도 11은, 변형 예의 타깃(51D)의 구조 설명도이며, (a)는 타깃(51D)의 분해 설명도, (b)는 타깃재(54)가 유지된 금속 기판(52D)의 평면도이며, (c)는 금속 기판(52D)에서의 엠보스 구조의 확대 사시도이다. 타깃(51A)과 같은 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복하는 설명을 생략한다.

타깃(51D)은, 금속 기판(52D), 타깃재(54), 밀봉 금속 박막(53), 뒤판(55)으로 구성되어 있다. 뒤판(55)은, 도 11(a)에서는 단순화해서 모식적으로 평면 형상으로 나타내어져 있지만, 타깃(51A)에 있어서와 마찬가지로 타깃 패널(11A, 11B)의 일부분이며, 도 4에서 나타내는 바와 같이 타깃 패널(11A)(11B)의 뒤판(55)과 같이 매니폴드(116L, 116R)의 부분이 아래에 움푹패인 줄 홈(條溝)이다.

도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 금속 기판(52D)은, 거의 직사각형 판 형상으로 그 표면 측(도 11(a)에서 위쪽)에는, 외주측에 가장자리 테두리부(52a)가 설치되어 있다. 금속 기판(52D)은, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 있어서 좌우 방향 및 전후 방향으로 규칙적 이산적으로 배치된 섬 부분(52b)을 남기고 감육된 오목부(52c)의 영역을 가지고 있으며, 이 오목부(52c)에 타깃재(54)가 유지된 구조로 이루어져 있다. 타깃(51D)이 타깃(51A)과 다른 점은, 금속 기판(52D)의 유지면에 형성되는 엠보스 구조의 형상이다.

도 11(b)에서와 같이 금속 기판(52D)의 엠보스 구조는, 육방(六方) 배치가 되도록 등간격으로 배치된 복수의 원형 모양의 오목부와, 그들을 서로 연통하는 오목부가, 복수의 섬 부분(52b)을 남기도록 규칙적으로 배열한 형상을 가지고 있다. 그리고, 규칙적으로 배열한 오목부에는, 타깃재(54)가 유지되어 있다. 도 11(c)는 타깃재(54)가 충전되지 않은 상태의 엠보스 구조의 일부분의 확대 사시도이다. 금속 기판(52D)에는 평면에서 보아 원형 모양으로 감육된 원형 오목부(52c3)와, 인접하는 원형 오목부(52c3) 사이를 연통하도록 감육된 직사각형 형상의 연통 오목부 (52c4)의 반복으로 이루어지는 오목부(52c)가, 대략 육각 기둥 모양의 섬 부분( 52b)을 벌집 구조의 정점 위치에 남기게 형성되어 있다.

금속 기판(52D)의 재질로서는, 저탄소강(Fe) 또는 탄탈(Ta)이 좋으며, 이와 같은 엠보스 구조의 가공은, 예를 들면, 밀링 가공으로 할 수 있지만, 방전 가공, 약품에 의한 엣칭 가공에 의해서도 할 수 있다.

원형 오목부(52c3)와 연통 오목부(52c4)는, 각각 같은 깊이가 되도록 형성할 수 있으며, 가장자리 테두리부(52a)의 표면 높이와 섬 부분(52b)의 표면 높이가 같으며 오목부(52c)와의 단차는 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께와 같은, 예를 들어 50㎛이다.

원형 오목부(52c3)와 연통 오목부(52c4)가 형성하는 오목부(52c)는, 소정 면적의 섬 부분(52b)이 이산해서 남도록 금속 기판(52D)의 가장자리 테두리부(52a)의 내측 면적에서의 면적율이 70%이상의 범위가 되게 형성하는 것이 좋다. 이러한 면적율로 형성함으로써 밀봉 금속 박막과 접합되는 섬 부분의 표 면적을 확보하면서 동시에 타깃재의 반응 단면적의 축소를 피할 수 있다.

원형 오목부(52c3)는, 대략 원형상으로 크기가 동일 또는 다른 복수의 원형 상이 규칙적으로 배열하도록 형성하고, 예를 들면, 원형 오목부(52c3)의 중심이 육방 배치가 되도록 등간격으로 형성할 수 있다. 도 11(c)에 있어서, R은 원형 오목부(52c3)의 반경, D는 각 원형 오목부(52c3)의 중심 간의 거리를 나타낸다. 원형 오목부(52c3)의 반경(R)은 특히 제한되는 것은 아니지만, 1mm~5mm, 바람직하게는 2mm로 할 수 있다. 각 원형 오목부(52c3)의 중심 간의 거리(D)는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, R+1mm∼R+3mm, 바람직하게는 R+1mm로 할 수 있다.

또, 연통 오목부(52c4)는, 각 원형 오목부(52c3)를 연통하는 직선형태의 홈으로 하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 각 원형 오목부(52c3)의 중심을 잇는 선에 축선이 일치하도록 중심 간의 최단 거리로 연통하는 배치로 하고, 평면에서 보아 대략 직사각형 모양이 되도록 마련할 수 있다. 도 11(c)에 있어서, L1은 연통 오목부(52c4)의 폭, L2는 연통 오목부(52c4)의 길이를 나타낸다. 연통 오목부(52c4)의 폭(L1)은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 원형 오목부(52c3)의 반경의 1/5~1/2, 바람직하게는 1/2로 할 수 있다.

반경 2mm의 원형 오목부(52c3)를 5mm간격으로 육방 배치하고, 1mm사방의 연통 오목부(52c4)로 인접하는 원형 오목부(52c3)를 연통하면, 금속 기판(52D)의 가장자리 테두리부(52a)의 내측 면적에서의 면적율은 약 72%확보된다.

오목부(52c)의 저면에서 냉각재 유로(52d)의 홈 바닥까지의 두께는, 타깃재 (54)에 입사한 양자 빔(6)이 타깃재(54)를 통과한 나머지의 양자를 모두 저지할 수 있는 두께로 한다.

도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 타깃(51D)은, 금속 기판(52D)의 뒷면(裏面) 측에는 타깃(51A)에서처럼 홈 가공으로 냉각재 유로(52d)가 형성되고, 남은 부분이 냉각 핀(52e)을 구성하고 있다.

오목부(52c)에 금속 리튬이 충전되고, 그 후에, 뒤판(55) 상에 금속 기판(52D)의 뒷면이 대향하도록 올려지고, 그리고 금속 기판(52D)의 상면에 밀봉 금속 박막(53)이 올려져서 HIP가공에 의해 밀봉 금속 박막(53)이 가장자리 테두리부(52a)의 표면 및 섬 부분(52b)의 표면에 접합되면서 금속 기판(52D)의 뒷면과 뒤판(55)이 동시에 접합되는 구조로 되어 있다.

이와 같은 타깃(51D)은, 상기한 타깃(51A)의 제조 방법에 준해서 제작된다.

본 변형 예에 따르면, 오목부에 존재하는 타깃재(54)인 리튬 금속이 양자 빔의 조사에 의해 가열되어서 녹아도 원형 오목부(52c3)가 팽창에 따른 압력을 분산하고, 연통 오목부(52c4)가 녹은 리튬 금속을 인접한 각 원형 오목부(52c3)에 분배해서 평준화하기 때문에 밀봉 금속 박막의 부풀어오름은 실시 형태의 타깃(51A)의 경우와 비교해서 보다 억제되어, 타깃재(54)와 밀봉 금속 박막과의 밀착 상태는 유지된다. 따라서, 밀봉 금속 박막의 과열로 인한 파손 가능성을 더 저감할 수 있다.

《실시형태의 변형 예 3》

이어서, 도 12를 참조하면서 변형 예에서의 타깃(51D)과 엠보스 구조의 재질이 다른 타깃(51E)의 구성과 그 제조 방법에 관해서 설명한다. 도 12는, 변형 예의 타깃(51E)의 구조 설명도이며, (a)는, 타깃(51E)의 분해 설명도, (b)는 타깃재(54)가 유지된 금속 기판(52E)의 평면도이다. 타깃(51A, 51D)과 같은 구성에 관해서는 같은 부호를 붙이고 중복하는 설명을 생략한다.

타깃(51E)은, 금속 기판(52E), 타깃재(54), 밀봉 금속 박막(53), 뒤판(55)으로 구성되어 있다. 뒤판(55)은, 도 12(a)에서는 단순화해서 모식적으로 평판 형상으로 나타내어져 있지만, 타깃(51A)에서처럼 타깃 패널(11A, 11B)의 일부분이며, 도 4에서 나타낸 바와 같이 타깃 패널(11A(11B))의 뒤판(55)과 같이 매니폴드(116L, 116R)의 부분이 아래에 움푹패인 줄 홈이다.

도 12(a)에 나타내는 바와 같이, 금속 기판(52E)은, 대략 직사각형 판 형상으로, 그 표면측(도 12(a)에 있어서 위쪽)에는, 외주측에 가장자리 테두리부(52a)가 설치되고, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에서 좌우방향 및 전후방향으로 규칙적 이산적으로 배치된 섬 부분(52b)을 남기고 감육된 오목부(52c)의 영역을 가진다.

타깃(51E)은, 타깃(51D)과 같은 엠보스 구조를 가지고 있으며, 도 12(b)와 같이, 금속 기판(52E)의 표면측에는 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 육방(六方) 배치를 취하도록 등간격으로 감육된 원형 오목부(52c3)와, 인접한 원형 오목부(52c3) 사이를 연통하도록 감육된 연통 오목부(52c4)로 이루어지는 오목부(52c)가 대략 육각 기둥 형상의 섬 부분(52b)을 남기게 형성되어 타깃재(54)가 유지되어 있다.

타깃(51E)이, 타깃(51D)과 다른 점은, 금속 기판(52E)의 유지면에 형성되는 엠보스 구조의 섬 부분(52b)의 재질이다.

타깃(51D)에서는, 오목부(52c)가 감육됨으로써 남는 섬 부분(52b)은, 금속 기판(52D)과 동일한 재질이며, 비(非) 리튬 금속으로, 바람직하게는 저탄소강(Fe) 또는 탄탈(Ta)로 구성되어 있다. 이에 비해, 타깃(51E)에서는, 섬 부분(52b)은 타깃재(54)이기도 한 리튬 합금(54a)으로 형성된다. 섬 부분(52b)은, 재질이 리튬 합금임에 따라 타깃으로서의 기능을 가지며 리튬의 경우와 비교해서 가열에 의해 용융되기 어려운 특성을 가지는 것이 된다.

리튬 합금으로서는, 예를 들어, 양자 빔의 조사에 의해 가열되어서 용융되지 않은, 즉 녹는점이 300℃ 정도 이상의 합금을 들 수 있으며, 구리-리튬 합금, 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-리튬 합금이 적합하게 이용된다.

구리-리튬 합금에 있어서, 첨가하는 Cu로서는, 1질량%이상이 바람직하며 1~20질량%가 더 바람직하다.

알루미늄-리튬 합금에 있어서, 첨가하는 Al로서는, 20질량%이상이 바람직하고, 20~40질량%가 더 바람직하다.

마그네슘-리튬 합금에 있어서, 첨가하는 Mg로서는 45질량%이상이 바람직하며, 45~60질량%가 더 바람직하다.

본 변형 예에 따르면, 타깃(51D)에서의 효과를 얻을 수 있으면서 섬 부분( 52b)이 타깃재(54)인 리튬을 포함한 합금으로 형성되어 있어서, 섬 부분(52b)에 있어서도 양자 빔의 조사에 의해 중성자를 발생시킬 수 있다. 그 결과, 금속 기판의 유지면 측에 섬 부분(52b)을 형성함으로써 생기는 중성자 발생 효율의 저하를 적게 할 수 있다.

도 12(a)에 나타내는 바와 같이, 타깃(51E)은, 금속 기판(52E)의 뒷면 측에는 타깃(51A)에서처럼 홈 가공으로 냉각재 유로(52d)가 형성되고, 남은 부분이 냉각 핀(52e)을 구성하고 있다.

오목부(52c)에 금속 리튬이 충전되고, 그 후에 뒤판(55) 상에 금속 기판(52E)의 뒷면이 대향하도록 올려지고, 그리고 금속 기판(52E)의 유지면측(X)의 면에 밀봉 금속 박막(53)이 올려져서 HIP 처리에 의해 밀봉 금속 박막(53)이 가장자리 테두리부(52a)의 표면 및 섬 부분(52b)의 표면에 접합되면서 동시에 금속 기판(52E)의 뒷면과 뒤판(55)이 동시에 접속되는 구조로 이루어져 있다.

이어서, 도 13을 참조하면서 타깃(51E)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 도 13은 타깃(51E)의 제조 공정의 설명도이며, (a)는 타깃(51E)의 금속 기판(52E0)의 유지면측(겉쪽)에 한결같이 감육된 오목부(52c)의 영역을 감육(減肉) 가공하는 공정과, 금속 기판(52E0)의 유지면과 반대측(뒤쪽)에 냉각재 유로(52d)용 홈부를 형성하는 냉각재 유로 가공 공정 후에 오목부(52c)의 저면에 부착 촉진층을 형성하는 부착 촉진층 형성 공정을 수행하고, 그 후에, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서 녹은 리튬 합금(54a)을 오목부(52c)에 충전하는 리튬 합금 충전 공정의 설명도, (b)는 리튬 합금 충전 공정을 완료하고 그 후에 유지면측 평활화 공정을 수행한 뒤의 상태 설명도, (c)는, 엠보스 구조 가공 공정을 종료한 뒤의 상태 설명도, (d)는 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서 녹은 타깃재(54)를 오목부(52c)에 충전하는 타깃재 충전 공정의 설명도, (e)는, 타깃재 충전 공정을 완료하고 그 후에 유지면측 평활화 공정을 수행한 후의 상태 설명도이다.

타깃(51E)은 다음과 같이 제작된다.

(1)냉각재 유로 형성 가공 공정

금속 기판(52E)의 기본이 되는 직사각형 모양의 저탄소강 또는 탄탈 판재에 대해서, 그 일면측(뒤쪽(도 13(a)의 하측면에 대응)에 밀링 가공 등에 의해 냉각재 유로(52d)를 형성하기 위해 홈을 다수 가공하고, 냉각 핀(52e)을 마련한다(도 13(a)참조).

(2)감육 가공 공정

판재의 겉쪽(도 13(a)에서의 상측면에 대응)에, 가장자리 테두리부(52a)를 남기고 소정 깊이의 감육 가공을 행하고, 저부(底部)가 평면상의 오목부(52c)를 가지는 금속 기판(52E0)을 형성한다. 예를 들면, 타깃재인 리튬 금속(Li)의 두께와 같은 50㎛의 감육 가공을 밀링 가공으로 수행한다.

(3)부착 촉진층 형성 공정

감육 가공 공정 다음에 오목부(52c)의 저부에 구리, 알루미늄, 마그네슘, 또는 아연의 초박층(부착 촉진층)을, 예컨대 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스에 의해 형성하고 그 두께는 예를 들어 0.05㎛로 한다. 이것은, 리튬 합금(54a)과 금속 기판(52E0)의 부착성(젖음성)을 좋게 하기 위한 가공이다. 이때 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스 전에 가장자리 테두리부(52a)의 표면에는 구리의 초박층을 형성하지 않도록 마스킹 처리를 하고, 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스 후에 마스킹을 벗겨낸다.

(4)리튬 합금 충전 공정

이어서, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서, 리튬 합금(54a)을 녹인 상태에서 도가니(61)에 넣은 것을 금속 기판(52E0)의 오목부(52c)에 흘려 넣는다(도 13(a),(b) 참조). 아르곤 가스는, 불순물로서 산소나 수분(H ₂ O)을 포함하고 있으므로, 용융된 리튬 합금(54a)이 산화되기 때문에 진공 중에서 충전하는 것이 바람직하다. 충전한 리튬 합금(54a)은, 아르곤 가스 중 또는 진공 중에서 그대로 응고시킨다.

(5)유지면측 평활화 공정

응고한 리튬 합금(54a)은, 가장자리 테두리부(52a)의 표면에 부착하고 그리고 가장자리 테두리부(52a)의 표면보다도 부풀어올라 있어서, 예를 들면, 밀링 가공으로 깎아내어, 리튬 합금(54a)의 분말도 아르곤 가스의 블로우 등에 의해서 제거한다(도 13(b)참조). 아르곤 가스는, 불순물로서 산소나 수분(H ₂ O)을 포함하고 있기 때문에 용융된 리튬 금속이 산화되므로 진공 중에 연삭하는 것이 바람직하다.

(6)엠보스 구조 가공 공정

이어서, 오목부(52c)에 충전한 리튬 합금(54a)에, 평면에서 보아 원형상으로 된 소정 깊이의 감육 가공, 예컨대 지름이 4mm이며, 오목부(52c)의 저부를 이루는 금속 기판에 이르는 깊이의 감육 가공을, 육방 배치를 취하도록 세로방향 및 가로방향으로 복수 개소, 밀링 가공 등에 의해 수행하고, 원형 오목부(52c3)를 형성한다.

또, 각 원형 오목부(52c3) 사이가 연통하도록 소정 형상의 연통 오목부(52c4)를 감육 가공, 예컨대 1mm 폭의 홈으로 연통하도록 오목부(52c)의 저부를 이루는 금속 기판에 이르는 깊이의 감육 가공을 수행한다.

모든 원형 오목부(52c3)를 연통 오목부(52c4)에서 연통시킴으로써 리튬 합금 (54a)으로 이루어지는 복수의 섬 부분(52b)과 오목부(52c)로 이루어지는 엠보스 구조를 갖는 금속 기판(52E)이 형성된다(도 13(c)참조).

(7)부착 촉진층 형성 공정

엠보스 구조 가공 공정 다음으로, 오목부(52c)의 저부에 구리, 알루미늄, 마그네슘, 또는 아연의 초박층(부착 촉진층)을, 예컨대 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스에 의해 형성하고, 그 두께는 예를 들어 0.05㎛으로 한다. 이것은 타깃재(54)인 리튬과 금속 기판(52E)의 부착성(젖음성)을 좋게 하기 위한 가공이다. 이때, 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스의 전에 가장자리 테두리부(52a)와 섬 부분(52b)의 도 13(c)에서의 상측 표면에는 구리의 초박층을 형성하지 않도록 마스킹 처리를 하고, 증착, 스퍼터링 등의 성막 프로세스 후에 마스킹을 벗긴다.

(8)타깃재 충전 공정

이어서, 아르곤 가스 분위기 중 또는 진공 중에서 타깃재(54)인 리튬 금속을 녹인 상태에서 도가니(61)에 넣은 것을 오목부(52c)에 흘려 넣는다(도 13(d)참조). 아르곤 가스는, 불순물로서 산소나 수분(H ₂ O)을 포함하고 있기 때문에 용융된 리튬 금속이 산화되므로 진공 중에서 충전하는 것이 바람직하다. 충전한 타깃재(54)인 리튬 금속은 아르곤 가스 중 또는 진공 중에서 그대로 응고시킨다.

(9)유지면측 평활화 공정

응고한 리튬 금속은, 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면에 부착하고, 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면보다도 부풀어 올라 있어서 예를 들면 밀링 가공으로 깎이고, 리튬 금속의 분말도 아르곤 가스의 블로우 등에 의해서 제거한다. 그 결과, 가장자리 테두리부(52a) 및 섬 부분(52b)의 표면이 깨끗한 상태로 노출되어 오목부(52c)에만 리튬 금속이 충전된 상태(도 13(e) 참조)가 된다. 아르곤 가스는, 불순물로서 산소나 수분(H ₂ O)을 포함하고 있어서 용융된 리튬 금속이 산화되므로 진공 중에서 연삭하는 것이 바람직하다.

(10)접합 공정

이어서, 타깃(51A)의 제조 방법에 있어서와 같이, 아르곤 가스 분위기 중에서 타깃 패널(11A)(또는, 타깃 패널(11B))의 뒤판(55)과, 금속 기판(52E)과, 밀봉 금속 박막(53)을 HIP 접합하다.

이상으로 타깃(51E)이 완성된다.

《실시 형태의 변형 예 4》

다음으로, 도 14를 참조하면서 본 실시형태의 타깃(51A)과 오목부 구조 및 타깃재(54)의 재질이 다른 타깃(51F)의 구성과 그 제조 방법에 대해서 설명한다. 도 14는, 변형 예의 타깃(51F)의 분해 설명도이다. 타깃(51A)과 같은 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 중복하는 설명은 생략한다.

타깃(51F)은, 금속 기판(52F), 타깃재(54), 밀봉 금속 박막(53), 뒤판(55)으로 구성되어 있다. 뒤판(55)은, 도 13에서는 단순화해서 모식적으로 평판 형상으로 나태내어져 있지만, 타깃(51A)에서처럼 타깃 패널(11A, 11B)의 일부분이며, 도 4에서 나타내는 바와 같이 타깃 패널(11A(11B))의 뒤판(55)과 같이 매니폴드(116L, 116R)의 부분이 아래에 패인 줄 홈이다.

도 14에서와 같이, 금속 기판(52F)은, 거의 직사각형 판 형상으로, 그 표면 측(도 14에서 위쪽)에는 외주측에 가장자리 테두리부(52a)가 설치되고, 가장자리 테두리부(52a)로 둘러싸인 내측에 있어서, 한결같이 감육된 오목부(52c)의 영역을 가지고 있다. 금속 기판(52F)에서의 오목부(52c)는, 저부가 평면 형상이며, 비교 예에서의 타깃(51B)과 마찬가지로 엠보스 구조를 가공 형성되지 않은 형상으로 이루어진다.

타깃(51F)이, 타깃(51B)과 다른 점은, 오목부(52c)에 충전되는 타깃재(54)의 재질이다.

타깃(51B)에 있어서는, 본질적으로 100질량%의 리튬으로 이루어지는 순 리튬 금속이 타깃재(54)로서 오목부(52c)에 충전된다.

이에 대하여, 타깃(51F)에 있어서는, 리튬 합금(54a)이 타깃재(54)로서 오목부(52c)에 충전된다. 리튬 합금(54a)은, 리튬 금속과 비교해서 가열에 의해 용융되기 어려운 특성을 가진 타깃재(54)이다.

리튬 합금(54a)으로서는, 예를 들면, 양자 빔의 조사에 의해 가열되고 용융되지 않은, 즉 녹는점이 300℃ 정도 이상이며, 양자 빔의 리튬 합금 중의 비정(飛程)이 가급적 짧아지지 않도록 첨가 금속%가 작은 리튬 합금을 들 수 있으며, 구리-리튬 합금, 알루미늄-리튬 합금, 마그네슘-리튬 합금이 적합하게 이용된다.

구리-리튬 합금에 있어서, 첨가하는 Cu로서는 1~20질량%가 바람직하고, 알루미늄-리튬 합금에 있어서 첨가하는 Al로서는 20~40질량%가 바람직하며, 마그네슘-리튬 합금에 있어서 첨가하는 Mg로서는 45~60질량%가 바람직하다.

금속 기판(52F)의 재질로서는, 저 탄소강(Fe) 또는 탄탈(Ta)이 바람직하며, 저부가 평면상의 오목부(52c)의 가공은, 예를 들면 밀링 가공으로 수행할 수 있지만, 방전 가공, 약품에 의한 엣칭 가공에 의해서도 수행할 수 있다.

가장자리 테두리부(52a)와 오목부(52c)의 단차는, 타깃재의 두께와 같으며, 예를 들어 50㎛이다.

오목부(52c)의 저면에서 냉각재 유로(52d)의 홈 바닥까지의 두께는 타깃재 (54)에 입사한 양자 빔(6)이 타깃재(54)를 통과한 나머지의 양성자를 모두 막을 수 있는 두께로 한다.

도 14에 나타내는 바와 같이, 타깃(51F)은, 금속 기판(52F)의 이면 측에는 타깃(51A)에서처럼 홈 가공 공정으로 냉각재 유로(52d)가 형성되고, 남은 부분이 냉각 핀(52e)을 구성하고 있다.

오목부(52c)에 리튬 합금(54a)이 충전되고, 그 후에, 뒤판(55) 상에 금속 기판(52D)의 뒷면이 마주하도록 올려지고, 그리고 금속 기판(52F)의 윗면에 밀봉 금속 박막(53)이 올려져서 HIP가공에 의해 밀봉 금속 박막(53)이 가장자리 테두리부(52a)의 표면에 접합되면서 동시에 금속 기판(52F)의 뒷면과 뒤판(55)이 동시에 접합되는 구조로 되어 있다.

이와 같은 타깃(51F)은, 상기 타깃(51E)의 제조 방법에 있어서 금속 기판 (52E0)에 리튬 합금(54a)을 충전하고, 유지면 측 평활화 공정을 수행한 뒤 HIP에 의한 접합 공정을 함으로써 제작된다.

또한, 미리 필요한 두께로 압연한 리튬 합금(54a)을 밀봉 금속 박막(53)에 압착시키고 이를 오목부(52c)를 마련하고 있지 않은 금속 기판상에 올리고 그리고 압착시키면서 동시에 밀봉 금속 박막(53)과 금속 기판을 기판 주변부에서 용접하는 방법도 있다.

본 변형 예에 의하면, 녹는점이 비교적 낮은 리튬 금속을 타깃재(54)로서 이용하는 경우와 비교해서, 양자 빔의 조사에 의해 타깃재(54)가 가열되어서 용융하고, 액화한 타깃재(54)가 금속 기판의 일부분에 편재되어 버려 타깃으로서의 기능이 떨어지는 것을 막을 수 있다.

1; 양자 빔 발생 장치
1a; 이온원
1b; 가속기
2; 조사부
3; 치료부
4; 빔 도관
5; 타깃부
6; 양자 빔
7; 빔 집속 렌즈
9; 중성자 빔
10; 콜리메이터
10a; 선단 플랜지부
11A, 11B; 타깃 패널
11a; 빔 조사면
11b; 선단면
11cL, 11cR; 패널 측면
12L, 12R; 측판
17; 설치 볼트
18; 절연 피스
21; 감속재
22; 반사재
23; 중성자 흡수재
24; 콜리메이터
51A, 51C, 51D, 51E, 51F; 타깃
52A, 52C, 52D, 52E, 52F; 금속 기판
52a; 가장자리 테두리부
52b; 섬 부분
52c; 오목부
52c3; 원형 오목부
52c4; 연통 오목부
52d; 냉각재 유로
52e; 냉각 핀
53; 밀봉 금속 박막
54; 타깃재
54a; 타깃재(리튬 합금)
55; 뒤판(裏板)
61; 도가니
100; 중성자 발생 장치
112; 빔 스톱 부재
113,124; 절연 부재
15; 설치홀
116L, 116R; 매니폴드
116La, 116Ra, 117L, 117R, 121L, 121R, 123L, 123R; 냉각재 유로홀
122L, 122R; 냉각재 연통로