JP2009301904A - 検出器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスによる電子増倍作用を利用した場合に検出感度及び検出精度を高めること。
【解決手段】この放射線検出器１は、ガスによる電子増倍作用を利用した放射線検出器において、両面間に電位差を与えることで前記両面間を貫通する貫通孔９内に電界を形成することができる無機材料からなる基板７と、基板７の両面上に形成された２つの金属薄膜８とを有する電子増倍部３ａ，３ｂを備えており、基板７には、２つの金属薄膜８を形成後に２つの金属薄膜８間を貫通するように形成された貫通孔９が設けられている。これにより、検出器の筐体２内のガス濃度の安定化が可能になる結果、入射光の検出精度を高められるとともに、増倍電子Ｅ_２，Ｅ_３が金属によってトラップされてしまうことも少なくなる結果、検出感度を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスによる電子増倍を利用した検出器及びその製造方法に関するものである。

近年、ガス中における電子増倍作用を用いて光、Ｘ線や荷電粒子等を検出する検出器の開発が進められている。ガスを利用することにより、装置内部が大気圧であり高真空容器を必要としない、電子増倍構造が簡略化される、安価に製造できる等の利点がある。このような利点を生かして素粒子物理学実験や宇宙放射線計測などの研究分野等で開発が精力的に進められている。この種の検出器としては、貫通孔が複数形成されたポリイミド等の板状部材の両面に銅が被覆されたものを用いた放射線検出器が知られている（下記特許文献１及び下記非特許文献１，２参照）。また、細長い孔状チャネルが複数設けられ、両面に電極が形成されたキャピラリープレートを用いたガス比例計数管も知られている（下記特許文献２参照）。
特開２００６−３０２８４４号公報 特開２００４−２４１２９８号公報 S. Bachmann et al., "Charge amplification and transfer processes inthe gas electron multiplier", Nuclear Instrument and Methods in PhysicsResearch A 438 (1999) pp376 H. Sakurai et al., "A new type of proportional counter using a capillaryplate", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 374(1996) pp341-344

しかしながら、上述したように電子増倍構造に樹脂系材料等の有機系材料を用いた場合は、ベーキング（ガス出し）を行う際の温度に限界が生じるため、有機材料から放出されたガス（アウターガス）によって検出器の管内のガスの濃度が変化してしまい、検出感度が変動して検出精度が低下してしまう傾向にあった。また、キャピラリープレートを用いた場合は、その製法の関係上、孔状チャネルの内部に電極が入り込み易くなっており、その結果電子増倍効率が低くなってしまう場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、ガスによる電子増倍作用を利用した場合に検出感度及び検出精度を高めることが可能な検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の検出器は、ガスによる電子増倍作用を利用した検出器において、両面間に電位差を与えることで両面間を貫通する貫通孔内に電界を形成することができる無機材料からなる基板と、基板の両面上に形成された２つの金属膜とを有する電子増倍部を備えており、基板には、２つの金属膜を形成後に２つの金属膜間を貫通するように形成された貫通孔が設けられている。

或いは、本発明の検出器の製造方法は、ガスによる電子増倍作用を利用した検出器の製造方法において、両面間に電位差を与えることで両面間を貫通する貫通孔内に電界を形成することができる無機材料からなる基板の両面に２つの金属膜を形成した後に、基板に２つの金属膜間を貫通する複数の貫通孔を形成することにより電子増倍部を作製する。

このような検出器及びその製造方法によれば、両面間の貫通孔内に電界を形成することが可能な無機材料からなる基板の両面に２つの金属膜が形成されたものに、２つの金属膜間を貫通するように複数の貫通孔が形成されることにより電子増倍部が作製されるので、基板として有機材料を使用する場合に比較してベーキング温度を高くすることができるので、検出器の管内のガス濃度の安定化が可能になる結果、入射光の検出精度を高められる。それとともに、貫通孔内に金属が入り込むことも防止でき、増倍電子が金属によってトラップされてしまうことも少なくなる結果、検出感度を高めることができる。

入射光を電子に変換するアンチモン及びアルカリ金属を含む光電面を更に備えることが好適である。この場合、有効面積を確保及び小型化が容易であり、紫外領域から可視光領域まで感度を有する光検出器を実現するができるとともに、有機系材料からのアウターガスによる光電面の劣化を少なくして感度の安定化を図ることができる。

また、２つの金属膜はアルミニウムから成ることも好適である。かかる構成を採れば、金属膜の材料の原子番号を小さくすることで、Ｘ線を検出する際にガスに吸収されなかったＸ線が金属膜で吸収されることによる蛍光Ｘ線の発生を少なくすることができ、バックグラウンドノイズの発生を低減することができる。

さらに、入射光の入射に応じて入射面から電子を放出する反射型の光電面を更に備えることも好適である。かかる光電面を備えれば、電子増倍部におけるガスの電離に起因するイオンのフィードバックによる光電面の劣化を防止することができ、検出感度をさらに安定化させることができる。

本発明によれば、ガスによる電子増倍作用を利用した場合に検出感度及び検出精度を高めることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る放射線検出器１を示す縦断面図である。

図１に示す放射線検出器１は、アルゴン、キセノン等の希ガス、或いは希ガスとクエンチングガスの混合ガスが封入された筐体２の内部に、２段の電子増倍部３ａ，３ｂ、スペーサ４、及び信号読出用電極５を収容して構成されている。放射線検出器１は、筐体２の一方の端面に設けられた入射面板６から入射するＸ線等の放射線に基づいて電子を発生させ、この電子を希ガスによる電子増倍作用により増幅することにより放射線を検出する。入射面板６の材料としては、放射線に対して高い透過率を有するベリリウム膜等が用いられる。

電子増倍部３ａ，３ｂは、入射面板６に対向して配置される脆性材料であるガラス（ソーダガラス、パイレックスガラス（登録商標）等）やセラミックス等の高抵抗の無機材料によって構成された基板７を有する。この基板７の両面はアルミニウムから成る金属薄膜８によって成膜されている。さらに、電子増倍部３ａ，３ｂの基板７には、基板７の両面に形成された２つの金属薄膜８間を金属薄膜８とともに貫くように貫通孔９が形成され、この貫通孔９は、入射面板６の入射面６ａに平行な方向に沿って配列されるように複数形成されている。この基板７は、例えば、厚さが100μm〜500μm、体積抵抗値が10⁸〜10¹⁴Ω・cmであり、貫通孔９はレーザ加工、プラズマエッチングやマイクロブラスト加工により、穴径が50〜300μｍ程度、配列ピッチが100μｍ〜800μｍとなるように形成されている。

この基板７は、その両面間に電位差を与えることによりその電位差を利用して貫通孔９内にガス増幅に必要な電界を形成できるような抵抗値を有している。例えば、基板７の内部抵抗として１×１０^６Ω・ｍ〜１×１０^１６Ω・ｍの範囲が好適である。１×１０^６Ω・ｍより小さいと貫通孔内の電界強度が弱くなり増倍率が低くなり検出感度が低下する。また、１×１０^１６Ω・ｍより大きくなると増倍率が経時変化してしまい安定した検出ができなくなる。

上記のような構造の２つの電子増倍部３ａ，３ｂは、絶縁性のスペーサ４を介して積み重ねられることによって、貫通孔９が入射面６ａに略垂直な方向に沿うように配置される。また、金属薄膜８には、それぞれ、筐体２の外部に繋がるリードピン１０が電気的に接続され、このリードピン１０によって基板７の両面の２つの金属薄膜８間に電位差が与えられる。

さらに、後段の電子増倍部３ｂの電子増倍部３ａと反対側には、信号読出用電極５が配置され、この信号読出用電極５には、筐体２の外部に繋がるリードピン１１が接続されている。

このような放射線検出器１では、入射面板６に入射した放射線Ｌ_１が電子増倍部３ａの上部領域に存在する希ガスによって電子Ｅ_１に光電変換される。そして、電子Ｅ_１は電子増倍部３ａの貫通孔９に向けて入射する。電子増倍部３ａには貫通孔９に沿って電界が印加されており、電子Ｅ_１はこの電界からエネルギーが与えられる結果、貫通孔９内部のガス分子に衝突して電離及び衝突を繰り返してなだれ式に増倍される。その後、増倍電子Ｅ_２が再度電子増倍部３ｂによって増倍されて、更に増倍された増倍電子Ｅ_３が発生する。この増倍電子Ｅ_３が、信号読出用電極５によって外部に取り出されることにより放射線Ｌ_１が検出される。このとき、１段の電子増倍部３ａで10³倍以上に電子が増倍され、２段の電子増倍部３ａ，３ｂで10⁵倍以上に増倍されることになる。

以下、放射線検出器１の製造方法について、図２を参照しつつ説明する。

まず、次のようにして電子増倍部３ａ，３ｂを作製する。すなわち、ガラス製の基板７の両面にアルミニウムの薄膜を約1μm蒸着することによって金属薄膜８を形成する。その後、基板７の一方の面に感光性レジストフィルムであるドライフィルム１２を貼り、露光及び現像により貫通孔９として貫通させたい部分のみ露出させる（図２（ａ））。そして、レーザ加工、プラズマエッチングやマイクロブラスト加工により、基板７の一方の面の金属薄膜８から基板７の内部に向けて複数の孔１３を形成する（図２（ｂ））。さらに、上記と同様にして基板７の他方の面にドライフィルム１２を貼り貫通孔９の部分のみを露出させた後に、基板７の両面上の２つ金属薄膜８間を貫通するように複数の貫通孔９を形成させる（図２（ｃ））。

そして、筐体２内にスペーサ４を介して２つの電子増倍部３ａ，３ｂを積み重ねて配置し、さらに信号読出用電極５、リードピン１０，１１を筐体２内に配置する。その後、筐体２内部を高真空にして十分に加熱しガス抜きを行った後に、筐体２内に希ガス或いは希ガスとグエンチングガスとの混合ガスを封入し、筐体２が封じ切られる。

以上説明した放射線検出器１及びその製造方法によれば、耐熱性の高く、かつ、両面間の貫通孔９内に電界を形成することが可能な抵抗値を有する無機材料からなる基板７の両面に２つの金属薄膜８が形成されたものに、２つの金属薄膜８間を貫通するように複数の貫通孔９が形成されることにより電子増倍部３ａ，３ｂが作製されるので、基板として有機材料を使用する場合に比較してベーキング温度を高くすることができ、長時間のベーキングも可能になる。その結果、検出器の筐体２内のガス濃度の安定化が可能になる結果、放射線の検出精度が高い状態を長時間維持することができる。これに対して、基板として樹脂等の有機系材料を使用すると、高温での長時間のベーキングが困難となり、有機材料から放出されたアウターガスにより管内のガス濃度が変化してしまう問題が生じる。

それとともに、製造過程で貫通孔９内に金属が入り込むことも防止でき、貫通孔９内で発生した増倍電子が金属によってトラップされてしまうことも少なくなる結果、放射線の検出感度を高めることができる。一方、従来の電子増倍構造では、貫通孔内に金属が入り込み易く、貫通孔中の増倍電子が内壁の金属にトラップされてしまい、次段の電子増倍部や信号読出用電極に導けなくなる。特に、ガス増倍型の場合には、電子はガスと衝突する毎にエネルギーが変化するために金属によってトラップされてしまう電子が生じやすく、検出精度の低下の問題も大きくなる。

また、基板７としてガラス、セラミックス等の無機材料を使用することで、組立時やベーキング時に変形が少なく、所望の増倍率を得るための複数段からなる電子増倍部３ａ，３ｂの設計が容易となる。

さらに、基板７の両面の金属薄膜８をアルミニウムなど原子番号の比較的小さい材料で構成することで放射線を検出する際にガスに吸収されなかった放射線が金属薄膜８で吸収されることによる蛍光Ｘ線の発生を少なくすることができる。例えば、金属薄膜８として銅を使用した場合、ガス中で相互作用を起こさなかったＸ線の62％が金属膜で相互作用を起こし、そのうちの約44％が蛍光Ｘ線（約8keV）を放射し、最大でその約半分がガス中に捕まりノイズ源になると考えられる。これに対して、アルミニウムの場合は、ガス中で相互作用を起こさなかったＸ線は、銅に比較して約90分の1の0.7％しか金属膜で相互作用を起こさず、そのうちの約4％が蛍光Ｘ線（約1.6keV）を放射し、全体としてノイズ源としての寄与は銅に比較して約1000分の1となる。このように、アルミニウム製の金属薄膜８によれば、ガス中におけるバックグラウンドノイズの発生を効果的に低減することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る光電子増倍管１０１を示す縦断面図である。光電子増倍管１０１の放射線検出器１との相違点は、筐体２内に入射光を光電子に変換する光電変換部１０２を備える点である。

この光電変換部１０２は、所定の波長帯域の入射光Ｌ_２を透過する入射面板１０６と電子増倍部３ａとで挟まれた位置に、入射面板１０６に対向するように配置されており、Ｎｉ等の金属製の複数の傾斜部１０３が近接して設けられた構造を有している。詳細には、複数の傾斜部１０３は、光入射面１０６ａに沿って一定のピッチで配列されるようにプレス加工等により形成され、光入射面１０６ａに対してその配列方向に沿って傾斜している。また、隣接する２つの傾斜部１０３はスリット状に分離されることにより、傾斜部１０３の入射面板１０６側の面から出射した光電子が電子増倍部３ａ側に通過できるようになっている。

この傾斜部１０３の入射面板１０６側の面には、入射光Ｌ_２を光電子Ｅ_４に変換する反射型の光電面１０４が形成され、傾斜部１０３の光電面１０４と反対側の面は、２次電子の放出を抑制するＺｎＯやＳｎＯ等の酸化物で被覆されている。この光電面１０４は、入射光Ｌ_２の入射に応じてその表面（入射面）から光電子Ｅ_４を放出する。なお、光電面１０４としては、アンチモン（Ｓｂ）及びアルカリ金属（Ｃｓ，Ｋ，Ｒｂ，Ｎａ等）を含むアンチモンアルカリ光電面が用いられる。

このような光電子増倍管１０１では、入射面板１０６に入射した入射光Ｌ_２が光電変換部１０２の反射型光電面１０４によって光電子Ｅ_４に変換され、光電子Ｅ_４は光電面１０４から電子増倍部３ａの貫通孔９に向けて入射する。そして、光電子Ｅ_４は電子増倍部３ａの貫通孔９内で増倍された後、その増倍電子Ｅ_５が再度電子増倍部３ｂによって更に増倍されて増倍電子Ｅ_６が発生する。この増倍電子Ｅ_６が、信号読出用電極５によって外部に取り出されることにより入射光Ｌ_２が検出される。

光電子増倍管１０１の製造に際しては、まず、放射線検出器１と同様な手順で電子増倍部３ａ，３ｂが作製される。そして、光電面となるアンチモンが蒸着された光電変換部１０２、電子増倍部３ａ，３ｂ、スペーサ４、信号読出用電極５、リードピン１０，１１を筐体２内に配置する。その後、筐体２内を高真空にして十分加熱してガス抜きを行った後に、排気管１４よりＫ、Ｃｓ等のアルカリ金属を含む蒸気を導入してアンチモンアルカリ光電面１０４を作製する。最後に、筐体２内に希ガス或いは希ガスとグエンチングガスとの混合ガスを封入し、筐体２が封じ切られる。

以上説明した光電子増倍管１０１によれば、アンチモンアルカリ光電面を内蔵することで有効面積の確保及び小型化が容易であり、紫外領域から可視光領域まで感度を有する光検出器を実現するができる。また、アルカリ金属を含む光電面は有機材料から放出されたアウターガスにより劣化が生じやすいが、電子増倍部３ａ、３ｂの材料として無機材料を使用することにより光電面の性能の安定化が可能となり、入射光の感度の安定化を図ることができる。

さらに、反射型の光電面１０４を傾斜部１０３の入射面板１０６側に設けることで、電子増倍部３ａ，３ｂにおけるガスの電離に起因するイオンのフィードバックによる光電面１０４の劣化を防止することができ、入射光Ｌ_２の検出感度をさらに安定化させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光電面１０４の材料としてはアンチモンアルカリには限定されず、入射光の波長帯域に応じて様々な材料を使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る放射線検出器の縦断面図である。 図１の電子増倍部の製造方法を説明するための電子増倍部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光電子増倍管の縦断面図である。

符号の説明

１…放射線検出器、１０１…光電子増倍管、３ａ，３ｂ…電子増倍部、７…基板、８…金属薄膜、９…貫通孔、１０４…光電面、Ｌ_１…放射線、Ｌ_２…入射光。

Claims (5)

1. ガスによる電子増倍作用を利用した検出器において、
   両面間に電位差を与えることで前記両面間を貫通する貫通孔内に電界を形成することができる無機材料からなる基板と、前記基板の両面上に形成された２つの金属膜とを有する電子増倍部を備えており、
   前記基板には、前記２つの金属膜を形成後に前記２つの金属膜間を貫通するように形成された前記貫通孔が設けられている、
   ことを特徴とする検出器。
2. 入射光を電子に変換するアンチモン及びアルカリ金属を含む光電面を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の検出器。
3. 前記２つの金属膜はアルミニウムから成る、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の検出器。
4. 入射光の入射に応じて入射面から電子を放出する反射型の光電面を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の検出器。
5. ガスによる電子増倍作用を利用した検出器の製造方法において、
   両面間に電位差を与えることで前記両面間を貫通する貫通孔内に電界を形成することができる無機材料からなる基板の両面に２つの金属膜を形成した後に、
   前記基板に前記２つの金属膜間を貫通する複数の前記貫通孔を形成することにより電子増倍部を作製する、
   ことを特徴とする検出器の製造方法。

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