JP2013531232A

JP2013531232A - アルファ粒子検出装置

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Publication number: JP2013531232A
Application number: JP2013512972A
Authority: JP
Inventors: ジャン，グレゴリー
Original assignee: ジャン，グレゴリー
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: EP2577350A1; WO2011151575A1; EP2577350B1; US20130140466A1; CA2799699C; CA2799699A1; US8927938B2; JP5619994B2; FR2960979B1; FR2960979A1

Abstract

本発明は、電子回路１００を備える、例えばラドンから放出するアルファ粒子を検出する装置に関し、この電子回路自体は、検出／変換セル１０２であって、そのｎ型層がアースされている順方向バイアスされたダイオードＤを備え、検出／変換セル１０２の入力はダイオードＤのｐ型層に電気的に接続され、このセルは、ダイオードＤによって放出された電荷を回復するとともに、この電荷を、線量信号を構成する代表電圧に変換するように設計されている、検出／変換セルと、線量信号のレベルをしきい値レベルと比較するように設計された比較回路１６０と、電圧Ｖのレベルがしきい値を超えることに応答して保護装置を制御するために設けられた制御回路１７０とを備える。

Description

本発明は、空気中のアルファ粒子を検出する装置に関する。

ラドンは、天然の放射線源を形成する天然起源の希ガスである。したがって、例えば住宅の部屋のような限定空間等において、空気中にこのガスが存在することを検出できることは重要である。

ラドンは、適切なセンサーによって検出することができるアルファ粒子を放出する。

様々な検出装置が既に提案されているが、それらのいずれも完全に満足のいくものではない。

例えば、受動装置（感光物質又はチャコールを有するフィルム線量計）又は能動装置（電離箱）が存在し得る。これらの装置は、多くの場合、大きくて扱いにくく、住宅内で容易に用いることができない。

他の検出装置は、全てのアルファ粒子を検出するとは限らず、特に、低い相互作用エネルギーを有するアルファ粒子及び数センチメートルの空中を進んでエネルギーを失ったアルファ粒子を検出しない電子的な実施態様を用いる。

本発明の目的は、従来技術の欠点を呈することがなく、特に、従来技術の検出装置によって行われる検出よりも正確な検出を提供する、ラドンを検出する装置を提案することである。

このために、電子回路を備える、例えばラドンからのアルファ粒子を検出する装置であって、この電子回路自体は、
少なくとも１つの検出・変換セルであって、そのＮ層がアースされている順方向バイアスされたダイオードと、電荷／電圧変換器型の変換回路であって、その入力がダイオードのＰ層に電気的に接続されるとともに、ダイオードによって放出された電荷を取り込んで、この電荷を代表電圧（representative voltage）に変換するために設けられた、変換回路と、を備える、少なくとも１つの検出・変換セルと、
増幅回路であって、その入力には、上記変換回路の出力が並列に電気的に接続されている、増幅回路と、
増幅回路の出力における電圧の値をしきい値と比較するために設けられた比較回路と、
電圧値がしきい値を超えることに応答して、保護装置を制御するために設けられた制御回路と、を備える、アルファ粒子検出装置が提案される。

上記検出・変換セルは、ダイオードのＰ層と、関連付けられた変換回路との間に挿入された入力キャパシタを更に備えることが有利である。

上記検出・変換セルは、変換回路と増幅回路との間に挿入された出力キャパシタを更に備えることが有利である。

上記変換回路は、
自己バイアス電界効果トランジスタであって、そのゲートは入力キャパシタに電気的に接続され、そのドレインは出力キャパシタに電気的に接続されている、自己バイアス電界効果トランジスタと、
アースとトランジスタのゲートとの間に電気的に接続されている入力抵抗と、
アースとトランジスタのソースとの間に電気的に接続されているソース抵抗と、
ソース抵抗と並列に接続されているソースキャパシタと、
電圧源とトランジスタのドレインとの間に電気的に接続されているドレイン抵抗と、
を備えることが有利である。

本発明の上述した特徴及び他の特徴は、一例示の実施形態の以下の説明を読むとより明らかになる。この説明は、添付図面に関して作成されたものである。

本発明の第１の実施形態によるアルファ粒子検出装置の電子回路を表す図である。本発明の第２の実施形態によるアルファ粒子検出装置の電子回路を表す図である。

アルファ粒子は、ダイオードのＰ層と相互作用する。このために、様々なタイプのダイオードを用いることができ、例えば、「平面拡散（planar diffusion）」ダイオード、「低容量平面拡散（low-capacitance planar diffusion）」ダイオード、ＰＮダイオード、ＰＮＮ＋ダイオード、ＰＩＮダイオード等の名称が挙げられる。

図１は、検出・変換セル１０２を含む検出装置の電子回路１００を示している。この検出装置は、例えばラドンから生じるアルファ粒子を検出する。

検出・変換セル１０２は、順方向バイアスされ、したがって、バイアス電圧もバイアス電流も受けていないようなダイオードＤを含む。

ダイオードＤのＰ層は、ラドンが検出されることなる空気に向けられ、Ｎ層はアースに接続されている。

検出・変換セル１０２は、アルファ粒子がダイオードＤによって捕捉されたときにダイオードＤによって放出される電荷を取り込んで、この電荷を代表電圧に変換するために設けられた電荷／電圧変換器型の変換回路１１０も含む。

ダイオードＤのＰ層は、変換回路１１０の入力に電気的に接続されている。

この代表電圧は、次に、変換回路１１０の出力に電気的に接続されている増幅回路１５０によって電圧Ｖに増幅される。

電子回路１００は、増幅回路１５０の出力における電圧Ｖの値をしきい値と比較する比較回路１６０も含む。

検出装置は、比較回路１６０によって検出された電圧Ｖがしきい値を超えていることに応答して、可聴及び／若しくは発光アラームの形態を取ることができる保護装置、並びに／又は空気中に存在するラドンを排気することを目的とした換気システムを制御する制御回路１７０も含む。

アルファ粒子とダイオードＤとの間の相互作用のエリアは、Ｐ層に位置している。この相互作用のエリアは、「空乏領域」と呼ばれ、ダイオードＤのバイアスの関数として得られる。そして、電圧も電流も電界もダイオードＤに印加されていないので、Ｐ層のみがアルファ粒子の存在に反応する。

Ｐ層は非常に薄く、１０μｍ程度であり、したがって、かなり短い平均自由行程（シリコン内で約８μｍ）を有する、ラドンによって放出されたアルファ粒子のみがＰ層と相互作用する。

その上、この相互作用のエリアは限られており、それによって、ダイオードＤのＰ層に堆積されてアルファ粒子を放出する可能性がある放射性元素に対する感度が低減される。したがって、検出器の自然汚染によって（例えば、ラドンの核分裂生成物によって）生み出される撹乱が、従来技術の検出装置の場合よりもかなり目立たなくなっている。

さらに、ダイオードＤをバイアス除去（debiasing）することによって、ダイオードＤを直接電気的に接続すること、すなわちＰ層を変換回路１１０の入力に電気的に接続することが可能である。

図面に提示された本発明の実施形態では、増幅回路１５０は、
電圧増幅器１５２であって、その非反転入力（＋）がアースされ、その反転入力（−）が変換回路１１０と電気的に接続されている、電圧増幅器１５２と、
電圧増幅器１５２の反転入力（−）と出力との間に電気的に接続されている抵抗Ｒ_ＡＭＰと、を備える。

電圧増幅器１５２は、この場合、反転モードで接続されるが、非反転モードで接続することもできる。

さらに、増幅回路１５０は、一連の増幅トランジスタ又は他の任意の増幅システムによって製造することもできる。

ダイオードＤと変換回路１１０とを電気的に分離し、したがって、ダイオードＤを十分にバイアス除去するために、電子回路１００は、ダイオードＤのＰ層と変換回路１１０との間に挿入された入力キャパシタＣ_Ｅを含む。したがって、入力キャパシタＣ_Ｅの第１の電極は、ダイオードＤのＰ層に電気的に接続され、入力キャパシタＣ_Ｅの第２の電極は、変換回路１１０の入力に電気的に接続されている。

順方向バイアスされたダイオードＤと、変換回路１１０と、入力キャパシタＣ_Ｅとを有するそのような構成は、従来技術の電荷増幅器を用いて測定されるダイオードＤ／アルファ粒子相互作用よりも弱いダイオードＤ／アルファ粒子相互作用を表すパルスを検出する。確かに、そのような構成は増幅回路１５０の電子雑音を著しく低減し、電子雑音の非常に弱いパルスを検出することが可能である。

同様に、変換回路１１０と増幅回路１５０とを電気的に分離するために、電子回路１００は、変換回路１１０と増幅回路１５０との間に挿入された出力キャパシタＣ_Ｄを含む。したがって、出力キャパシタＣ_Ｄの第１の電極は、変換回路１１０の出力に電気的に接続され、出力キャパシタＣ_Ｄの第２の電極は、増幅回路１５０の入力に電気的に接続されている。

変換回路１１０は、
自己バイアス電界効果トランジスタ、すなわちＦＥＴ１１２と、
アースとＦＥＴトランジスタ１１２のゲートとの間に電気的に接続されている入力抵抗Ｒ_Ｅと、
アースとＦＥＴトランジスタ１１２のソースとの間に電気的に接続されているソース抵抗Ｒ_Ｓと、
ソース抵抗Ｒ_Ｓと並列に接続されているソースキャパシタＣ_Ｓと、
電圧源Ｖ_ＣＣとＦＥＴトランジスタ１１２のドレインとの間に電気的に接続されているドレイン抵抗Ｒ_Ｄと、を備える。

入力キャパシタＣ_Ｅの第２の電極は、ＦＥＴトランジスタ１１２のゲートに電気的に接続されている。

出力キャパシタＣ_Ｄの第１の電極は、ＦＥＴトランジスタ１１２のドレインに電気的に接続されている。

変換回路１１０のこの特定の構成は、アルファ粒子がＰ層と相互作用したときに、ＦＥＴトランジスタ１１２のゲートにおける電荷の移動を引き起こし、それによって、ＦＥＴトランジスタ１１２のゲートとソースとの間の電圧に僅かな変更をもたらし、ドレイン抵抗Ｒ_Ｄにおける電圧の変動を生み出す。この変動は、次に増幅回路１５０によって増幅される。

図２は、増幅回路２５０の入力において並列に電気的に接続されている、２０２_１、２０２_ｎのラベルが付けられた複数の検出・変換セルを含む検出装置の電気回路２００を示している。増幅回路２５０の後には、比較回路１６０及び制御回路１７０が続いている。

増幅回路２５０は、図１の実施形態の増幅回路１５０の構造と同じ構造を仮定する。

数「ｎ」は、２よりも大きな整数を表し、配置されている検出・変換セル２０２_１、２０２_ｎの数を表す。

「ｎ」が１に等しい場合は、図１の本発明の実施形態によって表わされる。

ここでは、検出・変換セル２０２_１のみを説明するが、他の検出・変換セルのそれぞれは同一の構造を示す。

検出・変換セル２０２_１は、
順方向バイアスされたダイオードＤ_１と、
電荷／電圧変換器型の変換回路２１０_１であって、その入力は、ダイオードＤ_１のＰ層に電気的に接続され、ダイオードＤ_１によって放出された電荷を取り込んで、この電荷を代表電圧に変換するために設けられている、変換回路と、を含む。

図１の実施形態と同様に、検出・変換セル２０２_１は、ダイオードＤ_１のＰ層と、関連付けられた変換回路１１０_１との間に挿入された入力キャパシタＣ_Ｅ１を含む。すなわち、第１の電極はダイオードＤ_１のＰ層に電気的に接続され、第２の電極は変換回路２１０_１の入力に電気的に接続されている。

図１の実施形態と同様に、検出・変換セル２０２_１は、変換回路２１０_１と増幅回路２５０との間に挿入された出力キャパシタＣ_Ｄ１も含む。すなわち、第１の電極は変換回路２１０_１の出力に電気的に接続され、第２の電極は増幅回路２５０の入力に電気的に接続されている。

変換回路２１０_１の構造は、図１の変換回路１１０の構造と同一である。すなわち、変換回路２１０_１は、
自己バイアス電界効果トランジスタ１１２_１と、
アースとトランジスタ１１２_１のゲートとの間に電気的に接続されている入力抵抗Ｒ_Ｅ１と、
アースとトランジスタ１１２_１のソースとの間に電気的に接続されているソース抵抗Ｒ_Ｓ１と、
ソース抵抗Ｒ_Ｓ１と並列に接続されているソースキャパシタＣ_Ｓ１と、
電圧源Ｖ_ＣＣとトランジスタ１１２_１のドレインとの間に電気的に接続されているドレイン抵抗Ｒ_Ｄ１と、を備える。

入力キャパシタＣ_Ｅ１の第２の電極は、トランジスタ１１２_１のゲートに電気的に接続されている。

出力キャパシタＣ_Ｄ１の第１の電極は、トランジスタ１１２_１のドレインに電気的に接続されている。

図２の本発明の実施形態の場合に示されるように、各検出・変換セル２０２_１、２０２_ｎのこの特定の構成によって、所与の増幅回路２５０についてこれらのセルの数が増加し、したがって、検出装置２００の体積及びその電力消費を大幅に増やす必要なく、検出装置２００の感度が高められる。

そのように得られる検出装置２００の感度は、より低いコストでも放射線測定機器の感度と同様である。

本発明の一特定の実施形態によれば、トランジスタ１１２は、Ｊ１１３で参照されるトランジスタである。抵抗値Ｒ_Ｄ及びＲ_Ｓは、５０ｋΩと４７０ｋΩとの間であり、好ましくは３００ｋΩに近い。用いることができる一例示の電圧増幅器１５２は、ＴＬ０３１で参照される電圧増幅器である。

当然のことながら、本発明は、説明され表された例及び実施形態に限定されず、当業者に理解可能な多くの変形形態を受け入れることができる。

ラドンからのアルファ粒子の場合について本発明をより詳細に説明してきたが、本発明は、他の元素からのアルファ粒子にも同様に適用される。

Claims

室内で特にラドンからのアルファ粒子を検出する装置であって、該アルファ粒子検出装置は電子回路によって形成され、該電子回路は、
並列に接続された１つ又は幾つかの検出・変換セル（１０２、２０２_１、２０２_ｎ）であって、このセル又はこれらのセルのそれぞれは、前記室内のアルファ粒子の量を表す線量信号を配信する解析手段と協働する順方向バイアスされたダイオード（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_ｎ）を含む、１つ又は幾つかの検出・変換セルと、
前記１つ又は幾つかの検出・変換セル（１０２、２０２_１、２０２_ｎ）の出力において得られた前記線量信号の値をしきい値と比較するために設けられた比較回路（１６０）と、
前記線量信号が前記しきい値を超えることに応答して保護装置を制御するために設けられた制御回路（１７０）と、を備える、アルファ粒子検出装置において、
前記ダイオード（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_ｎ）のＮ層はアースに接続され、
前記解析手段は、電荷／電圧変換器型の変換回路（１１０、２１０_１、２１０_ｎ）によって形成され、該変換回路の入力は、このダイオードによって放出された電荷を取り込んで、該電荷を、前記線量信号を形成する代表電圧に変換するために前記ダイオード（Ｄ、Ｄ_１、Ｄ_ｎ）のＰ層に電気的に接続され、
この変換回路（１１０、２１０_１、２１０_ｎ）は、
自己バイアス電界効果トランジスタ（１１２、１１２_１、１１２_ｎ）であって、該自己バイアス電界効果トランジスタのゲートは、前記ダイオード（Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_ｎ）の前記Ｐ層に電気的に接続され、該自己バイアス電界効果トランジスタのドレインは、前記比較回路（１６０）に電気的に接続されている、自己バイアス電界効果トランジスタと、
アースと前記トランジスタ（１１２、１１２_１、１１２_ｎ）の前記ゲートとの間に電気的に接続されている入力抵抗（Ｒ_Ｅ、Ｒ_Ｅ１、Ｒ_Ｅｎ）と、
アースと前記トランジスタ（１１２、１１２_１、１１２_ｎ）のソースとの間に電気的に接続されているソース抵抗（Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｓ１、Ｒ_Ｓｎ）と、
前記ソース抵抗（Ｒ_Ｓ、Ｒ_Ｓ１、Ｒ_Ｓｎ）と並列に接続されているソースキャパシタ（Ｃ_Ｓ、Ｃ_Ｓ１、Ｃ_Ｓｎ）と、
電圧源（Ｖ_ＣＣ）と前記トランジスタ（１１２、１１２_１、１１２_ｎ）の前記ドレインとの間に電気的に接続されているドレイン抵抗（Ｒ_Ｄ、Ｒ_Ｄ１、Ｒ_Ｄｎ）と、
を備えることを特徴とする、アルファ粒子検出装置。
前記アルファ粒子検出装置は、前記１つ又は幾つかの検出・変換セル（１０２、２０２_１、２０２_ｎ）の前記出力と前記比較回路（１６０）の入力との間に電気的に接続されている増幅回路（１５０、２５０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のアルファ粒子検出装置。
前記検出・変換セル（１０２、２０２_１、２０２_ｎ）は、前記ダイオード（Ｄ、Ｄ_１、Ｄ_ｎ）の前記Ｐ層と、関連付けられた前記変換回路（１１０、２１０_１、２１０_ｎ）との間に挿入された入力キャパシタ（Ｃ_Ｅ、Ｃ_Ｅ１、Ｃ_Ｅ２）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアルファ粒子検出装置。
前記検出・変換セル（１０２、２０２_１、２０２_ｎ）は、前記変換回路（１１０、１１０_１、１１０_ｎ）の出力と、前記比較回路（１６０）又は前記増幅回路（１５０、２５０）との間に挿入された出力キャパシタ（Ｃ_Ｄ、Ｃ_Ｄ１、Ｃ_Ｄｎ）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルファ粒子検出装置。