JP2009047467A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器の内部に、放射線検出用の半導体素子とともに温湿度センサを収容して、放射線検出用の半導体素子の寿命を予測可能にする。
【解決手段】放射線検出装置は容器１０と半導体素子１２と放射線透過窓２４と温湿度センサ１４を備えている。容器１０は、容器の外部に対して容器の内部空間を気密に保持できるものである。半導体素子１２は放射線を検出するものであり、容器の内部空間に配置される。放射線透過窓２４は容器に形成されていて、半導体素子１２に対面する位置にある。温湿度センサ１４は、半導体素子１２と共に容器の内部空間に配置される。容器内部の湿度と温度が温湿度センサで測定される。その測定データの履歴に基づいて、半導体素子１２の劣化の度合い、すなわち寿命、を予測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、寿命予測が可能な放射線検出装置に関する。

放射線検出装置にはさまざまな原理のものが知られているが、本発明は半導体素子を用いる放射線検出装置に関係している。その種の放射線検出装置として、例えば、次の特許文献１に開示されたものが知られている。
特開２００２−２５０７０５号公報

この特許文献１は放射線感応検出器素子のアレイを開示しており、このアレイは半導体材料で形成されている。各アレイは細長い形状をしており、各アレイが放射線の入射位置を示すことになる。したがって、１次元の位置感応型の放射線検出装置である。

放射線検出用の一般的な半導体素子は、放射線を微弱な電気信号に変換して、それを電気回路で読み出している。半導体素子に何も入力がない場合でも、半導体素子からは数ｐＡ（ピコアンペア）程度のリーク電流が発生する。湿度が増加すると、このリーク電流が増大することが知られている。リーク電流の増大は、ノイズの増加として観測され、最終的にＳ／Ｎ比の低下をもたらし、計数率の減少を引き起こす。そこで、湿度の影響を少なくするために、次の特許文献２に開示された技術が知られている。
特開２００６−１２５９６９号公報

この特許文献２に記載のＸ線検出装置は、Ｘ線を検出する半導体素子を容器内に収容して、その容器の内部を大気から遮断することで、半導体素子が大気の湿度の影響を受けないようにしている。容器の内部は乾燥窒素ガスで満たしている。

ところで、本発明は半導体素子の近くに湿度センサを配置して湿度を把握することに関係しているが、放射線検出装置以外の技術分野では、そのような湿度センサが次の特許文献３に開示されている。
実開平２−７０４４６号公報

この特許文献３に記載の半導体装置は、半導体素子とともに湿度センサを同一パッケージ内に収容して、半導体装置の吸湿量を個々の半導体装置毎にリアルタイムで測定することができる。特に、樹脂封止型の半導体装置において、プリント基板自動半田実装時に発生する可能性のあるパッケージクラックに影響する水分量を事前に測定できることにより、実装時のパッケージクラックによる信頼性の劣化を防止できる。

上述の特許文献２に記載のＸ線検出装置によれば、Ｘ線を検出する半導体素子が容器内に収容されて大気から遮断されているので、半導体素子は湿度の影響を受けない利点がある。しかしながら、容器の欠陥や経年変化などにより、容器の内部の湿度が徐々に増加することが考えられる。

半導体素子は、宇宙線によるダメージなども含め、様々な原因で劣化する。特に、放射線検出装置の半導体素子の信号端子部は、製造時点からの汚染物や、高電圧印加による電荷の影響などにより、徐々に汚れてくる傾向にある。湿度は汚れ部の絶縁劣化を促進する大きな要因となる。わずかな絶縁劣化の影響で表面リーク電流が発生し、徐々にノイズが増加し、Ｓ／Ｎ比が低下する。その結果、放射線測定時にバックグラウンドが増加する。

このような半導体素子の劣化は徐々に進むため、測定データのバックグランドが増加した場合に、オペレータは、測定対象の試料の経年変化などの影響によってバックグラウンドが増加したのか、半導体素子の劣化によってバックグラウンドが増加したのかを、区別できないことがある。半導体素子の劣化に気が付かずに試料の測定をしてしまうと、特に貴重な試料の精密構造解析を行う場合には、致命的な結果になることがある。

本発明は、そのような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体素子の寿命を予測できる放射線検出装置を提供することにある。

本発明の放射線検出装置は容器と半導体素子と放射線透過窓と湿度センサを備えている。容器は、容器の外部に対して容器の内部空間を気密に保持できるものである。半導体素子は放射線を検出するものであり、容器の内部空間に配置される。放射線透過窓は容器に形成されていて、半導体素子に対面する位置にある。湿度センサは、半導体素子と共に、容器の内部空間に配置される。

湿度センサは放射線から防護することが好ましい。例えば、放射線透過窓から内部空間に侵入した放射線が湿度センサに当たらないように、放射線検出窓と湿度センサとの間に放射線の防護壁を設けることができる。あるいは、放射線透過窓から内部空間に侵入した放射線が湿度センサに当たらないように、放射線検出窓と湿度センサとの相対位置関係を適切に定めることができる。

容器の内部空間には、さらに、温度センサを配置することができる。その場合に、湿度センサと温度センサをひとつの温湿度センサモジュールに組み込むことができる。この場合でも、この温湿度センサモジュールに放射線が当たらないように、防護壁を設けたり、放射線検出窓と温湿度センサモジュールとの相対位置関係を適切に定めたりすることができる。

容器の内部空間には、乾燥窒素ガスなどの乾燥ガスを封入することが好ましい。

本発明によれば、半導体素子を収容した容器の内部空間の湿度を湿度センサで測定できるので、湿度が上昇した場合にはそのことを把握できて、半導体素子の劣化の程度を予測することができる。これにより、半導体素子の寿命を予測できる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は本発明の放射線検出装置の第１実施例の分解斜視図である。この放射線検出装置は、Ｘ線回折装置などのＸ線分析装置においてＸ線を検出することを想定している。放射線検出装置は、容器１０と、その内部に配置された半導体素子１２および温湿度センサ１４を備えている。

容器１０は基板１６と枠１８と蓋２０で構成されている。容器１０は容器の外部（外気）に対して容器の内部空間を気密に保持できるものである。基板１６は容器の底面を構成するものであり、ガラスエポキシまたはセラミックで作られている。その表面のほとんどは銅箔で覆われている。この基板１６は矩形の形状をした配線基板であり、その表面に半導体素子１２および温湿度センサ１４を表面実装するための電極が形成されている。基板１６の内部には配線パターンが形成されている。基板１６の裏面からは複数の端子２２が突き出している。

枠１８は容器１０の側壁を構成するものである。この枠１８は中空の矩形であり、基板１６の周縁にシール材で気密に接着される。枠１８は金属で作られる。この金属として実施例ではコバール（鉄・ニッケル・コバルト合金）を用いており、その表面にはニッケルまたは金のメッキが施されている。コバールはガラスに近い熱膨張率をもち、常温付近での線膨張係数がきわめて小さい特徴がある。

蓋２０は容器１０の上面を構成するものである。蓋２０も、枠１８と同様に、コバールで作られている。蓋２０は基板とほぼ同じサイズの矩形であり、枠１８の上面にシール材で気密に接着される。蓋２０と枠１８は溶接で接合してもよい。蓋２０のほぼ中央にはベリリウム窓２４が形成されている。このベリリウム窓２４は本発明における放射線透過窓に相当する。ベリリウム窓２４は半導体素子１２に対面する位置に設けられている。この蓋２０は、温湿度センサ１４を放射線の曝露から防護する機能も果たしている。

半導体素子１２は放射線を検出する機能があり、放射線の光子（フォトン）が半導体素子１２に入射すると、それに応じた電流パルスを出力するものである。すなわち、光子をカウントする機能がある。放射線を検出する機能を備える半導体素子にはいろいろなものが知られているが、どのような形式のものも本発明に用いることができる。例えば、上述の特許文献１に開示されたような１次元の位置感応型のアレイ式のものや、２次元の位置感応型のＣＣＤセンサタイプのもの、あるいは、上述の特許文献２に開示されたようなアバランシェフォトダイオードのように位置感応型でないものなどを適宜選択できる。

温湿度センサ１４は相対湿度のセンサと温度センサをひとつのモジュールに組み込んだものである。この実施例で使用したものは表面実装タイプである。相対湿度のセンサは静電容量ポリマーを用いたものであり、測定精度は±３％である。温度センサはバンドギャップセンサであり、測定精度は２５℃において±０．４℃である。この種の温湿度センサは、例えば、ＳＥＮＳＩＲＩＯＮ社が販売している。一般的に、放射線検出用以外の半導体素子は、放射線による長期の曝露に耐えられないことが多いため、温湿度センサについては放射線による長時間の曝露を防ぐ必要がある。これについては後述する。

図２は図１に示す放射線検出装置の側面断面図である。基板１６の上面にシール材２６によって枠１８が気密に接着され、枠１８の上面にシール材２８によって蓋２０が気密に接着されている。容器の内部空間３０には乾燥窒素ガスが封入されている。ベリリウム窓２４は半導体素子１２に対面している。半導体素子１２の近くには温湿度センサ１４が配置されている。ベリリウム窓２４を通して放射線３２が半導体素子１２に入射すると、半導体素子１２が電流パルスを発生する。その電流パルスをカウントすることで放射線３２の強度を検出することができる。

蓋２０の内面には防護壁３４が一体に形成されている。この防護壁３４は、半導体素子１２と温湿度センサ１４の間に位置していて、蓋２０の内面に対して垂直方向に（図２において下方に）突き出している。ベリリウム窓２４を通過する放射線３２は半導体素子１２には入射するが、防護壁３４に遮られて温湿度センサ１４には入射しない。これにより、温湿度センサ１４が放射線３２に長時間曝露されるのを防ぐことができる。

次に、この放射線検出装置の湿度および温度の管理について説明する。この放射線検出装置は、使用中は連続的に、あるいは、所定時間毎に、湿度と温度を測定することができる。測定データは外部の管理装置に記録する。オペレータは湿度の測定値の経時変化を眺めることで、容器内の湿度が増加していないかどうかを確認することができる。容器内の湿度が増加を始めていたら、その増加の程度に応じて、半導体素子の劣化の程度を判断することができる。すなわち、半導体素子の寿命を予測できる。半導体素子の寿命が近いと判断したら、放射線検出装置の動作が正常であっても、新しい放射線検出装置を準備するなどの対策をとることができる。そして、その後、放射線検出装置に動作異常が生じていないかどうかを注意深く観察することができる。湿度が所定のしきい値を超えたら、警報を出すようにしてもよい。

この放射線検出装置は容器内の温度も記録しているので、湿度と温度の両方のデータをもとにして半導体素子の劣化を判断することができる。同じ相対湿度であれば、温度が高い方が半導体素子の劣化が進行しやすい。

湿度および温度の測定データを記録することの付随効果として、放射線検出素子の故障原因を特定することが容易になる。放射線検出素子が何らかの原因で故障したときに、湿度および温度の測定データの履歴に基づいて故障原因を切り分けることができる。すなわち、湿度および温度が正常であるにもかかわらず故障をしたときには、湿度や温度以外に故障原因があることになる。一方、湿度または温度が異常値を示しているときは、湿度または温度が故障原因の可能性がある。このように、湿度および温度を測定していない従来の放射線検出装置と比較して、故障原因を特定する作業が容易になる。

図３は本発明の放射線検出装置の第２実施例の側面断面図である。この放射線検出装置は、図２に示す第１実施例と比較して、容器の内部空間３０の高さが低くなっている。すなわち、ベリリウム窓２４と半導体検出素子１２との距離が近くなっている。それゆえに、図２に示す防護壁３４が無くても、ベリリウム窓２４を通過した放射線３２は温湿度センサ１４に入射することが無い。この実施例２は、放射線検出窓と温湿度センサとの相対位置関係を適切に定めることで、防護壁が無くても、放射線が温湿度センサに当たるのを防いでいる。

図４は本発明の放射線検出装置の第３実施例の側面断面図である。この放射線検出装置は、基板４０が容器の一部ではなくて、容器とは別個に作られていて、容器の内部空間３０に収納される。容器はカップ体３６と蓋２０からなる。カップ体３６と蓋２０は、共に、コバールで作られていて、その表面にはニッケルまたは金のメッキが施されている。カップ体３６と蓋２０はシール材２８により（または溶接により）互いに接合されている。カップ体３６の底板には複数の外部端子３８が固定されている。外部端子３８は絶縁材４２（ガラス）によってカップ体３６から電気的に絶縁されている。外部端子３８はカップ体３６の底板の上方にわずかに突き出し、下方には大きく突き出している。外部端子３８の上端は基板４０の下面の電極に接合されている。基板４０の上面には半導体素子１２と温湿度センサ１４が表面実装されている。

本発明の放射線検出装置の第１実施例の分解斜視図である。 図１に示す放射線検出装置の側面断面図である。 本発明の放射線検出装置の第２実施例の側面断面図である。 本発明の放射線検出装置の第３実施例の側面断面図である。

符号の説明

１０ 容器
１２ 半導体素子
１４ 温湿度センサ
１６ 基板
１８ 枠
２０ 蓋
２２ 端子
２４ ベリリウム窓
２６ シール材
２８ シール材
３０ 内部空間
３２ 放射線
３４ 防護壁

Claims (8)

1. 容器の外部に対して容器の内部空間を気密に保持できる容器と、
   前記内部空間に配置された、放射線を検出する半導体素子と、
   前記容器に形成された放射線透過窓であって、前記半導体素子に対面する放射線透過窓と、
   前記内部空間に配置された湿度センサと、
   を備える放射線検出装置。
2. 請求項１に記載の放射線検出装置において、前記放射線透過窓から前記内部空間に侵入した放射線が前記湿度センサに当たらないように、前記放射線検出窓と前記湿度センサとの間に放射線の防護壁が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
3. 請求項１に記載の放射線検出装置において、前記放射線透過窓から前記内部空間に侵入した放射線が前記湿度センサに当たらないように、前記放射線検出窓と前記湿度センサとの相対位置関係が定められていることを特徴とする放射線検出装置。
4. 請求項１に記載の放射線検出装置において、さらに、前記内部空間に配置された温度センサを備えることを特徴とする放射線検出装置。
5. 請求項４に記載の放射線検出装置において、前記湿度センサと前記温度センサがひとつの温湿度センサモジュールに組み込まれていることを特徴とする放射線検出装置。
6. 請求項５に記載の放射線検出装置において、前記放射線透過窓から前記内部空間に侵入した放射線が前記温湿度センサモジュールに当たらないように、前記放射線検出窓と前記温湿度センサモジュールとの間に放射線の防護壁が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
7. 請求項５に記載の放射線検出装置において、前記放射線透過窓から前記内部空間に侵入した放射線が前記温湿度センサモジュールに当たらないように、前記放射線検出窓と前記温湿度センサモジュールとの相対位置関係が定められていることを特徴とする放射線検出装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の放射線検出装置において、前記内部空間に乾燥ガスが封入されていることを特徴とする放射線検出装置。

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