JP2008209294A

JP2008209294A - 半導体センサ、放射線検出器及び放射線モニタ

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Publication number: JP2008209294A
Application number: JP2007047263A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Hamaguchi; 広基浜口; Shoichi Nakanishi; 正一中西; Kenichi Mogi; 健一茂木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP4773994B2

Abstract

【課題】振動や静電気の影響を軽減して信頼性の高い半導体センサ、放射線検出器及び放射線モニタを得る。
【解決手段】放射線を検出する半導体素子１１の負及び正電極１２ａ，１２ｂに絶縁物１５を介して対向して導電層１６ａ，１６ｂが設けられ、シールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂが０Ｖ電圧で同電位に固定されているので、シールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂ間の浮遊容量が小さくなる。従って、半導体センサ１の振動によりシールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂとの間隔が微量に変化しても半導体センサ１の対地浮遊容量がほとんど変動しないため、振動ノイズのない信頼性の高い半導体センサ１を得ることができる。また、放射線検出器１０は半導体センサ１と前置増幅器２がシールドケース３に収容して構成しているので、外部電磁ノイズの影響を低減できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、原子炉施設や粒子線使用施設等の放射線放出管理あるいは放射線管理に用いられる放射線を検出するための半導体センサ、放射線検出器及び放射線モニタに関するものである。

上記のような施設では、従来から半導体素子を使用した放射線検出器が使用されており、半導体素子から出力される信号パルスの電荷量は、ノイズと識別するための波高弁別レベルにおいて１０のマイナス１５乗クーロンオーダと微小である。それゆえ外部から侵入する電磁ノイズ対策として、半導体素子の直近に前置増幅器を配置し、半導体素子と前置増幅器を一緒にシールドケース内に収容し、シールドケースを前置増幅器の電源の０Ｖ端子に接続している。半導体素子は、シリコン等の半導体の片方の表面に負電極が、反対側の表面に正電極が設けられており、湿気を遮断して電極間を高絶縁状態に維持するために樹脂で密閉されている。

高感度の半導体素子はその検出部面積が大きくなり、それに伴い電極面積が大きくなり、各電極とシールドケース間に形成された浮遊容量のため、放射線検出器に振動または衝撃が加わって浮遊容量の値が変動すると、それに伴い各電極への電荷の出入りが生じ、該電荷の出入りにより前置増幅器にパルス状の電流が流れて振動ノイズが発生する。例えば、市販されている２４ｍｍ×２４ｍｍの有感面積の半導体素子の場合、電極とシールドケースとの距離を５ｍｍにすると浮遊容量は１ｐＦ程度となり、振動で上記距離が１０μｍ変動すると浮遊容量は約０．００２ｐＦ変動し、電極に印加する電圧を±１２Ｖとすると約１．２×１０のマイナス１４乗クーロンの電荷が出入りすることになり、ノイズ弁別レベルに相当する信号電荷１０のマイナス１５乗クーロンオーダを超えることになり、振動で放射線検出器が誤動作して指示が上昇して誤警報が発信する不適合が発生することになる。これを防止するために、複数の半導体素子を三角形の２辺に、残りの１辺に前置増幅器を配置した断面構造となるようにして検出器の剛性を高める方法（例えば、特許文献１参照）、あるいは半導体素子と前置増幅器の組み合わせを複数配置した検出器において、複数の前置増幅器の出力信号の非同時出力を計数して振動ノイズを排除する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１２８４５４（段落番号００１３及び図３）特開平４−３０３７８７（段落番号００１１、００１２及び図１）

放射線検出器の振動源は、周辺設備のモータの振動であったり、放射線検出器に人や物が接触することにより発生する振動であったりさまざまであるが、振動により半導体素子の電極に電荷の移動が誘導される。また、１０のマイナス１５乗クーロンオーダの微小な信号を取り扱う放射線検出器は、帯電している人や物が接触すると電撃により半導体素子の電極に電荷の移動が誘導される。特に上記施設内の放射線レベルを常時監視しているエリアモニタの検出値が上昇すると徹底した原因調査が行われるが、一過性の振動が原因の場合は原因調査が難航することが多く、半導体素子を使用した放射線検出器の振動対策及び静電気対策が課題となっている。

本発明は、上記のような問題点を解決して、振動や静電気の影響を軽減して信頼性の高い半導体センサ、放射線検出器及び放射線モニタを得ることを目的とする。

この発明に係る半導体センサにおいては、一方の面に負電極を反対側の面に正電極を有し放射線を検出して電気信号を出力する半導体素子と、負電極及び正電極の表面に設けられた絶縁物と、絶縁物の表面に設けられ外部と電気的に接続しうるようにされた導電層とを備えたものである。

この発明に係る放射線検出器においては、上記半導体センサと、コモン電位部を有し半導体センサの出力する電気信号を増幅して増幅信号を出力する増幅器と、放射線検出器と増幅器とを収容し物理的電気的に保護するシールドケースとを備え、半導体センサの導電層と増幅器のコモン電位部とシールドケースとを接続して検出器共通電位部とされたものである。

この発明に係る放射線モニタにおいては、上記放射線検出器と、測定部共通電位部を有し放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって放射線検出器と測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、保護筐体の電気的遮蔽体と放射線検出器の検出器共通電位部と測定部の測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされたものである。

この発明に係る放射線モニタにおいては、上記放射線検出器と、測定部共通電位部を有し放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって放射線検出器と測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、保護筐体の電気的遮蔽体を放射線検出器近傍において１点接地するとともに、放射線検出器の検出器共通電位部と測定部の測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされたものである。

この発明に係る半導体センサにおいては、一方の面に負電極を反対側の面に正電極を有し放射線を検出して電気信号を出力する半導体素子と、負電極及び正電極の表面に設けられた絶縁物と、絶縁物の表面に設けられ外部と電気的に接続しうるようにされた導電層とを備えたものであるので、導電層を外部例えばシールドケースと接続することにより半導体センサが振動してもシールドケースと同電位に保たれるので、両者間の浮遊容量が小さくなるため、振動により正負各電極への電荷の出入りが小さくなって振動ノイズの発生が軽減されるため、振動の影響をなくすことができる。

この発明に係る放射線検出器においては、上記半導体センサと、コモン電位部を有し半導体センサの出力する電気信号を増幅して増幅信号を出力する増幅器と、放射線検出器と増幅器とを収容し物理的電気的に保護するシールドケースとを備え、半導体センサの導電層と増幅器のコモン電位部とシールドケースとを接続して検出器共通電位部とされたものであるので、半導体センサの導電層とシールドケースとを接続することにより半導体センサが振動してもシールドケースと同電位に保たれるので、両者間の浮遊容量がなくなり、振動により正負各電極への電荷の出入りが小さくなって振動ノイズの発生が軽減されるため、振動の影響をなくすことができる。

この発明に係る放射線モニタにおいては、上記放射線検出器と、測定部共通電位部を有し放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって放射線検出器と測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、保護筐体の電気的遮蔽体と放射線検出器の検出器共通電位部と測定部の測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされたものであるので、振動の影響をなくすことができるとともに、保護筐体により静電気の影響を軽減できる。

この発明に係る放射線モニタにおいては、上記放射線検出器と、測定部共通電位部を有し放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって放射線検出器と測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、保護筐体の電気的遮蔽体を放射線検出器近傍において１点接地するとともに、放射線検出器の検出部共通電位部と測定部の測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされたものであるので、振動の影響をなくすことができるとともに、保護筐体により静電気の影響を軽減できる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１である放射線モニタの構成を示す断面図である。図１において、放射線検出器１０は半導体センサ１と前置増幅器２を備え、半導体センサ１は放射線を検出して電流パルス信号を出力し、前置増幅器２は上記電流パルスを電圧パルスに変換増幅する。シールドケース３は、半導体センサ１と前置増幅器２を一緒に収容して外来ノイズから電気的に遮蔽する。半導体センサ１は、半導体素子１１と絶縁物１５と導電層１６ａ，１６ｂを有する。半導体素子１１は、片方の表面に負電極１２ａが、反対側の表面に正電極１２ｂが設けられており、負電極１２ａと正電極１２ｂにはそれぞれ導電性接着剤１３ａ，１３ｂでリード線１４ａ，１４ｂが接着されて引き出されている。半導体素子１１の表面全体は、防湿のため負電極１２ａと正電極１２ｂの表面を含めて絶縁物１５を密着させて設けることにより密閉され、半導体素子１１の負電極１２ａ及び正電極１２ｂの表面に設けられた絶縁物１５の表面には、絶縁物１５を介して負電極１２ａと正電極１２ｂｎとが対向するようにしてそれぞれ導電層１６ａ，１６ｂがリード線１４ａ，１４ｂの引き出し箇所を除き絶縁物に密着して設けられている。

前置増幅器２にはマイナス電圧線４とプラス電圧線５が接続されて直流電圧が印加され、半導体素子１１にはフィルタ６ａ、高抵抗７ａを通して負電極１２ａにマイナス電圧が印加され、フィルタ６ｂ、高抵抗７ｂを通して正電極１２ｂにプラス電圧が印加される。また、前置増幅器２のコモン電位部である０Ｖ電圧線８１がシールドケース３に接続されている。導電層１６ａ，１６ｂにはそれぞれ導電性接着剤１３ｃ、１３ｄでリード線１４ｃ、１４ｄが接着されて引き出され、それぞれ対地電圧が０Ｖであるシールドケース３に接続され、前置増幅器２のコモン電位部である０Ｖ電圧線８１、シールドケース３、導電層１６ａ，１６ｂは同じ電位に固定され、これらが放射線検出器１０の検出器共通電位部となっている。なお、導電層１６ａ，１６ｂは、リード線１４ａ，１４ｂの引き出し箇所を除いて一体に形成したものであってもよい。

上記のように負電極１２ａと正電極１２ｂは、それぞれの表面に絶縁物１５を介して対向するようにして絶縁物１５に密着固定して導電層１６ａ，１６ｂが設けられているため負電極１２ａと導電層１６ａとの間隔が固定され、同様に正電極１２ｂと導電層１６ｂとの間隔が固定され、シールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂが０Ｖ電圧で同電位に固定されることによりシールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂ間に浮遊容量が存在しなくなる。従って、半導体センサ１が振動して振動でシールドケース３と導電層１６ａ，１６ｂとの間隔が微量に変化しても半導体センサ１の対地浮遊容量の変動が軽減されるため、振動ノイズの影響の少ない信頼性の高い放射線検出器１０を得ることができる。また、半導体センサ１と前置増幅器２はシールドケース３に収容されているので、外部の電磁ノイズの影響を低減できる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２である半導体センサの構成を示す断面図である。図２において、導電層としての金属シート２６ａ，２６ｂは実施の形態１の導電層１６ａ．１６ｂと同様に機能するもので、例えば容易に入手できかつ安価なアルミニュウムシートを用いる。金属シート２６ａ，２６ｂは、接着剤２７ａ，２７ｂで絶縁物１５に密着して固定する。

この実施の形態によれば、容易に入手できかつ安価な金属シート２６ａ，２６ｂを接着材２７ａ，２７ｂで絶縁物１５に接着することにより、低コストで振動ノイズのない信頼性の高い半導体センサを得ることができる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３である半導体センサの構成を示す断面図である。図３において、導電層としての粘着金属シート３６ａ，３６ｂは実施の形態１の導電層１６ａ．１６ｂと同様に機能するもので、例えば容易に入手できる粘着アルミニュウムシートを用いる。そして、粘着金属シート３６ａ，３６ｂの周辺部が剥がれないように接着材３８ａ，３８ｂで補強するとよい。

この実施の形態によれば、容易に入手できかつ安価な粘着金属シート３６ａ，３６ｂを用いて導電層を構成することにより、低コストで振動ノイズのない信頼性の高い半導体センサを得ることができる。

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４である半導体センサの構成を示す断面図である。図４において、導電層としての金属薄膜４６は絶縁物１５に蒸着により金属膜を強固に密着してして形成したものである。金属薄膜４６に導電性接着材１３ｃでリード線１４ｅが接着されて引き出され、０Ｖ電圧線８１に接続されている。

この実施の形態によれば、絶縁物１５に金属を蒸着して金属薄膜４６を形成することにより、絶縁物１５に強固に密着した経年的に安定な導電層が得られるので、信頼性の高い長寿命の半導体センサを得ることができる。

実施の形態５．
図５は、実施の形態５である放射線モニタの構成を示すブロック図である。図５において、放射線モニタ５００は放射線検出器１０と測定部８と保護筐体としての保護ケース５０から構成されている。測定部８は、放射線検出器１０から出力された検出器信号を入力して放射線量を測定し、保護ケース５０は、放射線検出器１０と測定部８とを収容してこれらを物理的かつ電気的に保護する。保護ケース５０は、樹脂製ケース５０１と遮蔽導電層としての金属層５０２を有し、樹脂製ケース５０１の内面に金属層５０２が密着して設けられている。保護ケース５０の遮蔽導電層としての金属層５０２及び放射線検出器１０の検出器共通電位部である０Ｖ電圧線８１を、測定部８の測定部共通電位部である０Ｖ電圧線８２経由で接地電極９１に１点接地する。金属層５０２は、例えばアルミニュウム、銅等の金属シートを用い、これを図示しない接着剤にて樹脂製ケース５０１に接着する。あるいは、アルミニュウム、銅等の金属を樹脂製ケース５０１に蒸着して形成する。金属層５０２は、接地電極９１に接続されている。

上記のように構成することにより、帯電した人や物が金属層５０２に直接接触することがなくなり、上記半導体センサの電極に電荷の出入りが誘導されることがなくなるため、帯電現象に対しても信頼性の高い放射線検出器を提供できる。すなわち、保護ケース５０の表面側を絶縁物の樹脂製ケース５０１で構成することにより、帯電した人や物と保護ケース５０との間の放電が発生しにくくなる。また、軽微な放電が発生しても放電に伴い発生する誘導ノイズは、接地された樹脂内面の金属層５０２により、内部への侵入が軽減される。また、保護ケース５０の金属層５０２と放射線検出器１０のシールドケース５の０Ｖ電圧線８１を接地電極９１に１点接地してループをつくらないようにすることにより、外来のノイズが侵入しににくなる。これらの相乗作用により、放射線検出器１０へのノイズの誘導が一層抑制されるため、帯電現象に対しても信頼性の高い放射線モニタを得ることができる。

実施の形態６．
図６は、実施の形態６である放射線モニタの構成を示すブロック図である。図６において、放射線モニタ６００は放射線検出器１０と測定部８と保護筐体としての保護ケース４０と検出器ケーブル６５から構成されている。保護ケース６０は、放射線検出器１０を収容して物理的かつ電気的に保護し、検出器ケーブル６５は、放射線検出器１０から出力された検出器信号を測定部８に遠隔伝送する。保護ケース６０は、樹脂製ケース６０１とその内面に密着して設けられた遮蔽導電層としての金属層６０２を有し、遮蔽導電層としての金属層６０２は放射線検出器１０の近傍の接地電極９１に１点接地され、放射線検出器１０の検出器共通電位部である０Ｖ電圧線８１は、検出器ケーブル６５を経由し、測定部８の測定部共通電位部である０Ｖ電圧線８２経由で測定部８近傍の接地電極９２に１点で接地される。

上記のように構成することにより、実施の形態５と同等の効果を奏することに加えて、樹脂製ケース６０１の内面に金属層６０２を密着して設け、金属層６０２を放射線検出器１０の近傍の接地電極９１に１点接地し、放射線検出器１０の０Ｖ電圧線８２を測定部８近傍の接地電極９２に１点接地し、接地を分けて放射線検出器１０周辺のノイズ環境から共通電位部の０Ｖ電圧線８１，８２の電位を安定させることにより、帯電現象に対して更に信頼性の高い放射線モニタを得ることができる。

実施の形態７．
図７は、実施の形態７である保護ケースの構造を示す。図７において、保護筐体としての保護ケース７０は導電層としての炭素繊維７０１に所定の性状の樹脂７０２を含浸成型させた炭素繊維強化樹脂成形品にて製作される。炭素繊維７０１は、表面が炭素繊維７０１に含浸された樹脂７０２で絶縁されており、保護ケース７０の内面を削って露出した炭素繊維７０１にリード線１４ｈが導電性接着材１３ｈで接着され、接地電極９１に接続されている。このような保護ケース７０は、例えば図５における保護ケース５０の代わりに用いられる。なお、図６の保護ケース６０の代わりにこのような構成の保護ケースを用いることもできる。

この実施の形態によれば、保護ケース７０を炭素繊維７０１で強化した炭素繊維強化樹脂成形品で構成することにより、実施の形態５及び実施の形態６に比べて樹脂製ケース５０１，６０１の内面に金属層５０２、６０２を密着させる工数が削減できるため、低コストで保護ケース７０を製作できる。また、同一強度で保護ケース７０の単位面積当たりの質量を低減できるので、入射するγ線の減衰を小さくできるため、低エネルギーのγ線まで精度よく測定できる。

実施の形態１である放射線検出器の断面図である。実施の形態２である半導体センサの断面図である。実施の形態３である半導体センサの断面図である。実施の形態４である半導体センサの断面図である。実施の形態５である放射線モニタの構成を示す構成図である。実施の形態６である放射線モニタの構成を示す構成図である。実施の形態７である保護ケースの構成を示す断面図である。

符号の説明

１，２０１，３０１，４０１半導体センサ、２前置増幅器、３シールドケース、
４マイナス電圧線、５プラス電圧線、８測定部、１０放射線検出器、
１１半導体素子、１２ａ負電極、１２ｂ正電極、１５絶縁物、
１６ａ，１６ｂ導電層、２６ａ，２６ｂ金属シート、２７ａ，２７ｂ接着材、
３６ａ，３６ｂ粘着金属シート、４６金属薄膜、８１，８２０Ｖ電圧線、
９１，９２接地点、５０，６０保護ケース、５０１樹脂製ケース、
５０２金属層、６０１樹脂製ケース、６０２金属層、６５検出器ケーブル、
５００，６００放射線モニタ、７０炭素繊維強化樹脂、７０１炭素繊維、
７０２樹脂。

Claims

一方の面に負電極を反対側の面に正電極を有し放射線を検出して電気信号を出力する半導体素子と、上記負電極及び上記正電極の表面に設けられた絶縁物と、上記絶縁物の表面に設けられ外部と電気的に接続しうるようにされた導電層とを備えた半導体センサ。
上記絶縁物は、上記半導体素子の全表面を覆ったものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
上記導電層は、金属シートを上記絶縁物の表面に接着したものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
上記導電層は、金属薄膜を上記絶縁物の表面に蒸着形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体センサと、コモン電位部を有し上記半導体センサの出力する電気信号を増幅して増幅信号を出力する増幅器と、上記放射線検出器と上記増幅器とを収容し物理的電気的に保護するシールドケースとを備え、上記半導体センサの上記導電層と上記増幅器の上記コモン電位部と上記シールドケースとを接続して検出器共通電位部とされた放射線検出器。
請求項５に記載の放射線検出器と、測定部共通電位部を有し上記放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって上記放射線検出器と上記測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、上記保護筐体の上記電気的遮蔽体と上記放射線検出器の上記検出器共通電位部と上記測定部の上記測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされた放射線モニタ。
請求項５に記載の放射線検出器と、測定部共通電位部を有し上記放射線検出器の出力する増幅信号に基づいて放射線を測定する測定部と、電気的遮蔽体を有するものであって上記放射線検出器と上記測定部とを収容し物理的電気的に保護する保護筐体とを備え、上記保護筐体の上記電気的遮蔽体を上記放射線検出器近傍において１点接地するとともに、上記放射線検出器の上記検出器共通電位部と上記測定部の上記測定部共通電位部とを接続するとともに１点接地するようにされた放射線モニタ。
上記保護筐体は、樹脂製の筐体本体部とこの筐体本体部の内面側に設けられた電気的遮蔽体としての遮蔽導電層を有するものであることを特徴とする請求項６または７に記載の放射線モニタ。
上記保護筐体は、電気的遮蔽体としての炭素繊維に樹脂を含浸して形成されたものであることを特徴とする請求項６または７に記載の放射線モニタ。