JP2008520999A - 放射線線量計 - Google Patents

Abstract

個人Ｘ線線量計システムは携帯用検出器（100）及び読み取り装置（114）を有する。携帯用検出器（100）は、プログラムされた不揮発性メモリ素子（102）のアレイ（104）と、入射Ｘ線の一部をＵＶ放射線に変換するシンチレータ素子（106）とを有する。ＵＶ放射線に変換されていないＸ線（112）に曝される結果、メモリ素子（102）の一部は各々の浮遊ゲートに電荷を有することになり、それにより、対応する閾値（Vt）変化が生じさせられる。ある被爆時間後、読み取り装置（114）が、Vt変化されたメモリ素子（102）の数を表すデータを検出器（100）から読み出し、所定の較正曲線を用いて、ユーザが被曝した放射線量（122）を上記データから決定する。

Description

本発明は概して、放射線線量計に関し、より具体的には、ユーザが被曝した放射線レベルを決定する方法及び装置に関する。

電子個人線量計は、潜在的に危険な環境にいる要員によって使用されている。このような環境の一例は、Ｘ線技師及び関連要員が彼らの健康に潜在的に危険となり得るＸ線量に曝される可能性があるような医学的環境である。このため、このような要員はしばしば、放射線を検出するよう動作し、その要員がある期間にわたって被曝した放射線量の指標を提供する電子個人線量計を身に付けたり、その他の方法で携帯するように要求される。

Ｘ線が化学変化により検出され、そのエネルギーが感光板に作用する装置が知られている。しかしながら、この装置は必ずしも十分に長い寿命、又は効率的で反復的な再利用性を有していない。

電源を必要とせずに所定の初期電荷を保存することが可能な不揮発性記憶装置アレイを有する微量線量検出器装置が特許文献１に記載されている。不揮発性記憶装置に入射する各放射線粒子が、この装置の感応容積内に電荷を生成し、蓄積された初期電荷を、ある一定種類の放射線粒子によって与えられたエネルギーに相当する量だけ変化させる。アレイ内の不揮発性記憶装置に関するこの電荷変化に対応するデータが定性的分析装置に入力され、この定性的分析装置が上記データを入射放射線場のスペクトル分析に転用する。故に、特許文献１に記載された装置は、ユーザの放射線への被曝を検出するだけでなく、ユーザの健康を損なう入射放射線の傾向を記述可能な線量当量測定又は同様の測定の観点から上記被曝を特徴付けることが可能である。

しかしながら、上述の装置は、動作における検出段階中に放射線種類を識別することができないだけでなく、被曝レベル及びこの被曝によりもたらされる潜在的な危険を決定するためにかなり複雑な分析処理を必要とする。
米国特許第５５９６１９９号明細書

本発明は、従来技術の構成と比較して構成及び動作の双方において複雑でなく、且つユーザによる１つ以上の危険な放射線種類への被曝の迅速で正確な指標を与えることが可能な、ユーザが被曝した放射線レベルを決定する方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明に従って提供される、ユーザが被曝した放射線レベルを決定する検出器は、複数の不揮発性メモリ素子、前記メモリ素子をその浮遊ゲートに電荷を形成することによってプログラムすることを可能にする手段、及びユーザが被曝した放射線量の決定を可能にするために、放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被った前記メモリ素子の数を決定することを可能にする手段を有する。

また、本発明に従って提供される、上記にて定められた検出器とともに使用する読み取り装置は、当該読み取り装置を前記検出器に接続し、且つ放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被ったメモリ素子の数を表すデータを前記検出器から受け取る手段を有し、前記データを所定の較正データと比較し、それによりユーザが被曝した放射線量を決定する。

本発明は、上記にて定められた検出器と読み取り装置とを有する線量計システムに拡張される。

さらに、本発明によって提供される、ユーザが被曝した放射線レベルを決定する方法は、上記にて定められた検出器をユーザに備える段階、放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被ったメモリ素子の数を表すデータを前記検出器から取得する段階、及び前記データを所定の較正データと比較し、それによりユーザが被曝した放射線量を決定する段階を有する。

本発明の好適な一実施形態においては、検出器は、一部の入射放射線を“捕捉”し、それをＵＶ放射線に変換するための、例えばドープされたNaI又は当業者に明らかになるであろう更なる先端材料などのシンチレータ素子を有している。故に、Ｘ線線量計システム用の検出器の場合、シンチレータ素子（これはメモリ素子の覆い又はスクリーンの形態で設けられてもよい）が入射Ｘ線（及び、より高い周波数の光子）の一部を“捕捉”し、それをＵＶ放射線に変換する。シンチレータ素子が備えられない本発明の単純な変形例においては、有意量のＸ線が浮遊ゲートと相互作用し、電荷を生成し且つ対応する閾値電圧変化を生じさせるためのＸ線量及び必要な浮遊ゲート容積が大きくなる。この場合、ある一定種類（又は、所定の周波数より高い周波数）の放射線のみを不揮発性メモリ素子に到達させるために、フィルタ素子が備えられてもよい。このフィルタは、具体的には、ＵＶ放射線を遮り、且つより高い周波数を有する放射線（具体的にはＸ線）を不揮発性メモリ素子に伝えるＵＶフィルタを有していてもよい。しかしながら、シンチレータ素子を設けると、より小さい割合のＸ線が浮遊ゲートメモリ素子と相互作用することによって、より小さい浮遊ゲート容積が実現可能となり、検出器全体も小型化、非複雑化及び低コスト化される。

本発明の典型的な一実施形態においては、製造の容易さと集積回路ダイ空間の最適化のため、不揮発性メモリ素子はアレイの形態で設けられてもよい。

読み取り装置は、好ましくは、不揮発性メモリ素子をプログラムする手段を有し、それにより、この点での如何なる追加のハードウェアの必要性も除去される。検出器デバイスは、好ましくは、読み取り装置との有線又は無線通信のために、読み取り装置を結合可能にするインターフェースを有する。読み取り装置は、好適な一実施形態において、放射線被曝の結果として閾値電圧が変化したメモリ素子の数を表す検出器からのデータを読み取るように構成されている。較正データは有利には所定の較正曲線を有する。

メモリアレイの一部は、例えば、所定の一人以上のユーザに関するユーザデータ、及び／又は先行する一度以上の読み出し操作を指し示すタイムスタンプ等のデータを記録するために使用されてもよい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下で説明される実施形態を参照することにより明らかになる。

続いて、本発明の実施形態について、単に例示として、添付の図面を参照しながら説明する。

図１を参照するに、従来のｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）構造においては、ソース（S）及びドレイン（D）を形成するように２つのｐ型領域10、12がｎ型基板14内に拡散されている。絶縁材料（例えば、SiO₂）の層16が堆積されており、その上に金属ゲート18が置かれている。

従来のＩＧＦＥＴのゲート電極が、更なる金属−絶縁体‘サンドイッチ’（浮遊ゲート）を内蔵するように変形されると、新たな構造は、電源を必要とせずに半永久的な電荷保存が可能な記憶装置（すなわち、不揮発性メモリ）として機能する。浮遊ゲートを有するＩＧＦＥＴの概略図が図２に示されているが、これは基本的にｐチャネルのエンハンスメントモード型デバイスである。ゲート電極構造はサンドイッチのように、絶縁体I(1)、金属M(1)、絶縁体I(2)及び金属M(2)が積層されている。

浮遊ゲートトランジスタにおいては、電荷は浮遊ゲートに蓄積されて該トランジスタの閾値電圧を変化させ、電荷が除去されると閾値電圧は元々の値に戻る。故に、浮遊ゲートは電荷蓄積領域として使用され、このゲートに捕捉された電荷量を変化させることにより、このデバイスの閾値電圧は可変にされ、電圧レベルシフトを効率的に作り出す。

図３を参照するに、本発明の典型的な一実施形態に従ったX線量検出器デバイス100は、複数の不揮発性浮遊ゲートメモリ素子102を有している。メモリ素子102はアレイ104状に配置され、好ましくは単一の集積回路ダイ上に形成され、ユーザの衣服又は体の表面若しくは内部に取付け若しくは組み込むためのパッケージ内に収容されている。認識されるように、不揮発性メモリ素子102のアレイ104によって覆われる面積は、ユーザが被曝すると予想される全放射線量に依存することになる。シンチレータ素子106が備えられており、シンチレータ素子106は自身に入射するＸ線の一部を“捕捉”し、それをＵＶ放射線に変換するように、入射放射線108とメモリアレイ104との間に（メモリアレイ104を部分的又は全面的の何れかで覆うように）配置・構成されている。シンチレータ素子106の設置が意味することは、浮遊ゲートメモリ素子102に入射するＸ線量が少なくなるため、浮遊ゲートの容積が削減され、それにより結果的な検出器がより小さく、より複雑でなくされ、また製造コストが低減されるということである。シンチレータ素子106は、当業者に明らかであるように、例えばドープされたNaI又は更なる先端材料を有していてもよく、使用される材料に応じて、およそ1cm程度といったかなりの厚さであってもよい。

認識されるように、異なる種類の不揮発性浮遊ゲートメモリが技術的に数多く知られており、本発明はこの点で限定されるものではない。例えば、フラッシュメモリや、ゲート構造の窒化物層に電荷が捕捉されるＳＯＮＯＳ（半導体−酸化物−窒化物−酸化物−半導体）メモリが使用されてもよい。

また、検出器100が外部の読み取り装置と連動することを可能にするため、インターフェース回路110が備えられ、それにより（読み取り機能が検出器ユニットに内蔵される必要性を除去することにより）検出器ユニットの複雑度が最小化されている。

図４も併せて参照するに、段階200にて、全てのメモリ素子102が浮遊ゲートに電荷を有するように不揮発性メモリ102のアレイ104がプログラムされる。浮遊ゲートメモリ素子のプログラミングは、デバイスの浮遊ゲートに捕捉された電子数を増加させることによって定義可能であり、一方、デプログラミング又は消去は正反対の操作である。これら双方の手順を実行するために慣用されている方法は多数ある。このような方法の１つは、ファウラー・ノルドハイム（Fowler-Nordheim）トンネリングとして知られており、電子が酸化膜をトンネルすることを可能にするゲート酸化膜を横切る強力な電界を作り出すことによって遂行される。この種のプログラミング及び消去の２つの主要な指針は、当業者に周知なように、酸化膜破壊を防止するように電界強度を十分低く維持しながら、トンネリングを可能にするように確実に電界強度を十分高くすることである。

他の１つのプログラミング方法は、ホットエレクトロン注入として知られており、V_GSバイアスとともにV_DSバイアスをデバイスに印加することを伴うものである。これらの条件により、チャネルを進行する電子がドレイン近くの酸化膜をトンネルすることが可能になる。

当業者には他の方法も明らかであり、本発明は必ずしもこの点で限定されるものではない。不揮発性メモリ素子のプログラミングは読み取り装置114（以下にて更に説明する）を用いて行われてもよいが、これは本質的なことではない。別個の手段がこの目的で設けられてもよい。

プログラムされると、段階202にて、例えば従来の線量計デバイスのように、検出器デバイス100はユーザの衣服に取り付けられることができる。他の例では、検出器デバイスはユーザの衣服に内蔵するための特別なパッケージに組み込まれていてもよい。如何なる場合も、電池又はその他の電源は不要であることは認識されるところである。

ユーザがＸ線に曝されるとき、Ｘ線112はフィルタ106を貫通して不揮発性メモリ素子102に到達し、浮遊ゲートの一部に除去されるべき電荷を生じさせ、対応する変化をそれぞれのメモリ素子102の閾値電圧に生じさせる。シンチレータ素子106（これは“吸収変換器”又は“蛍光”物質と呼ぶこともできる）におけるＸ線吸収過程の確率的性質のため、所与の暴露時間では浮遊ゲートの一部のみがVt（閾値電圧）変化される傾向にある。入射Ｘ線のエネルギーが高くなるにつれて吸収長は長くなり、例えば、パースペクス（Perspex）又はＰＭＭＡにおける10KeVでの吸収長は約10mmである。結果として、吸収“事象”は吸収体内での確率的過程として扱われるべきである。効率的なシンチレータは吸収Ｘ線あたり多数の光子を発生し、少ない自己吸収を有する。

ある暴露時間の経過後、段階204にて、検出器100は読み取り装置114にインターフェース110及び116を介して接続され得る。読み取り装置114は電源118を有しており、電源118は、Ｘ線被曝の結果として閾値電圧変化を被った素子102の数を読み取るために電力を供給する（段階206）。典型的な一実施形態において、本質的なものではないが、それぞれの閾値電圧変化の大きさをも測定する手段が備えられてもよい。基本的に、閾値電圧変化の大きさは所与のVgsでのデバイス電流Idsの変化を測定することによって測定可能であり、浮遊ゲートデバイスにおいては、浮遊ゲートの電荷は閾値電圧の変化と、ΔVt＝（t×Q）／εによって関連付けられる。ただし、Qは浮遊ゲートの電荷であり、t及びεはゲート酸化膜のそれぞれ厚さ及び誘電率である。原理的に、メモリ内の各素子は１つずつ読み出されなければならず、電流は増幅されて、例えば（非常に原始的な方法では）、ある固定の抵抗での電圧降下と比較される。しかしながら、このような不揮発性記憶装置の読み出しは多くの内蔵メモリのプロセスにて標準的なものである。チップの読み出しの他の一手法は、２つの相等しいチップを作成し、その一方をＸ線及びＵＶ光に曝し、他方を（全ての入射放射線を遮断する）鉛で包み込むことである。それにより、後者のチップは“制御アレイ”として機能し、線量計チップと遮蔽されたチップとの間で個々のＭＯＳトランジスタの電流を比較することができる。ともかく、当業者に認識されるように、不揮発性メモリの読み出し処理は比較的高速であり、何百万画素に対して１秒未満の程度である。

そして、Vt変化されたメモリ素子102の数からユーザが被曝した総Ｘ線量122を決定するため、処理手段120が所定の較正曲線を使用する（段階208）。上記の較正曲線は、消去されたメモリセル数をＸ線被曝線量に変換するために必要なものである。この曲線は少なくとも以下の全て：シンチレータ材料、シンチレータ容積、検出器パッケージの吸収特性、ＵＶ光と浮遊ゲートとのカップリング、浮遊ゲート酸化膜の厚さ及び透過性（permeability）、ゲートの長さ及び幅、電源電圧、並びに“画素”（すなわち、不揮発性メモリ素子）の密度及び大きさ、に依存する。この曲線は、線量計デバイスを既知のＸ線量に曝し、消去されたセルを線量の関数として測定することによって決定されてもよい。この曲線の略図が一例として図５に与えられており、（メモリセルが消去され始める）しきいＸ線量Ａと（全メモリセルが消去されるときの）飽和線量Ｂが示されている。

また、メモリアレイ104の一部は、例えばユーザ情報、又はその検出器100に対して実行された最後の読み出し操作を指し示すタイムスタンプ等のデータを記録するために使用されてもよい。

最終的に、検出器アレイは後の再利用のためにリセットされることができる（段階210）。リセットは、先ず、アレイ104の不揮発性メモリ素子102の全てを（それぞれの浮遊ゲートの全電子が除去されるように）消去し、その後、以前のように浮遊ゲートの全てに電荷を与えることによって為され得る。このリセット処理は、この場合も、読み取り装置114によって実行されてもよい。

なお、上述の実施形態は例示的なものであり、本発明を限定するものではない。当業者は、添付の請求項により定められる本発明の範囲を逸脱することなく、多くの代替実施形態を設計することができるであろう。請求項において、括弧内の如何なる参照符号も請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。用語“有している”及び“有する”等は、何れかの請求項又は明細書全体において列挙される以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。単数形での要素の参照は、複数形でのこの要素の参照を排除するものではなく、この逆もまた然りである。本発明は、幾つかの相異なる要素を有するハードウェアによって実装されてもよいし、あるいは好適にプログラムされたコンピュータによって実行されてもよい。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これら手段の幾つかが１つ且つ同一のハードウェア品目によって具体化されていてもよい。ある一定の手段が互いに異なる従属項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを指し示すものではない。

従来のＩＧＦＥＴデバイスの構造を示す概略的な断面図である。 浮遊ゲートデバイスの構造を示す概略的な断面図である。 本発明の典型的な一実施形態に従った線量計システムの主要な構成要素を例示する概略的なブロック図である。 本発明の典型的な一実施形態に従った、ユーザが被曝した放射線レベルを決定する方法の主要な段階を例示する概略的な流れ図である。 消去されるメモリセルの割合をＸ線量の関数として例示する略図である。

Claims (14)

1. ユーザが被曝した放射線レベルを決定する検出器であって、
   複数の不揮発性メモリ素子、
   前記メモリ素子をその浮遊ゲートに電荷を形成することによってプログラムすることを可能にする手段、及び
   ユーザが被曝した放射線量の決定を可能にするために、放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被った前記メモリ素子の数を決定することを可能にする手段、
   を有する検出器。
2. 前記不揮発性メモリ素子はアレイの形態で設けられている、請求項１に記載の検出器。
3. 高周波数の入射放射線の一部をＵＶ放射線に変換するシンチレータ素子を有する請求項１に記載の検出器。
4. ある一定種類の放射線、又は所定の周波数より高い周波数の放射線のみを前記不揮発性メモリ素子に到達させるフィルタを更に有する請求項１に記載の検出器。
5. 前記複数の不揮発性メモリ素子の一部は、所定の一人以上のユーザに関するユーザデータ、及び／又は先行する一度以上の読み出し操作を指し示すタイムスタンプを含むデータを記録するために使用される、請求項１に記載の検出器。
6. 読み取り装置との有線又は無線通信のために、前記読み取り装置を結合可能にするインターフェースを有する請求項１に記載の検出器。
7. 請求項１に記載の検出器とともに使用する読み取り装置であって、当該読み取り装置を前記検出器に接続し、且つ放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被ったメモリ素子の数を表すデータを前記検出器から受け取る手段を有し、前記データを所定の較正データと比較し、それによりユーザが被曝した放射線量を決定する読み取り装置。
8. 前記不揮発性メモリ素子をプログラムする手段を更に有する請求項７に記載の読み取り装置。
9. 放射線被曝の結果として閾値電圧が変化したメモリ素子の数を表す、前記検出器からのデータを読み取るように構成されている請求項７に記載の読み取り装置。
10. 前記較正データは所定の較正曲線を有する、請求項７に記載の読み取り装置。
11. 請求項１に記載の検出器と、請求項７に記載の読み取り装置とを有する線量計システム。
12. Ｘ線線量計システムである請求項１１に記載の線量計システム。
13. 前記検出器が、入射Ｘ放射線の一部をＵＶ放射線に変換するシンチレータ素子を有する、請求項１２に記載のＸ線線量計システム。
14. ユーザが被曝した放射線レベルを決定する方法であって、
    請求項１に記載の検出器をユーザに備える段階、
    放射線被曝の結果として閾値電圧の変化を被ったメモリ素子の数を表すデータを前記検出器から取得する段階、及び
    前記データを所定の較正データと比較し、それによりユーザが被曝した放射線量を決定する段階、
    を有する方法。

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