JP2011247602A - 高抵抗電極を用いたピクセル型電極による粒子線画像検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】電極間に局地的に大電流が流れるような放電現象を自発的に抑制でき、動作の安定性を向上できるピクセル型電極の粒子線画像検出器を提供する。
【解決手段】本粒子線画像検出器は、絶縁体基板を貫通し上端面が絶縁体基板の表面に露出する円柱状陽極電極を有し、絶縁体基板の裏面に形成される陽極電極パターンと、円柱状陽極電極の上端面の回りに円形状の開口部を有し、絶縁体基板の表面に形成される陰極電極パターンと、を具備するピクセル型電極の粒子線画像検出器において、陰極電極パターンの表面が１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下の比抵抗を有する高抵抗性素材により被覆される。これにより、電極間に局地的に大電流が流れるような放電現象を、電圧降下作用により自発的に抑制でき、動作の安定性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピクセル型電極構造を有する粒子線画像検出器の動作安定性向上に関するものである。

現在計画中の高エネルギー物理実験や、物質構造解析のために稼動・計画されているビーム実験（放射光や中性子ビームなど）における共通の方向性として、新しい現象の発見や精度の向上を目指し、より強いビームを用いる高輝度化が挙げられる。
一方で、これら大強度の粒子線を有効に用いて結果を得るためには、対応する粒子線検出器が必要である。ワイヤーチェンバーなどのガス検出器は、個々の入射粒子に対する位置分解能、時間分解能に優れていることから、これまで粒子線検出器として広く使われてきた。しかし、ワイヤーを読出しに用いたものでは概ね１０^４ｃｏｕｎｔｓ／ｍｍ^２以上の高頻度入射粒子には対応できていない。

この限界を超えるガス検出器として、集積回路（ＩＣ）や電子回路基盤作製技術に支えられた微細加工技術を用いた、マイクロパターンガス検出器
(ＭＰＧＤ) が研究・開発されるようになった。かかるマイクロパターンガス検出器の代表的なものとしては、 ストリップ型電極による検出器ＭＳＧＣ（Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｒｉｐ Ｇａｓ
Ｃｈａｍｂｅｒ；マイクロストリップガスチャンバー)や、ＣＥＲＮ(欧州素粒子研究機構)にて開発され近年量産段階に入りつつあるＧＥＭ(Ｇａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ)などが挙げられる（例えば、特許文献１，特許文献２を参照。）。これらは数百μm
以下の非常に高い検出位置分解能を持ち、粒子線の入射頻度許容量がワイヤー式のガス検出器に比べて数百倍以上あることが特徴であることから、例えば高輝度Ｘ線を用いた物質構造解析などに用いられ一定の成果を上げている。

一方で、従来のＭＰＧＤ は、一般に電極が絶縁体に接する部分が大きいため、単体ではワイヤーチェンバー並みの信号増幅率（１０^５ 以上）が得にくいこと、高めの増幅率においては、放電による電極破壊が生じやすいことが欠点として挙げられていた。これらの弱点を改良するため、発明者はこれまでにストリップ型電極による検出器（ＭＳＧＣ）の電極構造を大幅に改良したμ−ＰＩＣ
(Ｍｉｃｒｏ
Ｐｉｘｅｌ Ｃｈａｍｂｅｒ；マイクロピクセルチェンバー)
を開発した（特許文献３）。これは高いガス増幅率を得ながら、放電現象を可能な限り起こさない電場構造を、電極構造の工夫により実現した検出器である。μ−ＰＩＣについては、高い位置分解能の他に、ガス増幅器としては極めて不感時間が短いことが利点として挙げられ、高輝度の粒子線に対する検出器としても大きな期待が寄せられている。

また、現在、μ−ＰＩＣは、Ｘ線を用いたテストでは毎秒１平方ｍｍ当たり１０^７ カウント以上の輝度の下でも動作に支障がないことが確かめられ、製造上の良品に関しては、少なくとも数ヶ月程度の連続動作に耐えるものができている。
しかし実用に向けた開発では、十分な増幅率と動作安定性の確保のために、ＧＥＭ(Ｇａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ)など他の検出器と組み合わせざるを得ないのが現状である。

特開平１０−３００８５６号公報 特開２０００−２１４２６４号公報 特開２００２−６０４７号公報

しかしながら、上述したＭＳＧＣ及びμ−ＰＩＣの実用化にあたっての最大の難問の一つに、電極間の放電による電極の破壊が挙げられる。上記したＭＳＧＣでは、５０μｍ以下の間隔の電極間に電圧をかけるため、高いガス増幅率を得るために高い電圧をかけると、電極間に放電による大電流が流れ、放電による熱で電極ストリップが切断されたり、その破片などが表面絶縁層に付着するなどして、電極間を導通させる障害が頻繁に起こっていた。

また、μ−ＰＩＣについては、ＭＳＧＣと比較して電極間の放電がかなり抑えられるようになったものの、電子などの粒子線飛跡検出に必要である１０^４以上のガス増幅率においては、やはり放電による大電流における電極破壊が問題となっていた。また、μ−ＰＩＣでは、入射粒子による電離が非常に大きい場合や、偶発的な要因によって電極間で放電が生じることが多く見られ、これが検出器そのものや読出しの電子回路を破壊する大きな原因となっていた。

上記問題点に鑑み、本発明は、電極間に局地的に大電流が流れるような放電現象を自発的に抑制でき、動作の安定性を向上できるピクセル型電極の粒子線画像検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の粒子線画像検出器は、絶縁体基板を貫通し上端面が絶縁体基板の表面に露出する円柱状陽極電極を有し、絶縁体基板の裏面に形成される陽極電極パターンと、円柱状陽極電極の上端面の回りに円形状の開口部を有し、絶縁体基板の表面に形成される陰極電極パターンと、を具備するピクセル型電極の粒子線画像検出器において、陰極電極パターンの表面が１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下の比抵抗を有する高抵抗性素材により被覆された構成とされる。

かかる構成によれば、電極間に局地的に大電流が流れるような放電現象を、電圧降下作用により自発的に抑制でき、動作の安定性を向上できるが可能となる。
陰極電極パターンの表面が１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下の比抵抗を有する高抵抗性素材により覆い、電極間に局地的に大電流が流れる自続放電による電極破損を回避する。陰極電極パターンの表面に被覆された高抵抗物質が、電圧降下作用により放電を自発的に抑制するのである。このように、放電を自発的に抑制して、検出器の安定動作を実現する。
高抵抗性素材の比抵抗の範囲として１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下としたのは、比抵抗が１０Ω・ｍ未満の場合は、放電時に十分な電圧降下が得られない可能性があり、電圧降下作用により放電を自発的に抑制するのに適さず、比抵抗が１０００Ω・ｍより大きい場合は通常の粒子線の検出においても電圧降下が生じ十分な信号が得られない恐れがあるためである。。また、高抵抗性素材の比抵抗の範囲は、素材の厚さが２５μｍの場合は、５０Ω・ｍ以上５００Ω・ｍの範囲が更に好ましい。

ここで、高抵抗性素材は、上記の円形状の開口部のエッジ部分に被覆されていることが好ましい。高抵抗性素材が開口部のエッジ部分に被覆されることにより、エッジ部分で生じやすい自続放電を生じにくくすることができ、検出器がより安定して動作できることになる。
また、開口部のエッジ部分に被覆されている高抵抗性素材は、絶縁体基板と接触することが好ましい。陽極電極部分を露出させないことで、放電をより生じにくくできる。

また、高抵抗性素材は、導電性のポリイミド (polyimide)もしくは導電性のポリイミドを含有する薄膜であることが好ましい。放電による高抵抗性素材表面の急激な電圧降下は、高抵抗性素材自体の内部に非常に高い電場を形成することになる。そのため、かかる高抵抗性素材には高い耐絶縁破壊性能が要求される。一般にポリイミドは耐絶縁破壊に優れていることが知られており、炭素等をポリイミド中に溶かしこんだ導電性ポリイミドは本発明における高抵抗性素材としての用途に適している。

さらに、高抵抗性素材の被覆膜の膜厚は、具体的には、１〜１００μｍとする。
陰極電極の開口部の円形の直径は２００〜３００μｍであることから、適切な膜厚としたものである。
なお、高抵抗性素材の被覆膜の膜厚の範囲は、１〜３０μｍの範囲が更に好ましい。

本発明に係る粒子線画像検出器によれば、フィルム状のポリイミドなど高抵抗性素材を用いて、ピクセル型電極構造の陰極電極を覆うことにより、電極間に局地的に大電流が流れるような放電現象を電圧降下作用により自発的に抑制することができ、これにより動作の安定化を図ることができる。

実施例１のピクセル型電極の粒子線画像検出器の構造模式図 実施例１の粒子線画像検出器の動作説明図 実施例１のピクセル型電極の粒子線画像検出器の構造断面図 ピクセル型電極の表面形状の説明図 実施例１の粒子線画像検出器による印加電圧とガス増幅率の相関を実測したグラフ

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１のピクセル型電極の粒子線画像検出器の構造模式図を示している。
本発明の粒子線画像検出器は、絶縁体基板１１の表面と裏面にそれぞれ陰極電極パターン１４と陽極電極パターン１２が形成される。
陽極電極パターン１２は、絶縁体基板１１を貫通し上端面が絶縁体基板１１の表面に露出する円柱状陽極電極１３を有している。
また、陰極電極パターン１４は、円柱状陽極電極１３の上端面の回りに円形状の開口部１６を有しており、さらに、陰極電極パターンの表面が１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下の比抵抗を有する高抵抗性素材１５により被覆されている。
陰極電極パターンを被覆している高抵抗性素材は、デュポン社製の導電性ポリイミドシートを用いている。

また、絶縁体基板１１の材料としては、例えば、絶縁素材のポリイミドが用いられる。
また、上方に所定間隔を隔ててドリフト電極１７が配置されており、アルゴンとエタン等からなるガスが流通するチャンバーが形成されている。

図１に示すように、陰極電極パターン１４は、所定間隔で開口部１６が設けられている。開口部１６の中心には裏面の陽極電極と接続される円柱状陽極電極１３の上端部が存在する。円柱状陽極電極１３をピクセル型電極という。

実施例１のピクセル型電極のサイズスケールについて図１を用いて説明する。
先ず、ピクセル型電極、すなわち、円柱状陽極電極１３の直径Ｄ１は約５０μｍである。この円柱状陽極電極１３の直径Ｄ１は４０〜１００μｍの範囲で決定する。円柱状陽極電極１３の高さは、両面基板１１の高さに応じて５０〜１５０μｍの範囲で適宜設定することができる。円柱状陽極電極１３の間隔Ｄ３は、約４００μｍである。
また、絶縁体基板１１の厚さＤ２ は約１００μｍである。円柱状陽極電極１３の高さＤ４は約１００μｍ（両面基板１１の厚さ相当）としている。
また、陽極電極パターン１２は幅３００μｍである。この陽極１２の幅は２００〜４００μｍの範囲で決定する。陰極電極パターン１４の円形状の開口部１６の直径は約２５０μｍである。この開口部１６の直径は２００〜３００μｍの範囲で決定する。
陰極電極パターン１４を被覆している高抵抗性素材の厚さＤ５は、約２５μｍである。

実際の粒子線画像検出器において、絶縁体基板１１並びに両面の電極（１２，１４）は、ピクセルチャンバー、すなわち、希ガスをベースとしたガス雰囲気中に置かれる。絶縁体基板１１に並行で適当な位置（実際は数ｍｍ〜数ｃｍ）にドリフト電極１７を配置することにより、μ−ＰＩＣ
と粒子線画像検出ができる。

図２は本発明の粒子線画像検出器の動作説明図である。
入射粒子線によりガス中で電離された電子ｅ- は、ドリフト電場により検出器表面方向のピクセル型電極（円柱状陽極電極１３）へドリフトされる。ピクセル型電極の近傍には、円柱状陽極電極−陰極電極間には、例えば、５００Ｖの電圧が印加されており、円柱状陽極電極−陰極電極間の強力な電場により、電子はガス雪崩増幅を起こす。この結果生じた＋イオンは、周囲の陰極電極へ速やかにドリフトしていく。

この過程において、円柱状陽極電極と陰極電極の両方に、電気回路上で観測可能な電荷が生じることになる。観測可能な電荷が生じた陽極電極と陰極電極の位置を観測することにより、入射粒子線の位置が観測することができる。
信号の読み出し、及び２次元画像を得るための回路系などについては、従来のμ−ＰＩＣ用に開発したものをそのまま用いることができる。

図３は、実施例１のピクセル型電極の粒子線画像検出器の構造断面図を示している。
陽極電極を覆う高抵抗性素材によって、放電などの大きな電荷移動に対しては、陰極電極と高抵抗性素材の界面から、高抵抗性素材の表面まで電圧降下が起きる。これにより、放電などの大きな電荷移動を自発的に抑制できることになる。

また、図４はピクセル型電極の表面形状の説明図である。陰極電極の開口部は、図示するように、開口部のエッジの２５μｍ分の部分（Ｄ６）まで、高抵抗性素材の導電性ポリイミドシートで覆われている。エッジ部分の導電性ポリイミドシートは、絶縁体基板と接触させることにより、陰極部分が露出しないようにしている。
また、陰極電極パターン１４のパターン間においても、エッジの２５μｍ分の部分（Ｄ７）まで、高抵抗性素材の導電性ポリイミドシートで覆われている。

図５は実施例１の粒子線画像検出器による印加電圧とガス増幅率の相関を実測したグラフである。図５において、横軸は陰極とピクセル型電極間の印加電圧（Ｖ）、縦軸はガス増幅率を示している。本測定では、ドリフト電場として２ｋＶ／ｃｍを与え、チェンバー内を流通させるガスとしてアルゴンとエタンを１対１で混合したもの（大気圧）を用いている。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の粒子線画像検出器によれば、汎用の二次元粒子線画像検出器や三次元荷電粒子飛跡検出器として有用である。具体的な応用分野としては、Ｘ線や中性子線による物質構造解析装置、放射線を用いた医療診断装置、ガンマ線カメラ、粒子線運動量測定装置などに利用できる。
さらに、動作ガスと高抵抗物質の抵抗値の選び方によっては、ガイガー・ミュラーモードでの動作が可能と考えられており、この場合取り扱いに優れた粒子線が像検出器が実現できる。

１１ 絶縁体基板
１２ 陽極電極パターン
１３ 円柱状陽極電極
１４ 陰極電極パターン
１５ 高抵抗性素材
１６ 開口部
１７ ドリフト電極
２０ 放電

Claims (5)

1. 絶縁体基板を貫通し上端面が前記絶縁体基板の表面に露出する円柱状陽極電極を有し、前記絶縁体基板の裏面に形成される陽極電極パターンと、前記円柱状陽極電極の上端面の回りに円形状の開口部を有し、前記絶縁体基板の表面に形成される陰極電極パターンと、を具備するピクセル型電極の粒子線画像検出器において、
   前記陰極電極パターンの表面が１０Ω・ｍ以上１０００Ω・ｍ以下の比抵抗を有する高抵抗性素材により被覆されたことを特徴とする粒子線画像検出器。
2. 前記高抵抗性素材は、前記開口部のエッジ部分に被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子線画像検出器。
3. 前記開口部のエッジ部分に被覆されている前記高抵抗性素材は、前記絶縁体基板と接触していることを特徴とする請求項２に記載の粒子線画像検出器。
4. 前記高抵抗性素材が、導電性のポリイミド (polyimide)もしくは導電性のポリイミドを含有する薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の粒子線画像検出器。
5. 前記高抵抗性素材の被覆膜の膜厚が、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の粒子線画像検出器。