JP2015533422A

JP2015533422A - イオン電流の検出装置

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Publication number: JP2015533422A
Application number: JP2015540206A
Authority: JP
Inventors: ロバートプランス，プロフェッサー
Original assignee: University of Sussex
Current assignee: University of Sussex
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-11-24
Also published as: BR112015009953A2; KR20150085516A; US9576776B2; RU2015118456A; CN104903744A; US20150279642A1; EP2914980A1; GB201219488D0; WO2014068304A1

Abstract

本発明は、イオン化工程から生じる荷電粒子が生成するイオン電流を検出し測定する荷電粒子センサ（１０）であって、ハウジング（１６）と、当該ハウジングに囲われて前記荷電粒子を回収するための検出電極（１４）と、当該検出電極に接続されてそこからＤＣ入力信号を受信する入力部およびＤＣ測定信号を出力として供給する出力部（１８）を有する電位計（１２）とを具える。ハウジングは前記検出電極を外部の電界から遮蔽する静電スクリーン（１６）を具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減される。静電スクリーンは前記検出電極に面し前記ハウジング内に放射線の進入を可能にする隙間が設けられた第２の電極としての導電性の遮蔽シート（２６）を具え、当該第２の電極と前記検出電極は使用時に互いに対してバイアス電圧に維持されるよう構成されて、イオン化工程で得られる荷電粒子間で電荷の分離をもたらし、これにより前記検出電極に当たるイオン電流が生成される。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電した粒子により生成されるイオン電流を検出し測定する装置に関する。

イオン化工程で荷電された粒子またはイオンが生成され、本発明はその好適な実施例においてこのようなイオン化工程で得られるイオン電流を検出し測定する。

本書で「イオン電流」の表現は、イオン化工程で生成されるイオンからなる電流を意味する。イオン電流は後述するように、空気中、真空中、液体中、または固体中に存在する。

さらに、本書で用いる「放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」の表現は、高速電子の場合のような荷電粒子の放射と、電磁放射や中性子の場合のような非荷電との双方を含む意味である。

電離放射線源により生成される電流を検出する多用な形態の装置が既に知られている。

従来の電離箱型放射線検出器は、箱内の気体を通る荷電粒子または放射線で動作し、気体分子のイオン化を生じる。このイオン化工程においてイオン対が気体中で形成され、電界をかけると、荷電されたイオン対のすべてが分離して回収される。導体内の電流パルスが電界に比例して生成され、これらの器具が通常用いられる飽和レベルとなると、カウントされ出力される。このような検出器は一般に大きな電界（〜１０^５Ｖ／ｍ）を用い、放射線が通る窓付きの密閉された気体（例えばアルゴン）充填管を必要とする。この窓の材料は通常薄い金属フォイルかマイカシートでなる。

より具体的には、このような電離箱は筒型構造であり、中央ワイヤの形態の回収電極と、筒型ハウジングの形態の外側電極を有する。典型的には１００−３００Ｖの、中央電極と外側電極の間の大きな放射状の電界が、電荷の分離プロセスを形成し、これによりイオン化生成物がワイヤ電極により回収される。箱内でイオン化工程で発生する電流パルスが高い値の抵抗に供給されて電圧パルスが生成される。これらの電圧パルスがコンデンサを通して、パルスカウントの目的でパルスを増幅するための広帯域アンプにＡＣ結合される。

公知のイオン化煙検出器は、電極で回収される荷電粒子を生成する小さな^２４１Ａｍソース（＜１μＣｕ）を具え、抵抗とＦＥＴソースの組み合わせにバイアスされたＦＥＴ装置に入力電流を提供する。金属ハウジングがこの^２４１Ａｍソースと、電極と、ＦＥＴとを囲み、通常は固定のＤＣ電位にバイアスされ、電界を提供する。ハウジングは穴を有し、この穴を通って煙が入り、^２４１Ａｍソースが生成する粒子流が衝突により減少して、ＦＥＴ装置の入力電圧が変更され、故に出力電圧も変更される。この出力は比較器で基準電圧と比較され、特定の限界を超えるとアラームがトリガされる。商業的な煙検出器は集積回路デバイスを用い、パルスモードで動作してバッテリ寿命を節約する。

上記の検出器は、煙の存在または不存在を検出し、煙の量が特定レベルを超えた場合に作動するよう設計されている。この検出は連続的でなく、電圧や電流の量を測定するものではなく、この公知のデバイスの応用例を有意に制限していた。

国際特許出願公開ＷＯ０３／０４８７８９は、検出されるソースと容量結合されＡＣ変位電流を通して機能する電位センサに関する。このようなセンサは、電界、空間ポテンシャル、そして、特定の状況下では静電荷を測定することができる。

この公知の電位センサは容量がなく、しかしながら、荷電粒子やイオン化工程の産物を検出することができず、またこれにより生成されるイオン電流を測定することもできない。

［本発明］
本発明は、イオン化工程で生じるイオン電流を検出および測定し、測定信号を出力として提供するセンサを提供することを目的とする。

本発明は、電界による信号とイオン電流による信号の識別を可能にすることを目的とする。

好適な実施例において、本発明は、空気、真空、液体、または固体中のイオン電流を検出し、このようなイオン電流を測定する荷電粒子センサを提供する。

一実施例では、本発明は、特定の中性粒子と放射線の存在に応じてイオン化工程が導出され、これにより荷電粒子が生成され、結果としてのイオン電流が検出され測定されるセンサを提供することを目的とする。

本発明はさらに、上述した従来技術の検出器に対して顕著に費用対効果を向上させることを目的とする。

本発明のセンサは、静電遮蔽を用いることにより、特に外部の電界、空間ポテンシャルおよび静電荷に鈍感となるよう構成される。代わりにこのセンサは検出電極に回収された荷電粒子に反応する。

このセンサの特徴は、したがって、電極を外部の電界から電気的に遮蔽する構成であり、電界、正電荷、および電位への反応を効果的に、可能な限りゼロの近くまで低減させる。この目的のために提供された静電スクリーンは、放射線や荷電粒子等が通過できるような導電性のメッシュ、あるいは隙間や物理的な穴を有する他のシート材料を具える導電性のハウジング構造の形態をとることができる。

本発明の一態様では、イオン化工程で得られる荷電粒子が生成するイオン電流を検出し測定するための荷電粒子センサが提供され、ハウジングと、当該ハウジングに囲われて前記荷電粒子を回収するための検出電極と、当該検出電極に接続されてそこからＤＣ入力信号を受信する入力部およびＤＣ測定信号を出力として供給する出力部を有する電位計とを具え、前記ハウジングは前記検出電極を外部の電界から遮蔽する静電スクリーンを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは前記検出電極に面し前記ハウジング内に放射線の進入を可能にする隙間が設けられた第２の電極としての導電性の遮蔽シートを具え、当該第２の電極と前記検出電極は使用時に互いに対してバイアス電圧に維持されるよう構成されて、イオン化工程で得られる荷電粒子間で電荷の分離をもたらし、これにより前記検出電極にイオン電流が生成されることを特徴とする。

本発明の別の態様では、中性の放射線と粒子を検出するための荷電粒子センサが提供され、検出電極と、この電極に接続され検出入力信号を入力として受信する入力部および出力としてＤＣ測定信号を供給する出力部を有する電位計と、前記検出電極を囲んで当該電極を外部の電界から遮蔽する静電スクリーンとを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは放射線および粒子を通すための複数の孔が設けられ第２の電極として作用するよう配置された導電材料の遮蔽シートを具え、前記検出電極はコーティングが形成された平面を有し、当該コーティングは前記放射線および粒子と相互作用して化学反応または核反応により荷電粒子を生成するよう設けられていることを特徴とする。

本発明の別の態様では、荷電粒子が生成するイオン電流の検出方法が提供され、当該方法は、外部の電界から検出電極を遮蔽するための静電スクリーンで検出電極を囲むステップを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは前記検出電極に面し隙間が形成された第２の電極として設けられた導電性の遮蔽シートを具え、前記遮蔽シートに放射線を通すステップと、前記第２の電極と前記検出電極の間で電荷を分離させて前記検出電極にイオン電流を提供するステップと、前記検出電極に電位計を接続してここからＤＣ入力信号を入力として受け取り、ＤＣ測定信号を出力として供給することを特徴とする。

本発明の別の態様では、中性の粒子および放射線を検出する方法が提供され、当該方法は、外部の電界から検出電極を遮蔽する静電スクリーンにより検出電極を囲むステップを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは複数の隙間が設けられ第２の電極として作用する導電材料の遮蔽シートを具えており、前記遮蔽シートに前記粒子または放射線を通すステップと、前記粒子または放射線を前記検出電極のコーティングと相互作用させて化学反応または核反応によって荷電粒子を生成するステップと、前記検出電極に前記荷電粒子を集めるステップと、前記検出電極に電位計を接続して入力として前記検出電極からのＤＣ入力信号を受け、出力としてＤＣ測定信号を提供するステップとを具えることを特徴とする。

本発明の一実施例では、サンプル源からの荷電粒子がスクリーンを通過し検出電極に入ることにより検出部に入り、これにより小さなＤＣ電流が形成される。サンプル源にＤＣ接続を含む完全な回路ループがないにも拘わらず、この電子の流れはその後検出部の出力部に、入力部の入った電荷と比例するＤＣオフセットを提供すべく送られる。スクリーンをグリッドとして扱うか、更なるグリッドを追加して正か負の固定電位に接続するかにより、検出部のさらなる選択度が加わる。この方法により、粒子の極性とエネルギを判定できる。

前述した従来技術の電離箱と比べると、本発明の実施例にかかる荷電粒子センサは、本来的に高い容量性構造を有し、平板形状の保護された回収電極と、平行板形状のメッシュ電極とを有し、これらは円筒シールドに囲まれている。

本発明にかかる荷電粒子センサは、
１．回収電極に直接あたる荷電粒子、
２．ハウジング内または外側のプロセスで生成される「娘（ｄａｕｇｈｔｅｒ）」イオン化生成物、
３．コートされた電極と中性の粒子または放射線の相互作用の結果、
の組み合わせに由来するＤＣ平均電圧信号を生成する。

このＤＣ電圧は、電極のキャパシタンスと電位計の有効入力インピーダンスの組み合わせによる統合プロセスの結果物である。

本発明を、添付の図面を参照しながら、例示として、以下にさらに説明する。

図１は、本発明にかかる荷電粒子センサの概略図である。図２は、荷電粒子センサの回路図である。図３は、荷電粒子センサ全体のブロック図である。図４は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図５は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図６は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図７は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図８は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図９は、図２の荷電粒子センサの変形例の回路図である。図１０は、荷電粒子センサの電極による検出で生じるイオン化工程を示す図である。図１１は、図２の荷電粒子センサを用いて得られた測定結果のグラフである。図１２は、図２の荷電粒子センサを用いて得られた測定結果のグラフである。図１３は、荷電粒子を生成する化学反応または核反応を起こし、このような荷電粒子が生じさせるイオン電流を検出することによる中性の粒子や放射線を検出するための、図２のセンサの変形例の回路図である。図１４は、荷電粒子センサのコーティングされた電極で検出されるイオン化工程を示す図である。図１５は、荷電粒子を生成する化学反応または核反応を起こし、このような荷電粒子が生じさせるイオン電流を検出することによる中性の粒子や放射線を検出するための、図２のセンサの変形例の回路図である。図１６は、荷電粒子を生成する化学反応または核反応を起こし、このような荷電粒子が生じさせるイオン電流を検出することによる中性の粒子や放射線を検出するための、図２のセンサの変形例の回路図である。図１７は、光学センサとして用いられる図２のセンサのさらなる変形例の回路図である。図１８は、図１７の荷電センサを用いて得られる測定結果のグラフである。

本書に規定されるように、イオン化工程は荷電粒子を生じ、ここから電荷が分離されてイオン電流が生成される。このようなイオン電流が本発明により、荷電粒子センサを組み込んだ検出装置で測定される。イオン化工程の様々な形態があり、これに対応して検出装置の多様な形態があり、これらが本発明の範囲内と考えられる。いくつかの場合、荷電粒子は検出装置外のイオン化放射線源により生成され、いくつかの場合、荷電粒子は検出装置内のイオン化工程で生成される。しかしながら、すべての実施例が、以下に述べるように、イオン化工程で生成されるイオン電流を検出して測定する、特定の共通した特性を有する荷電粒子センサを具える。

最初に図１乃至３を参照して、本発明の一実施例にかかる荷電センサを有する検出装置が以下に説明される。

図１に示すように、本発明にかかる荷電粒子センサ１０は、検出電極１４と、当該電極１４用の電界遮蔽構造１６とを有する電位計１２を具える。電極１４は、電位計１２に電気接続され後述のように配設されて電位計１２にＤＣ入力を供給する導電板電極を具え、この電位計がこれによって出力部１８にＤＣ測定信号を供給する。遮蔽構造１６は多数の目的のために作用し、これには電極１４に電界遮蔽を提供し、装置内で電極１４とともにイオン対の中で電荷分離を生じさせるための第２の電極を提供することが含まれる。遮蔽構造１６はまた、検出装置内で電極１４の荷電粒子に対する感度を制御するのに適合している。

図示するよに、検出電極１４は好ましくは円盤電極であり、電位計１２からの正のフィードバックにより電極１４と同じ電位に維持されるガード２０に囲まれている。ガード２０は電極１４、入力回路、および電極１４から電位計１２への配線の全部を取り囲んでおり、例えば図２に示すように、電位計１２内の増幅器の出力により駆動されるシールドとして作用する。

遮蔽構造１６は、静電スクリーン２２を具え、これは電極１４とガード２０の双方を取り囲む筒型のエンクロージャまたはハウジング２４の形態の第１の電界スクリーンと、前記エンクロージャまたはハウジング２４の開口面を横切って延在し前記円盤電極１４の平面に面して配置された円盤形状のメッシュスクリーン電極２６の形態の第２の電界スクリーンとを具える。筒型のエンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６の双方が導電材料で構成され、このため電極１４をすべての外部電界から遮蔽し、このような電界、正電荷、および電位から電極１４の感度を効果的に低減し、可能な限りゼロに近くする。メッシュスクリーン電極２６には、空気、液体、放射線、および荷電粒子が外部から当該メッシュスクリーン電極２６を通ってハウジング２４内に入ることができる複数の隙間または穴２８が形成され、電極１４がその表面にあたる粒子を回収できるようにしている。

円盤形状のメッシュスクリーン２６は円盤形状の電極１４と平行であり、効果的に第２の電極を構成する。メッシュスクリーン電極２６は、後述するように、ハウジング２４内でイオン対間の電荷分離を補助し、電極１４の入射する荷電粒子に対する感度を制御するため、電極１４に対して基準電圧に維持される。電極１４はその後このような荷電粒子を回収し、導体内で標準電子電流を生成して電位計１２の入力として供給する。同様に、検出工程においてそれ自身が充電されないように、ハウジング２４はアースのような基準電位に保持され、フロートしてはならない。メッシュスクリーン電極２６と電極１４間のバイアス電圧は典型的には数ボルトと低く、例えば＋または−２．５乃至５ボルトである。特定の実施例は、＋または−４ボルトの間のバイアス電圧を予見している。従来技術では高電圧を要していたのに対して、感度の高い電位計１２を用いることにより、このような低電圧が必要な電荷の分離を得るのに十分となる。

図２は、図１の荷電粒子センサ１０の電気回路図であり、電位計１２と、筒型のエンクロージャ２４およびメッシュスクリーン電極２６への電気接続の詳細を示す。図２に示すように、電位計１２は標準の非反転増幅器３０を具え、その正の入力の電極１４が入力配線１４ａによって接続されている。増幅器３０の出力は、センサ出力１８に接続される。図示するように、電位計１２は供給レールＶ^＋とＶ⁻間に接続されており、ここでＶは典型的には２．５乃至５ボルトであり、例えば４ボルトである。電位計１２は、増幅器３０用の入力バイアス電流を供給するためのＤＣバイアス抵抗Ｒｂｉａｓと、抵抗Ｒ３およびコンデンサＣ１を有し前記バイアス抵抗Ｒｂｉａｓをブートストラップするブートストラップ構造３２と、抵抗Ｒ１、Ｒ２を有し増幅器３０のゲインを設定するゲイン設定構造３４とを有する。

ゲインを有する増幅器として増幅器３０が用いられ、これはハウジング２４内のイオン電流の小さな大きさがこれでなくては簡単に電極１４で検出され回収できないからである。ガード２０がブートストラップ構造３２のコンデンサＣ１の隣接点３２ａに接続され、これにより増幅器３０にゲインが適用されるポイントから増幅器３０の出力により駆動される。センサ電極１４をガード２０で保護することにより、増幅器３０への有効入力容量は最小限となり、一方で抵抗Ｒｂｉａｓのブートストラップ構造が増幅器３０への入力抵抗を増大させて、入力インピーダンスの高い電位計１２が提供される。

筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６の双方が、様々な構造の基準電圧源に接続されてよく、これが図４乃至９を参照して以下に説明される。

図３を参照すると、荷電粒子センサ１０全体の概略ブロック図であり、図２に示すような増幅器３０を具える増幅器回路３００と、センサ電極１４、メッシュスクリーン電極２６、および筒型エンクロージャ２４を含む電極および電解スクリーン構造３１０と、出力としてＤＣ測定信号を精製するための出力部１８を有するＤＣ結合出力段３２０とを具える。多様な補助的なフィードバック回路が含められており、これには例えば、ガード２０およびブートストラップ回路３２を含む正のフィードバック構造３３０、ゲイン設定回路３４を含む負のフィードバック構造３４０、および増幅器回路３００に一定のＤＣバイアス電流を提供するＤＣバイアス抵抗Ｒｂｉａｓを含むＤＣバイアスネットワーク３５０とが含まれる。これらの補助回路は、示した機能を提供するさらなる回路要素を具えてもよく、また追加のインピーダンス増幅補助回路を設けてもよい。

例えば、メッシュスクリーン電極２６とハウジング２４は、図５に示すように、ＤＣ電荷分離信号の上に重畳（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅ）されたブートストラップ信号を有してもよい。これはハウジング構造とセンサのキャパシタンスを部分的に中性化することによりセンサの有効調整時間を低減するのに用いられる。

より具体的には、センサの調整時間は、
τ〜Ｒ_ｅｆｆ・Ｃ_ｅｆｆ
であり、ここでＲ_ｅｆｆはセンサの有効入力抵抗であり、Ｃ_ｅｆｆはセンサ入力キャパシタンス、電極キャパシタンス、およびハウジングキャパシタンスからなる合計有効キャパシタンスである。

バイアス抵抗Ｒｂｉａｓをブートストラップすると、有効入力抵抗Ｒ_ｅｆｆが増大し、ブートストラップ信号をハウジングに供給すると、合計有効キャパシタンスＣ_ｅｆｆが低減する。ブートストラップが抵抗Ｒｂｉａｓにしか供給されなければ、調整時間は大きくなり応答が非常に遅くなる。一方、ブートストラップがハウジングにも供給されれば、Ｃ_ｅｆｆは低減してＲ_ｅｆｆの増大が補償される。これにより、図５により、センサの帯域幅を設定する調整時間が制御される。

図３は、外部の電界の検出結果による影響や歪みを防止するのに必要なスクリーニング３１０と、増幅器３０の入力部に供給される電子流を生成するための電極１４を介してイオン電流が回収および検出されるようにして増幅器３０の出力部に測定信号出力を生成する増幅器回路３００およびＤＣ結合出力段３２０とを具える。感度は２つの電界スクリーン２４、２６の電圧を変化させて制御され、バイアス電圧が高くなれば感度も高くなる。図示するように、回路３３０、３４０、および電位計１２に一定のＤＣバイアス電流を供給する回路３５０内の、入力インピーダンスを高めるフィードバック技術の組み合わせが、本発明のセンサの動作に必須である。

２つの電界スクリーン２４、２６は、互いにおよびアースのような基準電位に電気接続されてもよいし、所望の異なる電位に固定されてもよい。筒型のエンクロージャ２４はアース接続されるか、電極１４のようにガードされるか、いずれかの極の固定ＤＣ電位であってもよい。同様に、メッシュスクリーン２６はアース接続されるか、ガードされるか、正または負の極で固定されてもよい。これらの電位を操作すると、特定の極の荷電粒子とエネルギーが受容されるか拒絶される。さらに、荷電センサ１０および検出電極１４の感度は、メッシュスクリーン電極２６と検出電極１４の感覚を変化させることにより制御可能である。

多様なスクリーン構造の例が、図４乃至９を参照して図示され説明され、図２の実施例と同じ回路構造が示されている。同じ部品は同じ参照符号が付され、さらなる説明は行わない。

最初の選択肢が図４に示され、ここでは筒型のエンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６の双方がそれぞれの接続線３６、３８によりアース線４０に接続されている。この構成では、荷電粒子センサ１０は正負の荷電粒子で等しい感度を有することとなり、比較的低い感度を示す。このような構成では、検出される荷電粒子が電極１４に到達するために比較的高いエネルギーを有する必要がある。

感度を高くする必要があれば、図５に示すように、筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６をそれぞれ接続線４２、４４によりガード２０に接続して、ガード２０と同じ電位とする。この構成では、寄生容量を低減することにより入力インピーダンスが上がり、その結果正と負の双方の荷電粒子への感度が上がる。

図６は、筒型エンクロージャ２４が接続線４６で接地線４０に接続され、メッシュスクリーン電極２６が接続線４８でガード２０に接続され、これにより筒型エンクロージャ２４が接地配置されメッシュスクリーン電極２６がガード２０と同じ電位となる。ここでは、付加的な漂遊容量が接地スクリーンから生じ、感度は中間レベルとなるが、例えば^２４１Ａｍ源や類似の低活性の放射性同位元素からの、範囲の短い、低エネルギーの、正に荷電されたアルファ粒子を検出するといったいくつかの応用例で許容しうる。

粒子の極性の弁別が必要な場合、図７、８に示すようにＤＣバイアス電圧をメッシュスクリーン電極２６にかけるか、図９に示すように筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６の双方にかけ、これは２つのスクリーン２４、２６の一方または双方を正または負の電圧源に接続することによる。正のバイアス電圧は、メッシュスクリーン電極２６により負の荷電粒子を優先的に引き付け、よって円盤電極１４で正の荷電粒子が検出され、負のバイアス電圧はメッシュスクリーン電極２６で正の荷電粒子を引き付け、その結果円盤電極１４で負の荷電粒子が検出される。

より具体的には、図７では筒型エンクロージャ２４が接続線５０で接地線４０に接続されてエンクロージャ２４がアースまたは接地され、メッシュスクリーン電極２６が線５２で正の電位源５４（すなわち、図２の供給レール３０ａ）に接続された構成が示されている。このメッシュスクリーン電極２６はこれにより正のＤＣ電圧にバイアスされ、したがって使用時に正の荷電粒子の存在下で負の荷電粒子を引き付け、メッシュスクリーン電極２６を通過して電極１４にあたる荷電粒子は正に荷電されたものとなる。

反対に、図８の実施例では、筒型エンクロージャ２４が接続線５０で接地線４０に接続されてアースまたは接地され、一方でメッシュスクリーン電極２６が接続線５６で負の電位源５８（すなわち、図２の供給レール３０ｂ）に接続される。本例では、メッシュスクリーン電極２６は負のＤＣ電圧にバイアスされ、正の荷電粒子を引き付けて回収する一方で負の荷電粒子を通過させて検出電極１４に当たるようにする。

図９に転ずると、筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６の双方が接続線６０、６２で電位源Ｖに接続され、これは必要に応じて正でも負でもよい（図２にそれぞれ示す供給レール３０ａ、３０ｂに対応）。この実施例では、検出されるのと逆の極性の粒子が筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン２６の双方に引き付けられるため、正負の荷電粒子の最も高度な分別が達成される。２つのスクリーンとすると位置の極性の粒子が通過して検出電極１４に届くのが非常に少なくなる。

いずれの場合でも、メッシュスクリーン電極２６を通過した荷電粒子は、検出電極１４に集まって増幅器３０へのＤＣ入力電流を生成し、これが出力部１８のＤＣ出力信号となる。電極１４におけるＤＣ電圧は、電位計の電極容量と有効入力インピーダンスの組み合わせを通した統合プロセスの結果である。ＤＣ電圧は調整時間τ〜Ｒ_ｅｆｆ・Ｃ_ｅｆｆで設定された時間尺度にわたって生じるイオン化事象の数に比例する信号を提供し、この時間は上述したように、センサの合計有効キャパシタンスと入力抵抗により決定される。

抵抗Ｒｂｉａｓを含み、ＤＣバイアスネットワーク３５０により提供される有限のＤＣ放電パスは、センサが飽和するのを防止する。荷電と放電プロセスが平衡状態に達し、一定の出力電圧となる。例えば、荷電粒子の流れにおいて、検出電極１４に流入する入力電流Ｉｉｎが、
Ｉｉｎ＝１ｆＡ（ｉｅ１０^−１５Ａ）
の場合、Ｒｂｉａｓの有効値をフィードバックが１０^１２Ωとなるようにとると、増幅器の入力部で以下と等しい信号が生成される。
ＲｂｉａｓｘＩｉｎ＝１０^１２ｘ１０^−１５Ｖ
＝１０^−３Ｖ
＝１ｍＶ

実践では、本発明の基本的な実施例にかかる荷電粒子センサによる検出工程は上記のものよりいくらか複雑であり、このような実施例の動作を一般用語で図１０を参照しながら以下に説明する。図示するように、荷電粒子Ａのソースがハウジング２４外の大気環境内に設けられ、粒子Ａがハウジング２４にメッシュスクリーン電極２６を通って入り検出電極１４に直接あたる。ハウジング２４内の空気のイオン化が起こり、生徒負の荷電粒子Ｂが生じる。これらはメッシュスクリーン電極２６と回収検出電極１４の間の電界により分離され、一方の極性の粒子Ｂも検出電極１４にあたる。さらに、ハウジング２４外の空気のイオン化もいくらか起こり、正と負の荷電粒子Ｃが生じ、そのいくらかがメッシュスクリーン電極２６を通ってハウジング２４に入る。これらの粒子Ｃも、メッシュスクリーン電極２６と回収電極１４間の電界により分離されるが、これは粒子Ｂの場合より低効率となる。したがって、検出電極１４が特定の極性の粒子Ａ、Ｂ、Ｃを回収する。ＤＣ平均電圧信号は：
ｉ．ソースから回収電極に直接あたる荷電粒子、
ｉｉ．ハウジング内または外部のプロセスからの「娘」イオン化物
から派生する。

結果は検出電極が出力する混合信号となるが、「娘」イオン化物に属するものに比べると荷電粒子自体に属するものは非常に小さい。例えば、一般にアメリシウムのアルファ源からのアルファ粒子を考えると、各アルファ粒子は通常１０，０００の空気分子をイオン化する。

上述した検出システムは、従来電気回路で電流が流れるのに必要であった完全な回路ループを有さない。イオン電流源は荷電粒子を自由空間に放射し、電位源により駆動されない。これらは従来の電気回路の法則に従ったものではない。

これは以下の例を考えることにより説明され、それにはイオン化粒子源として裸蝋燭の炎の検出と、アルファ粒子源からのイオン化放射線の検出が含まれる。

［イオン化ガスの直接検出］
検出されるイオン化粒子の多様なソースとしては、燃焼生成物やプラズマを含む。例えば裸蝋燭の炎といった比較的低い温度のソースでも、検出するのに十分なイオン化製品を生成する。図１１は、センサ１０のメッシュスクリーン電極２６の近くに配置した蝋燭の炎を導入した後に、図４の荷電粒子センサ１０を用いて多様な時間間隔で測定したグラフである。図１１に示すように、炎がメッシュスクリーン電極２６の近くに配置されたときにセンサ１０の出力部１８でＤＣオフセットが増大する。ＤＣ信号は、センサ１０内の抵抗Ｒｂｉａｓを含むＤＣ放出パスの存在により、数秒後に安定する。炎が１０秒後に消されると、ＤＣ信号は急速に数秒で消失するのがみえる。

［電離放射線の直接検出］
図１２を参照して別の実施例を説明すると、多様な時間間隔でアルファ粒子源からアルファ放射線の検出が示されている。

^２４１Ａｍ同位体の形態のアメリシウムは、イオン化煙検出器で用いられるαエミッタである。これは外部の影響に拘わらず放射線の減衰によりアルファ粒子を生成する。^２４１Ａｍのソースはイオン電流の点のソースと考えることができ、正の荷電粒子のストリームを生成し、これは空気中で一般に１−２ｃｍのオーダーである短い範囲を有する。^２４１Ａｍのソースが荷電粒子センサ１０のこの範囲でハウジング２４外に配置されると、荷電粒子はメッシュスクリーン電極２６を通過し検出電極１４にあたり、電極１４ひいては増幅器３０の入力部に有限の電位をチャージする。その後、ＤＣ信号がセンサ１０の増幅器３０の出力部１８に生成される。

図１２は、^２４１Ａｍのソースをメッシュスクリーン電極２６の近くに配置し、ソースとセンサ１０を互いに相対的に段々と離れるように、３つの異なる相対位置へと動かしたものを示す。ソースは移動してから各場合に、センサ１０の出力が安定したＤＣレベルとなるまで新しい位置におかれる。これが図１２の三箇所のプラトーとして示されている。いずれの場合も、図示するように、センサ１０の出力電圧は新たな、より負ではないレベルで安定する。

［非荷電粒子および電磁放射の検出］
本発明は、比較的少ない変更のみで、中性子のような非荷電粒子や、中性のガンマ放射線のような電磁放射を検出するよう適合させることができる。これら両方のソースは非荷電であるが、本発明の一実施例では、イオン化工程を開始し、これにより荷電粒子とイオン電流を生成するためのコンバータを用いることにより検出することができる。本発明の特定の実施例では、このようなコンバータはセンサ電極１４に適切なターゲット材料を添加して、核反応または化学反応を介して荷電粒子を生成することで達成される。有利なことに、ターゲット材料は、センサへの効率的な電荷の移動および電流のために、センサ電極１４へのコーティングとして適用される。

例えば、図１３に示す本発明にかかるセンサ１００の一実施例で中性子の検出が可能となり、ここではセンサ電極１１４がボロンといった転換材料の層７０で被覆されている。本実施例では、^１０Ｂアイソトープ、または天然ボロンの濃縮版が用いられる。

図１３のセンサ１００は、図２のセンサ１０と同じ基本回路素子を有する。類似部品は同じ参照符号が振られ、さらなる説明は行わない。相違点はセンサ電極１１４がボロン層７０で被覆されていることである。本例では、筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６がそれぞれ線７２、７４で接地線４０に、したがって接地電位に接続される。これにより荷電粒子からの正負いずれの信号も減衰される。メッシュスクリーン電極２６を通過する中性子はボロン層７０に当たり、ここで中性子とボロン間に核反応が生じてリチウムが生成されて荷電されたα粒子が放出される。このアルファ粒子がセンサ電極１４の転換材料７０の蓄電により回収される。

本例では、図１０を参照して説明したのと同じプロセスが、本発明にかかる荷電粒子センサの近くに荷電粒子のソースが存在する場合にも生じるが、さらに、図１４を参照して説明するような、中性粒子または放射線に関してさらなるプロセスが生じる。

図示するように、荷電粒子のソースがハウジング２４の外に大気環境内に設けられ、粒子Ａがメッシュスクリーン電極２６を通ってハウジング２４に入り、検出電極１１４上の転換材料７０に直接当たってチャージする。ハウジング２４内で空気のイオン化も生じ、正と負の荷電粒子Ｂが生じる。これらがメッシュスクリーン電極２６と回収検出電極１１４の間の電界で分離され、一方の極性の粒子Ｂが検出電極１１４の転換材料７０のチャージを導く。さらに、ハウジング２４の外側の空気のいくらかのイオン化が起こり、正と負の粒子Ｃが生成され、これらのいくらかがメッシュスクリーン電極２６を通ってハウジング２４内に入る。これらの粒子Ｃもメッシュスクリーン伝去抑２６と回収電極１１４の間の電界で分離され、転換材料７０のチャージを導くが、これは粒子Ｂの場合より低効率である。検出電極１１４に当たる粒子は、イオン化放射線源と、メッシュスクリーン２６およびハウジング２４に存在する電位に依存する。基本的に、電位と同じ記号（電荷極性）の粒子が優先的に検出され、これは反対の記号のものはメッシュスクリーン電極２６とハウジング２４に引き付けられるからである。検出電極１１４と転換材料が問題となる限り、コンバータ７０は検出電極１１４に検出電極１１４に取り付けられた誘電体領域と考えられ、単一のコンデンサプレートを形成する。誘電体の正味の電荷が検出電極１１４で抽出されて、入力電流（信号）が生じる。

さらに、中性の粒子または放射線Ｄが転換材料７０と相互作用して、荷電粒子が生成される。中性の粒子の変換が転換材料７０内で生じ、荷電された生成物はこの材料の表面を容易に逃げられない。これらの荷電生成物も、メッシュスクリーン電極２６と回収電極１１４間の電界で分離され、回収電極１１４の正味の信号を導く。

したがって、ＤＣ平均電圧は以下のいずれかから派生する。
ａ．回収電極に直接あたる荷電粒子
ｂ．ハウジング内または外部のプロセスで生成される「娘」イオン化
ｃ．被覆電極と相互作用する中性の粒子または放射線の結果

荷電粒子、例えばα、β粒子の直接検出がこのようにして可能となり、同様に中性の粒子や放射線も転換材料を用いて可能となる。

上述するように、被服材料により生じたイオン化工程の結果ではない他の荷電粒子も存在する場合、ボロン層７０に当たる中性子による生じる核反応の結果生成される信号と、センサ電極１１４に直接他の荷電粒子が当たることによる信号とを区別する必要が生じる。

中性子の信号を他の荷電粒子によるものと識別するのに２つの方法を用いることができる。

第１に、図１３のセンサ構造を、図１５に示すように、被覆されたセンサ電極１１４のボロン層７０の直ぐ前に接地された金属箔電極８０を配置して、そうでなければセンサ電極１１４に入る荷電粒子を回収するために、適合させることができる。電極８０はメッシュでなく箔でなるため、荷電粒子は通過しない。反対に、通常中性子は数ｃｍの固体材料を通るため、中性子は殆どの薄い金属材料を通過するので、これにより金属箔を用いると荷電粒子を容易に止めることができる。この箔の電極８０は典型例では、純粋のアルミニウム箔である。材料の肉眼で見える断面は逆の長さの単位（ｕｎｉｔｓｏｆｉｎｖｅｒｓｅｌｅｎｇｔｈ）を有し、特定の粒子と特定のターゲット材料の相互作用の確率を与える。粒子を検出する確率はターゲット材料の厚さに対して指数関数的に減り、このため箔の電極８０の厚さを変化させて高低エネルギー中性子の弁別を可能とし、高エネルギーの粒子のみが厚い箔を通過することができる。したがって、検出電極は中性の放射線／粒子から生成されるイオン化生成物のみを回収することができる。

第２に、図１３のセンサ構造１００を、図１６に示すように、第２のセンサ１０を中性子検出部１００に沿って追加することにより適合させることができ、ここで同じ部品は同じ参照符号を付してさらなる説明は行わない。本例では、センサ１００の出力部１８０、１８からそれぞれ取得される２つの信号が、作動増幅器１１０により減算されて、出力部２８０での全体出力となる。好適には、両センサ１０、１００の類似の抵抗の対応する対の各々の２つの抵抗は、正しい差分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）を得るために等しい抵抗値である。中性子検出部１００は荷電粒子と、中性子とボロン層７０の相互作用によるものの双方を検出し、一方でセンサ１０は荷電粒子のみを検出するため、差し引いた出力は中性子の相互作用による信号のみを含むこととなる。

図１３乃至１６のセンサ１００の変形例を、ガンマ放射線の検出に用いてもよい。ガンマ放射線の場合、このような放射線はセンサ１０の円盤電極１４の金属や、中性子検出部１００のボロンコーティング７０と有意な度合いで相互作用しない。しかしながら、代わりの転換またはターゲット材料をボロン層７０の代わりの電極コーティングとして選択すると、十分なエネルギーでガンマ線を放射する際の核反応による荷電粒子の二次放出が生じる。例えば、タングステンやニオブといった原子番号の高いターゲット材料を選択すると、ガンマ線の相互作用する材料の断面、すなわちガンマ線とターゲット材料間の相互作用の可能性は有意に増大する。端的にいうと、原子番号が高ければ感度が高くなる。原理的には、どの材料も利用できるが、原子番号の低い材料は感度が低く、あるいは、転換材料をより厚いブロックとすることが必要となる。このようなコーティングに当たるガンマ線は核反応を生じ、二次電子が生成され、これが上述のようにセンサ電極１１４で検出される。ここでも、図１５または図１６に示すのと類似の構成を用いて、荷電粒子とガンマ線の識別を行うことができる。

転換材料として、ボロンとタングステンのみが利用可能な材料ではないことを理解されたい。検出しようとする粒子や放射線の特性に応じて、荷電粒子を生じる他の類似の材料を利用することができる。

さらに、本発明の別の実施例は、核反応ではなく化学反応を用いて、中性の放射線や中性粒子との相互作用で荷電粒子を生じ、このような放射線や中性粒子の検出を可能とする。この実施例のセンサの例は、図１７に示すように、センサ電極１１４上の適切なコーティングを用いることにより入射光を検出する。ここでは、センサ電極１１４のコーティングとして酸化スズの層９０を用いて光学センサ１２０が構成され、ここで筒型エンクロージャ２４とメッシュスクリーン電極２６は接地されて荷電粒子への感度を最小限とする。ここでも、類似部品には同じ参照符号を付してさらなる説明は行わない。

前と同じく、本実施例も図１５、１６の変更を施してもよい。後者の場合、差分構造は荷電粒子センサ１０を用いるが、光反応コーティング９０はない。差分システムは、コーティング９０との光学的相互作用によるものを残して余りの荷電粒子信号を差し引いた出力を生成する。

試験では、入射光に対する酸化スズの応答が図１７のセンサ１２０を用いて観察され、結果が図１８のグラフにプロットされた。白色発光ダイオード（ＬＥＤ）でなる冷光源がデータポイント１５００でオンとなる。センサ出力が上がり、数秒後に安定する。ＬＥＤはデータポイント９９００でオフとなり、その後信号は衰退する。図示するように、図１１と似た全体形状の曲線が得られた。

本発明は、上述のように円盤電極と、平行な円盤形状のメッシュ電極とが従来技術の電離箱より本質的に高い容量構造を有し、電界による信号とイオン電流による信号が識別可能となり、空気、真空、液体、あるい固体の中でイオン電流をが検出可能であり、このようなイオン電流の測定を行うことができる。

本発明の範囲内で多様な変更が可能であることを理解されたい。

例えば、荷電粒子を検出するのにコーティングのない電極を有する実施例では、センサ外の^２４１Ａｍ源からのα粒子の直接検出が真空中で可能である。この場合、^２４１Ａｍ源とセンサの両方を含むチャンバを真空にすることにより、空気分子の二次イオン化をなくすことができる。同様に、粒子とセンサの周りに真空を創り出すことにより、真空中でβ粒子の直接検出も可能である。

転換材料で被覆された電極を用いる本発明の実施例では、^２４１Ａｍ−Ｂｅ（１０ＧＢｑ）源から生じる中性子の検出が、カルボラン（Ｃ_２Ｈ_１２Ｂ_１０）被服電極を用いて可能となることが分かった。^２４１Ａｍ−Ｂｅ（１８ＧＢｑ）源から生じる中性子の検出が、フッ化リチウム（^６ＬｉＦ）被服電極を用いて可能となることが分かった。実際には、これらの実施例において、いずれの転換材料もいずれの源でも動作する。

Claims

イオン化工程から生じる荷電粒子が生成するイオン電流を検出し測定する荷電粒子センサであって、ハウジングと、当該ハウジングに囲われて前記荷電粒子を回収するための検出電極と、当該検出電極に接続されてそこからＤＣ入力信号を受信する入力部およびＤＣ測定信号を出力として供給する出力部を有する電位計とを具え、前記ハウジングは前記検出電極を外部の電界から遮蔽する静電スクリーンを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは前記検出電極に面し前記ハウジング内に放射線の進入を可能にする隙間が設けられた第２の電極としての導電性の遮蔽シートを具え、当該第２の電極と前記検出電極は使用時に互いに対してバイアス電圧に維持されるよう構成されて、イオン化工程で得られる荷電粒子間で電荷の分離をもたらし、これにより前記検出電極に当たるイオン電流が生成されることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１のセンサにおいて、前記電位計は、入力バイアス電流を増幅器回路へ提供するＤＣバイアス抵抗を有する増幅器回路と、前記増幅器回路への入力インピーダンスを増大させるとともにその感度を向上させるフィードバック回路とを具え、前記フィードバック回路は前記検出電極を取り囲むガードを提供するガード回路と、前記バイアス抵抗をブートストラップするブートストラップ構造とを有することを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１または２のセンサにおいて、前記フィードバック回路がさらに、前記増幅器回路のゲインを設定するゲイン設定回路を具えることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１乃至３のいずれかのセンサにおいて、前記静電スクリーンは、前記検出電極を取り囲むとともに基準電位に維持される導電エンクロージャを具えることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項２のセンサにおいて、前記静電スクリーンは、前記検出電極および前記ガードを取り囲む導電エンクロージャを具え、前記第２の電極が前記導電エンクロージャの開口部を横切って延在し、前記検出電極に平行に配置されることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１乃至５のいずれかのセンサにおいて、前記第２の電極がメッシュを具えることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項５のセンサにおいて、前記導電エンクロージャと前記第２の電極の少なくとも一方が接地接続されていることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項５乃至７のいずれかのセンサにおいて、前記導電得クロージャと前記第２の電極の少なくとも一方が前記ガードに接続されていることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項５、７または８のセンサにおいて、前記導電得クロージャと前記第２の電極の少なくとも一方が電位源に接続されていることを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１乃至９のいずれかのセンサにおいて、前記検出電極は、前記第２の電極に対峙してその上に当たる荷電粒子を回収する導電面を有する板状電極を含むことを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１乃至９のいずれかのセンサにおいて、さらに、前記ハウジング内に設けられ、前記遮蔽シートを通って前記ハウジングに入る中性放射線との反応によってイオン化工程を生じさせるコンバータを含むことを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１乃至９のいずれかのセンサにおいて、前記検出電極は、前記第２の電極に対峙する面を有する板状電極を含み、この面が前記第２の電極を通過する中性放射線と化学反応または核反応により相互作用する材料で被覆されており、前記第２の電極と前記検出電極の間で電荷を分離させるための荷電粒子と、前記電極で回収されるイオン電流とを生成することを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１２のセンサにおいて、前記被覆材料は、ボロン、タングステン、および感光材料のうちの１つを含むことを特徴とする荷電粒子センサ。
請求項１２または１３のセンサにおいて、さらに、前記板状電極の被覆面の前のさらなる電極として設けられた金属箔シールドを具えることを特徴とする荷電粒子センサ。
センサシステムであって、請求項１乃至１４のいずれかの第１の荷電粒子センサと、さらなるこのような荷電粒子センサとを具え、これら２つの荷電粒子センサは作動出力を供給する作動構造に接続されていることを特徴とするセンサシステム。
中性の放射線と粒子を検出するための荷電粒子センサであって、検出電極と、この電極に接続され検出入力信号を入力として受信する入力部および出力としてＤＣ測定信号を供給する出力部を有する電位計と、前記検出電極を囲んで当該電極を外部の電界から遮蔽する静電スクリーンとを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは放射線および粒子を通すための複数の孔が設けられ第２の電極として作用するよう配置された導電材料の遮蔽シートを具え、前記検出電極はコーティングが形成された平面を有し、当該コーティングは前記放射線および粒子と相互作用して化学反応または核反応により荷電粒子を生成するよう設けられていることを特徴とする荷電粒子センサ。
荷電粒子により生成されるイオン電流を検出する方法において、外部の電界から検出電極を遮蔽する静電スクリーンにより検出電極を囲むステップを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは前記検出電極に対向する第２の電極として設けられ複数の隙間が設けられた導電遮蔽シートを具え、前記遮蔽シートに放射線を通すステップと、前記第２の電極と前記検出電極間で電荷の分離を生じさせて前記検出電極に当たるイオン電流を生成するステップと、前記検出電極に接続されそこからＤＣ入力信号を入力として受信してＤＣ測定信号を出力として供給する電位計を用いるステップと、を含むことを特徴とする方法。
中性の粒子および放射線を検出する方法であって、外部の電界から検出電極を遮蔽する静電スクリーンにより検出電極を囲むステップを具え、これにより前記電界への前記検出電極の感度が低減され、前記静電スクリーンは複数の隙間が設けられ第２の電極として作用する導電材料の遮蔽シートを具えており、
前記方法がさらに、前記遮蔽シートに前記粒子または放射線を通すステップと、前記粒子または放射線を前記検出電極のコーティングと相互作用させて化学反応または核反応によって荷電粒子を生成するステップと、前記検出電極で前記荷電粒子を回収するステップと、前記検出電極に電位計を接続して入力として前記検出電極からのＤＣ入力信号を受け、出力としてＤＣ測定信号を提供するステップとを具えることを特徴とする方法。