CN101171530A - 中子检测装置和中子成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可通过简单的装置结构变更来设定灵敏度和时间分辨能力的中子检测装置。具备多个中子检测元件部，该中子检测元件部具有：超导元件(20)，其具有至少一个表面由电介质材料(11)形成的基体材料(10)、在表面上形成的超导材料的带状线(2)、以及在带状线(2)的两端部分形成的电极部(1)；电阻测定单元，利用带状线(2)的电阻值的变化来测定因带状线(2)中的超导元素与中子的核反应引起的发热；以及散热设定单元(5)，在与形成有带状线(2)的表面相反一侧的基体材料的背面部，设定由核反应引起的发热的散热性，在中子检测元件部之间，使散热性互不相同。
Description
技术领域
本发明涉及包括多个中子检测元件部的中子检测装置(neutrondetector)和中子成像传感器(neutron imaging sensor)。
背景技术
以往，进行了利用超导转变温度高的材料的装置的开发。作为超导转变温度高的超导材料，公知有超导转变温度为39K的MgB2。而且，例如，以将包含10B作为结构材料的能隙大的10B进行了浓缩的MgB2作为中子检测板，在该检测板上，检测由在中子入射时所发生的α射线产生的声子(例如，参照专利文献1)。
另外，还提出了可采用闪烁体板以二维方式检测中子的中子成像传感器。这样的中子成像传感器包括当中子入射时发光的闪烁体板和面向闪烁体板以二维方式设置的波长移动纤维，从而二维的中子检测成为可能(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：特开2003-14861号公报
专利文献2：特开2002-71816号公报
现有的中子检测装置是单纯以检测中子为目的的通用的检测装置。因此，该中子检测装置并不是根据各种用途，诸如以检测灵敏度为代价而要求时间分辨能力(time resolution)的用途或以时间分辨能力为代价而要求检测灵敏度的用途等而构成的。
作为本申请的中子检测装置的用途，例如，往往用中子衍射来分析物质的结构等等。在该用途中，当使用低强度的中子源进行长时间的观测时，要求尽管时间分辨能力低但检测灵敏度高的中子检测装置。另外，当使用高强度的中子源进行短时间的观测时，由于中子源本身为高强度，故要求是时间分辨能力高的中子检测装置，即使其检测灵敏度低亦可。
这样，在现有的中子检测装置中，并非针对中子检测的高灵敏度和高时间分辨能力的用途，也不清楚用何种结构能够简单地实现中子检测的高灵敏度和高时间分辨能力。另外，虽然也要求以二维方式进行中子检测，但存在无法以良好的灵敏度和时间分辨能力来实施二维的中子检测的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种可通过简单的装置结构变更来设定(set)灵敏度和时间分辨能力的中子检测装置和中子成像传感器。
为了达到上述目的的本发明的中子检测装置的特征结构是下述方面：其中，具备多个中子检测元件部，该中子检测元件部具有：超导元件，其具有至少一个表面由电介质材料形成的基体材料、在上述表面上形成的超导材料的带状线(strip line)、以及在上述带状线的两端部分形成的电极部；电阻测定单元，利用上述带状线的电阻值的变化来测定因上述带状线中的超导元素与中子的核反应引起的发热；以及散热设定单元，在与形成有上述带状线的上述表面相反一侧的上述基体材料的背面部，设定因上述核反应引起的发热的散热性，在上述中子检测元件部之间，使上述散热性互不相同。
按照上述特征结构，散热设定单元以设定因带状线中的超导元素与中子的核反应引起的发热的散热性的方式而被构成。通过用散热设定单元来设定散热性，从而即使因核反应发生的热量相同，在带状线附近滞留的热量的大小和滞留时间也不相同。而且，通过改善散热性，从而虽然减小了在带状线附近滞留的热量，但由于热的滞留期间缩短，故可使带状线中的超导元素与中子的核反应的时间分辨能力提高。另外，通过使散热性变差，从而虽然在带状线附近的热的滞留期间变长，但由于滞留的热量增大，故可提高带状线中的超导元素与中子的核反应的检测灵敏度。
进而，由于在中子检测元件部之间因核反应引起的发热的散热性互不相同，故可得到兼有因散热性佳而时间分辨能力优越的超导元件和因散热性差而检测灵敏度优越的超导元件的中子检测装置。
在此处，理想情况是，上述多个中子检测元件部设置在同一上述基体材料上。
按照该结构，通过采用例如硅基板等作为上述基体材料，从而在同一基体材料上利用半导体制造工艺，可得到以高密度集成了中子检测元件部的中子检测装置。
另外，也可以是具备3个以上的上述中子检测元件部、在上述中子检测元件部之间使上述散热性按3个以上等级呈现不同的结构。
按照该结构，能够以3个以上等级的时间分辨能力和检测灵敏度进行中子的检测。因此，即使是检测对象的中子的量和强度发生种种变化的情形，也可用单一的装置恰当地进行中子的检测。
另外，理想情况是，通过上述基体材料的上述背面部的厚度的设定，来构成上述散热设定单元。
按照该结构，例如在用半导体制造工艺来制造中子检测元件部时，通过设定对上述基体材料的背面部进行刻蚀的深度，能够比较容易地形成上述散热设定单元。
另外，理想情况是，在上述中子检测元件部之间上述基体材料的上述背面部的厚度互不相同的结构。
进而，理想情况是，上述电阻测定单元对上述多个中子检测元件部的各元件部独立(individual)测定电阻值的结构。
另外，理想情况是，上述多个中子检测元件部中的一部分是使由上述散热设定单元得到的上述散热性比其它的上述中子检测元件部优良并使时间分辨能力提高的分辨能力优先型的中子检测元件部的结构。
另外，理想情况是，上述多个中子检测元件部中的一部分是使由上述散热设定单元得到的上述散热性比其它的上述中子检测元件部差并使灵敏度提高的灵敏度优先型的中子检测元件部的结构。
按照这些结构，可得到兼有时间分辨能力优越的超导元件和检测灵敏度优越的超导元件的中子检测装置。因此，即使是检测对象的中子的量和强度发生变化的情形，也可用单一的装置恰当地进行中子的检测。
另外，理想情况是，上述超导材料包含MgB2，上述带状线中的10B与中子发生核反应。
按照该结构，由于构成带状线的超导材料包含在高温下呈现超导转变温度的MgB2，故具有无需使用于冷却带状线的冷却装置为大规模装置的优点。
另外，理想情况是，上述带状线被形成为曲折(meandering)形状。
按照该结构，由于带状线被形成为曲折形状，故宽度窄的带状线被形成为面状。其结果是，可提高构成带状线的超导材料与中子进行核反应的几率。
为了达到上述目的的本发明的中子成像传感器的特征结构在于，将具备上述结构的多个中子检测元件部排列配置成阵列状。
按照该特征结构，由于中子检测元件部以二维方式被排列配置成阵列状，故在很宽的二维范围内，能够以高的检测灵敏度和高的时间分辨能力来检测中子。
附图说明
图1是中子检测元件部的概略立体图。
图2是沿图1的线段A-A的纵剖面图。
图3是表示带状线中的温度与电阻值的关系的图。
图4是说明超导元件的制造工序的图。
图5是说明超导元件的制造工序的图。
图6是说明超导元件的制造工序的图。
图7是说明超导元件的制造工序的图。
图8是说明超导元件的制造工序的图。
图9是说明超导元件的制造工序的图。
图10是说明超导元件的制造工序的图。
图11是说明中子检测元件部的工作例的曲线图。
图12是表示基体材料的背面部的厚度与输出信号的衰减期间的关系的曲线图。
图13是表示基体材料的背面部的厚度与输出信号峰值电压的关系的曲线图。
图14是中子检测装置的纵剖面图。
图15是中子成像传感器的示意图。
图16是中子成像传感器中的中子检测元件部的配置说明图。
附图标记说明
1电极部
2带状线
5散热设定单元
10基体材料
11 SiN层(电介质材料)
16电流部(电阻测定单元)
17电压部(电阻测定单元)
18信号处理部(电阻测定单元)
20超导元件
30中子成像传感器
具体实施方式
本申请的中子检测装置具备多个中子检测元件部21。因而，首先从单个中子检测元件部21的结构进行说明。
图1所示的是具有超导元件20的中子检测元件部21的概略图，图2所示的是沿图1的线段A-A的纵剖面图。
如图1和图2所示，超导元件20具有：至少一个表面由电介质材料形成的基体材料10、在该表面上形成的包含MgB2的超导材料的带状线2和在该带状线2的两端部分形成的电极部1。而且，当带状线2中的10B与中子进行核反应，则由于该核反应引起的发热使上述带状线2出现电阻值的变化。当电流部16在将带状线2冷却到超导转变温度：Tc附近或其以下的温度的状态下在上述电极部1间流过电流，通过电压部17测定带状线2的电位差，从而带状线2的电阻值的变化由信号处理部18导出。或者，当电压部17在将上述带状线2冷却到超导转变温度：Tc附近或其以下的温度的状态下在上述电极部1间施加恒定电压，通过电流部16测定带状线2的电流，从而带状线2的电阻值的变化由信号处理部18导出。因而，电流部16、电压部17和信号处理部18具有作为电阻测定单元的功能。
图3所示的是表示形成带状线2之前的MgB2的温度与电阻值的关系的图。
带状线2的超导材料在超导转变温度：Tc以下时电阻大致为零，当受到热能的影响温度上升ΔTc、达到超导转变温度：Tc以上，则产生电阻：RN。另外，当将带状线2的超导材料冷却到超导转变温度：Tc以下，则电阻再次大致为零。例如，在将带状线2冷却到超导转变温度：Tc以下的状态下，在因带状线2中的10B与中子进行核反应而发热时，就会产生电阻，直至带状线2再次达到超导转变温度：Tc以下为止。也就是说，通过测定带状线2的电阻值，可检测带状线2中的10B与中子是否进行了核反应。换言之，通过测定带状线2的电阻值，可进行中子的检测。
另外，如图2所示，在该超导元件20中，在与形成有带状线2的表面相反一侧的基体材料10的背面部，设置设定因上述核反应引起的发热的散热性的散热设定单元5。如图3所示，从带状线2中的温度与电阻值的关系可知，如因带状线2中的核反应而发热，则带状线2的温度上升，从而电阻值上升。然后，如因核反应所发出的热散去，则带状线2的温度降低，从而电阻值减少。也就是说，如用散热设定单元5进行设定，使带状线2中所产生的热的散热性得到改善，则因核反应所发出的热快速散去，于是带状线2的温度也快速降低，所以中子检测的时间分辨能力得到提高。另外，如用散热设定单元5进行设定，使带状线2中所产生的热的散热性变差，则因核反应所发出的热局部滞留，于是带状线2的温度也易于长时间上升，所以中子检测的灵敏度得到提高。
接着，参照图4至图10，说明在图1和图2中所例示的超导元件20的制造工序。
图4所示的是形成超导元件20的基体材料10的结构。该基体材料10是在用SiO2层12、14(厚度300nm)夹持了Si层13(厚度400μm)的两面的结构上将SiN层(厚度1μm)成膜后的产物。因而，SiO2层12和SiN层11的层叠结构具有使带状线2的热在下方通过而散去的作为隔膜层的作用。
接着，如图5所示，在上述SiN层11上，使作为超导材料的MgB2层(厚度170nm)成膜。通过溅射形成该MgB2层，主要含10B。该MgB2层的一部分成为带状线2。然后，如图6所示，对MgB2层进行刻蚀，使之成为图1所示的曲折形状。此时，通过用电子束对MgB2层上所形成的抗蚀剂进行描绘，用ECR等离子体进行刻蚀，得到图1所示的线宽和线间隔约为1μm的曲折形状。接着，如图7所示，形成用于保护MgB2层的保护层(SiO)3。之所以形成该保护层3，是因为可防止构成带状线2的超导材料在常温的空气中自然氧化而使超导特性差的缘故。其后，为了制作图1所示的电极部1，对保护层3部分地进行刻蚀，使MgB2层露出。然后，通过在MgB2层的露出部分淀积电极材料，得到图8所示的结构。
如上所述，在构成中子检测元件部21的超导元件20中，制作检测中子一侧即基体材料10的表面侧的结构。
接着，参照图2、图9和图10，说明基体材料10的背面部的结构。如上所述，在与形成有带状线2的表面相反一侧的基体材料10的背面部，设置设定因带状线2中的超导元素与中子的核反应引起的发热的散热性的散热设定单元5。图9示出了在图8所示的结构的表面侧和背面侧涂敷了抗蚀剂层15后，除去在背面部所涂敷的抗蚀剂层15的一部分而形成了掩模的状态。此时，之所以也在表面侧涂敷抗蚀剂层15，是因为在以后的刻蚀工序中可使在基体材料10的表面侧所形成的保护层3、电极部1、带状线2免受损伤的缘故。
图10所示的是通过刻蚀除去了图9所示的背面部的SiO2层14的一部分的结构。该刻蚀工序可利用反应性离子刻蚀(RIE：Reactive IonEtching)等干法刻蚀或使用了BHF溶液的湿法刻蚀进行。其后，如图9所示，采取使用了EDP(乙二胺邻苯二酚)的各向异性湿法刻蚀以除去空出了窗部分的Si层13。其结果是，在图2所示的基体材料10的背面部形成除去了Si层13的凹部。此时，通过刻蚀除去Si层13的范围与在基体材料10的表面侧形成了曲折形状的带状线2的范围相对应。
如上所述，可形成图1和图2所示的超导元件20。
接着，说明具备上述超导元件20的中子检测元件部21的特性。
如图1所示，在电极部1之间，连接能够使电流流到带状线2的电流源或可用作能够测定所流过的电流的电流计的电流部16、与能够对带状线2施加电压的电压源或可用作能够测定所生成的电位差的电压计的电压部17。另外，设置可根据用电流部16和电压部17所得到的电流值和电位差来导出带状线2的电阻值的电阻测定单元。从而，电阻测定单元可用电流部16、电压部17和信号处理部18实现。
在后面将要述及的本发明的中子检测装置中，通过设定刻蚀深度，可适当地变更中子检测元件部21的基体材料10的背面部的厚度，即在本例中是通过刻蚀Si层13所设定的SiN层11、SiO2层12和Si层13(其中，Si层13的厚度也可定为零)的厚度。而且，通过改变Si层13的厚度，可使因带状线2中的核反应引起的发热的散热性发生变化。在此处，通过基体材料10的背面部的厚度(图14中的t1和t2)的设定来构成散热设定单元5。而且，通过增厚基体材料10的背面部，可改善上述散热性；通过减薄基体材料10的背面部，可使上述散热性差。即，当增厚基体材料10的背面部，则被该背面部夺取的带状线附近的热量增多。其结果是，在因核反应而产生的热量之中，虽然在带状线附近滞留的热量减少，但可缩短热的滞留时间，改善散热性。由此，可使带状线中的超导元素与中子的核反应的时间分辨能力提高。另一方面，当减薄基体材料10的背面部，则被该背面部夺取的带状线附近的热量减少。其结果是，在因核反应而产生的热量之中，虽然在带状线附近的热的滞留期间延长，散热性差，但可增大所滞留的热量。由此，可提高带状线中的超导元素与中子的核反应的检测灵敏度。
图11所示的是说明中子检测元件部21的工作例的曲线图。具体地说，是在电流部16中一边流过恒定电流一边用电压部17测定电压(电位差)的结果，特性A是改善了散热设定单元5的散热性时的结果，以及特性B是使散热设定单元5的散热性差时的结果。具体地说，对于相当于图14中的用t1或t2所示的部分的基体材料10的背面部的厚度，特性A是使该厚度为380[μm]时的结果，特性B是使该厚度为100[μm]时的结果。从图11可知，在特性A中，虽然所检测的电压的绝对值减小，但检测电压的期间却缩短，从而可以说时间分辨能力得到提高。另外，在特性B中，虽然检测电压的期间延长，但所检测的电压的绝对值却增大，从而可以说检测灵敏度得到提高。
另外，图12是表示基体材料10的背面部的厚度与输出信号的衰减期间的关系的曲线图。另外，图13是表示基体材料10的背面部的厚度与输出信号峰值电压的关系的曲线图。如这些曲线图所示，可知基体材料10的背面部的厚度越厚，输出信号的衰减时间就越短，从而呈现时间分辨能力优越的特性。另一方面，可知基体材料10的背面部的厚度越薄，输出信号的峰值电压就越大，从而呈现检测灵敏度优越的特性。再有，在这些曲线图中，2个黑圆点为实测值，虚线表示这些关系的推测值。
图14所示的中子检测装置在同一基体材料10上具备与上述装置有同样结构的2个中子检测元件部21a、21b。而且，在这些中子检测元件部21a、21b间，由于基体材料10的背面部的厚度互不相同，故使因带状线2中的核反应引起的发热的散热性互不相同。具体地说，在图14中，右侧的中子检测元件部21a的基体材料10的背面部的厚度t1比左侧的中子检测元件部21b的基体材料10的背面部的厚度t2厚(t1＞t2)。由此，右侧的中子检测元件部21a成为由散热设定单元5得到的散热性比左侧的中子检测元件部21b良好且时间分辨能力得到提高的分辨能力优先型的中子检测元件部21。即，该右侧的中子检测元件部21a的散热设定单元5具有作为按照基体材料10的背面部的厚度t1的设定而设定时间分辨能力的时间分辨能力设定部7的功能。另一方面，左侧的中子检测元件部21b被构成为其基体材料10的背面部的厚度t2比右侧的中子检测元件部21a的基体材料10的背面部的厚度t1薄。由此，左侧的中子检测元件部21b成为由散热设定单元5得到的散热性比右侧的中子检测元件部21a差且使灵敏度得到提高的灵敏度优先型的中子检测元件部21。即，该左侧的中子检测元件部21b的散热设定单元5具有作为通过基体材料10的背面部的厚度t2的设定而设定灵敏度的灵敏度设定部8的功能。再有，这2个中子检测元件部21a、21b除基体材料10的背面部的厚度t1、t2以外的结构互相相同。
通过形成为图14所示的结构，中子检测装置可进行由分辨能力优先型的中子检测元件部21a得到的时间分辨能力优越的中子检测、以及由灵敏度优先型的中子检测元件部21b得到的检测灵敏度优越的中子检测这两方面。
图15所示的是将多个上述中子检测元件部21排列配置成二维阵列状的中子成像传感器30的概略图。该中子成像传感器30由多个中子检测元件部21以及垂直传送用CCD22和水平传送用CCD23构成。多个中子检测元件部21在使因带状线2中的核反应引起的发热的散热性发生变化时输出因电阻变化而产生的电流信号或电压信号。垂直传送用CCD22和水平传送用CCD23传送这些信号。如图14所示，在多个中子检测元件部21间，其散热性互不相同。各中子检测元件部21的结构与图1所示的结构相同。因此，电流部16、电压部17和信号处理部18是被独立地设置在多个中子检测元件部21的各个上以测定其电阻值的结构。而且，信号处理部18用噪声滤波器、放大器等检测电流信号或电压信号，当检测出电流信号或电压信号，则在一定时间的期间输出恒定的电流，而不管该信号强度如何。由此，电荷被蓄积在垂直传送用CCD22中。或者，信号处理部18通过噪声滤波器检测电流信号或电压信号，并将其放大至一定的信号强度，在一定时间的期间输出恒定的电流，而不管该信号强度如何。由此，电荷被蓄积在垂直传送用CCD22中。而且，被蓄积在垂直传送用CCD22中的电荷被传送到水平传送用CCD23，最终作为表示二维图像的数据被输出。其结果是，二维的中子检测成为可能。再有，理想情况是，构成该中子成像传感器30的多个中子检测元件部21、垂直传送用CCD22和水平传送用CCD23采取被设置在同一基体材料10上的结构。
图16所示的是将多个上述中子检测元件部21排列配置成二维阵列状的中子成像传感器30的说明图，其中，示出了在中子检测元件部21间使其散热性按4个等级(level)呈现不同的情况下的配置。在图中，作出不同模样阴影线的中子检测元件部21具有不同的散热性。因此，该中子成像传感器30能够以4个等级的时间分辨能力和检测灵敏度进行中子的检测。在本例中，以配置成2行2列的4个散热性不同的中子检测元件部21为一组检测单元24，按二维配置多组检测单元24，构成中子成像传感器30。再有，在中子检测元件部21间使其散热性按多个等级呈现不同而构成的情况下，也有可能将该散热性定为2个等级或3个等级，或者定为5个等级以上。在这些情况下，关于各等级的中子检测元件部21的配置，具有相同等级的散热性的中子检测元件部21彼此之间最好不要局部化配置。
<其它实施方式>
<1>
在上述实施方式中，图示的超导元件的材料、形状、尺寸、电极部10的配置等也可改变。例如，在上述实施方式中，形成了包含作为超导材料的MgB2的带状线2，但也可在Nb、NbN等超导材料上或超导材料下形成蒸镀了含10B薄膜的化合物薄膜的曲折形状的带状线。另外，在上述实施方式中，示出了作为超导材料包含MgB2、上述带状线2中的10B与中子进行核反应的例子，但也可以是这二个组合以外的组合。
此外，也可变更位于带状线2的下方的构成基体材料10的各层的厚度和构成基体材料10的层数等。另外，将带状线2描绘成图1所示的曲折形状，但也可改变成只是直线之类的其它形状。
<2>
在上述实施方式中，如图2和图14所示，按照因刻蚀Si层13而形成的凹部的深度的设定，实现了散热设定单元，但也可用其它的结构来实现。例如，通过在因刻蚀形成的凹部淀积导热性好或差的物质等等而进行埋入，从而也可设定因带状线2中的核反应引起的发热的散热性。
<3>
在上述实施方式中，说明了使带状线2的热通过下方而散去的隔膜层由SiO2层12和SiN层11的层叠结构形成的例子，但隔膜层的结构并不限定于此。例如，在Si层13上可形成对SiO2层12或SiN层11成膜后的单层结构的隔膜层，也可在其上形成带状线2。或者，也可将隔膜层形成为3层以上的多层结构。
另外，构成隔膜层的材料也可以是上述SiO2和SiN以外的材料。
工业上的可利用性
本发明的中子检测装置和中子成像传感器可在例如原子反应堆内的中子检测及应用了中子衍射的物质的结构分析等中得到应用。
Claims (11)
1.一种中子检测装置，其中，具备多个中子检测元件部，
该中子检测元件部具有：
超导元件，其具有至少一个表面由电介质材料形成的基体材料、在上述表面上形成的超导材料的带状线、以及在上述带状线的两端部分形成的电极部；
电阻测定单元，利用上述带状线的电阻值的变化来测定因上述带状线中的超导元素与中子的核反应引起的发热；以及
散热设定单元，在与形成有上述带状线的上述表面相反一侧的上述基体材料的背面部，设定因上述核反应引起的发热的散热性，
在上述中子检测元件部之间，使上述散热性不同。
2.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述多个中子检测元件部设置在同一上述基体材料上。
3.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
具备3个以上的上述中子检测元件部，在上述中子检测元件部之间使上述散热性按3个以上的等级呈现不同。
4.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
通过上述基体材料的上述背面部的厚度的设定，来构成上述散热设定单元。
5.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
在上述中子检测元件部之间上述基体材料的上述背面部的厚度互不相同。
6.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述电阻测定单元对上述多个中子检测元件部的各元件部独立测定电阻值。
7.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述多个中子检测元件部中的一部分是使由上述散热设定单元得到的上述散热性比其它的上述中子检测元件部优良并使时间分辨能力提高的分辨能力优先型的中子检测元件部。
8.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述多个中子检测元件部中的一部分是使由上述散热设定单元得到的上述散热性比其它的上述中子检测元件部差并使灵敏度提高的灵敏度优先型的中子检测元件部。
9.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述超导材料包含MgB2，构成为上述带状线中的10B与中子发生核反应。
10.如权利要求1所述的中子检测装置，其中，
上述带状线被成为曲折形状。
11.一种中子成像传感器，其中，
将多个根据权利要求1～10任一项所述的中子检测元件部排列配置成阵列状。
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