JP2019086314A - 耐放射線回路及び圧力伝送装置並びにその校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力プラント、放射線利用施設などの放射線環境において使用される圧力伝送器に好適な計測の正確性の高い耐放射線回路を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも１つの半導体素子を備える耐放射線回路において、半導体素子のドリフトを診断するドリフト診断装置と、半導体素子に接して配置されるヒータと、ドリフト診断装置が診断した半導体素子のドリフトの値に応じてヒータを制御するヒータ制御装置とを備え、ヒータ制御装置は、耐放射線回路の動作中に前記ヒータを動作するように制御することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、耐放射線回路及び校正方法に係り、特に、原子力プラント、放射線利用施設などの放射線環境において、放射線照射による影響を低減し、長時間安定に使用可能な半導体を含む回路に好適な耐放射線回路及び校正方法に関する。

原子力プラント等の放射線利用施設においては、プラントおよび施設のプロセスを計測するために、計測器が複数設置されている。これらの計測器には、半導体素子を含む回路が備わっている。

回路を構成する素子の中では、一般的に半導体素子が放射線に弱いとされており、放射線が照射されると半導体素子の酸化膜中で電子とホールが生成される。半導体素子の酸化膜中では、導電体と比較すると電子の移動度が小さいため、電子とホールは再結合せずに放射線の照射量に応じて増加していく。酸化膜中の電子は、ホールよりは移動度が大きいため、酸化膜中から抜け出すが、ホールは移動度が小さいため正の電荷として酸化膜中に蓄積する。この蓄積されたホールは、計測値のドリフトや計測器の故障の原因となる。

特に、計測器を放射線の線量率が高いような環境で使用する場合は、このように放射線の影響を受けやすい。したがって、原子力プラントの場合は、事故時のような過酷状況において高線量の放射線に耐えうる半導体素子を用いた計測器が必要とされている。

回路内の半導体素子に対する放射線の影響を低減させる方法として、特許文献１には、「集積回路の電力供給を停止し、発熱回路に電力を供給して、該集積回路に所定の期間伝熱を行いアニールし、その終了後に発熱回路をオフし、該集積回路に電力を供給して再び動作状態に復帰させる」方法が開示されている。

特願昭６０−５５６５４号公報

回路を放射線の影響から完全に回復させるためには、半導体素子を３００℃まで加熱する必要がある。一方、従来から半導体素子として用いられているＳｉ半導体は、１５０℃以上に上昇させるとＳｉ半導体が熱暴走を起こし、回路を故障させる原因となる。

そこで、特許文献１に記載の方法では、動作させる集積回路と、集積回路に伝熱する発熱回路とに対して、同時に電力供給しないように制御している。すなわち、集積回路中の素子をアニーリングしている間は、集積回路の動作を停止させることで、Ｓｉ半導体素子の熱暴走を防止しつつ、回路を放射線影響から回復させている。

しかし、原子力プラントの安全系のプロセス計測に用いる計測器において、特許文献１のように停止させながら使用することを前提としている回路を用いることは運用上現実的ではない。したがって、回路が含まれる計測器の動作を止めることなく、回路内の半導体素子のドリフトを回復できる耐放射線回路が必要とされている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、計測の正確性の高い耐放射線回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの半導体素子を備える耐放射線回路において、半導体素子のドリフトを診断するドリフト診断装置と、半導体素子に接して配置されるヒータと、ドリフト診断装置が診断した半導体素子のドリフトの値に応じてヒータを制御するヒータ制御装置とを備え、ヒータ制御装置は、前記耐放射線回路の動作中に前記ヒータを動作するように制御することを特徴とする。

本発明によれば、計測の正確性の高い耐放射線回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路における、装置の構成図である。 耐放射線回路における、アニーリングによる半導体素子（一例としてオペアンプ）の放射線影響を回復させる説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路における、アニーリングによる半導体素子の放射線影響を回復させる校正方法を示すフローチャート図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路を、絶対圧を計測する圧力伝送装置に適用した構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路を、差圧を計測する圧力伝送装置に適用した構成図である。 半導体素子を含む回路を、差圧を計測する圧力伝送装置に適用し、高温高圧タンクに設置する場合の従来技術を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路を、差圧を計測する圧力伝送装置に適用し、高温高圧タンクに設置する場合の構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る耐放射線回路における、装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る耐放射線回路における、装置の構成図である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路を図１から図６を用いて詳細に説明する。

図１に、本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路における、装置の構成図を示す。

図１において、耐放射線回路（以下、回路とする）１０は、半導体素子１１と、各半導体素子１１に接して設置された加熱機構１２（本実施例ではヒータとする）を有する。半導体素子１１には、オペアンプ１１１、トランジスタ１１２、ダイオード、ツェナーダイオードなどがあるが、これに限られない。また、ヒータ１２を制御するヒータ制御装置１３と、各半導体素子の放射線照射による計測値のドリフトを診断するドリフト診断装置１４を備える。

本実施形態に係る回路１０は、計測値のドリフトを回復させるために、半導体素子１１に接したヒータ１２を用いて加熱する方法をとる。ここで、半導体素子１１を完全に回復させるためには、３００℃まで加熱する必要があるが、従来から半導体素子として用いられているＳｉ半導体は、１５０℃以上に加熱すると熱暴走を起こして回路の故障の原因となる。

そこで、本実施形態に係る回路１０内の半導体として、例えばＳｉＣ半導体を用いる。ＳｉＣ半導体はバンドギャップが広く、耐放射線、耐熱性能が高く、３００℃まで加熱してもＳｉ半導体のように熱暴走を起こさない。なお、必ずしもＳｉＣ半導体に限る必要はなく、半導体素子１１のドリフト回復に必要な温度まで加熱しても熱暴走などによる回路の故障を引き起こさない半導体であれば、本実施形態に係る回路に適用することができる。このような半導体としては、他にダイアモンド等がある。

上記構成において、ヒータ１２は常時加熱状態（例えば３００℃）であってもよいが、回路１０中のその他の素子（例えばコンデンサなど）への熱影響を考慮し、加熱時間は短時間とすることが望ましい。例えば、ヒータ制御装置１３は、ドリフト診断装置１４から半導体素子１１のドリフトがしきい値を超えたことを入力された場合にヒータ１２の加熱を開始し、ドリフト診断装置１４から半導体素子１１のドリフトがしきい値以下となったことを入力された場合にはヒータ１２の加熱を停止させるとよい。以下、このようなヒータ１２の加熱時間を制御する方法について説明する。

図２に、回路１０のオペアンプ１１１を例として、アニーリングによるの放射線影響を回復させる説明図を示す。

図２に示すように、基準となる計測値のドリフト許容値とドリフトしきい値の２点を事前に設定する。ドリフト許容値は、回路として許容できるドリフト量であり、これを超過すると回路が故障する値とする。ドリフト許容値から余裕を見た値（例えばドリフト許容値の９０％）をドリフトしきい値とする。ドリフト許容値およびドリフトしきい値は測定する対象の素子ごとに予め定められているものであっても良いし、オペレータが入力装置（図示しない）を用いて入力するようにしても良い。

オペアンプ１１１に放射線が照射されると、酸化膜中に電子とホールが生成されて、移動度の低いホールは、酸化膜中に正の電荷として蓄積する。これにより、オフセット電圧が増加して計測値がドリフトする。オフセット電圧のドリフトが、ドリフトしきい値を超過した場合、ヒータ１２をＯＮにして、ヒータ１２はオペアンプ１１１へのアニーリングを開始する。また、ドリフトが正常値、例えば図２に示すようにオフセット電圧の初期値まで回復した場合には、ヒータ１２をＯＦＦにする。

なお、ヒータをＯＦＦにする値は必ずしも初期値まで回復した場合ではなくてもよい。初期値以外の値をドリフトが回復したと判断する正常値として設定しても良いし、初期値から一定の範囲内まで回復した場合には正常値であると判断し、ヒータ１２をＯＦＦするようにしてよい。

上記構成において、アニーリングの温度は、高温なほどドリフトを回復させる時間が短縮され、コンデンサなどの他の素子への熱影響を緩和できるため、各半導体素子１１の耐熱温度の上限に近いほど望ましい。

図３に、アニーリングによる半導体素子１１の放射線影響を回復させる校正方法のフローチャート図を示す。

まず、回路の動作を開始すると、ドリフト診断装置１４は接続された各半導体素子１１のドリフト診断を開始する（Ｓ１）。

ドリフト診断装置１４は、診断した各半導体素子１１のドリフトが、事前に設定した各半導体素子１１のドリフトしきい値を超えているか否かを判断する（Ｓ２）。

ドリフト診断装置１４が半導体素子１１のドリフトがドリフトしきい値以下であると判断した場合は、ヒータ制御装置１３は該当する半導体素子１１に設置するヒータ１２を稼動させない。一方、半導体素子１１のドリフトがドリフトしきい値を超過していると判断した場合、ヒータ制御装置１３は該当する半導体素子１１に設置するヒータ１２を加熱させる（Ｓ３）。

ヒータ制御装置１３は、該当する半導体素子１１のオフセット電圧のドリフトが、正常値まで回復したと判断されるまでヒータ１２による加熱を継続し（Ｓ４）、正常値まで回復したと判断された場合には、ヒータ１２の加熱を終了させる（Ｓ５）。

図４及び図５に、本発明の第一の実施形態に係る耐放射線回路１０を適用した圧力伝送器２０の構成図を示す。圧力伝送装置２０は、絶対圧を計測する構成と差圧を計測する構成の２種類があり、図４では絶対圧を計測する圧力伝送装置２０Ａ、図５では差圧を計測する圧力伝送装置２０Ｂについて説明する。

図４に、本発明の第１の実施形態に係る回路１０を、絶対圧を計測する圧力伝送装置２０Ａに適用した構成図を示す。

絶対圧を計測する圧力伝送装置２０Ａは、回路１０、薄い金属膜である受圧ダイアフラム２２、封入液２４が内封された導圧路２３、センサ２５を備える。

圧力伝送装置２０Ａは、測定流体２１の圧力を受圧ダイアフラム２２で受ける。受圧ダイアフラム２２で受けた圧力は、導圧路２３内の封入液２４を介して、センサ２５に伝えられる。センサ２５で受けた圧力は、オペアンプ１１１やトランジスタ１１２などの半導体素子１１で構成される回路１０で圧力値に変換される。

圧力伝送装置２０Ａにおいて、回路１０内の各半導体素子１１にはヒータ１２が設置されている。また、各半導体素子１１にはドリフト診断装置１４が接続され、ヒータ１２にはヒータ制御装置１３が接続される。

モニタ２６は、ドリフト診断装置１４から出力された各半導体素子１１のドリフト量やアニーリングによる回復量などを表示するものであり、ドリフト診断装置１４に接続される。

回路１０内の半導体素子１１が放射線に照射されると、圧力伝送装置２０Ａの計測値がドリフトする。このドリフトは、図３のフローチャートに従って、ヒータ１２が回路１０を構成する半導体素子１１をアニーリングすることで回復し、圧力伝送装置２０Ａのドリフトは正確な計測値を提供することができる。また、計測値のドリフトがドリフト許容値を超えないように抑制することで、計測器の故障を防止し信頼性の高い計測器を提供することができる。

図５に、本発明の第１の実施形態に係る耐放射線回路１０を、差圧を計測する圧力伝送装置２０Ｂに適用した構成図を示す。

差圧の圧力伝送装置２０Ｂは、置換器部３０、キャピラリ部３１、本体部３２で構成される。置換部３０は受圧ダイアフラム２２と中間ダイアフラム２７、キャピラリ部３１は中間ダイアフラム２７、キャピラリチューブ３１’、シールダイアフラム２８、本体部３２はセンサ２５、シールダイアフラム２８、センタダイアフラム２９を備える。置換器部３０、キャピラリ部３１、本体部３２の間はそれぞれ封入液２４が内封された導圧路２３で接続されている。

絶対圧の圧力伝送装置２０Ａと同様に、圧力伝送装置２０Ｂにおいて、受圧ダイアフラム２２で受けた測定流体２１の圧力は、導圧路２３の封入液２４を介してセンサ２５まで伝えられる。センサ２５は高圧側と低圧側の差圧を計測し、回路１０を介して圧力値を出力する。

圧力伝送装置２０Ｂにおいて、回路１０内の各半導体素子１１にはヒータ１２が設置されている。また、各半導体素子１１にはドリフト診断装置１４が接続され、ヒータ制御装置１３が接続される。モニタ２６はドリフト診断装置１４に接続される。

回路１０内の半導体素子１１が放射線に照射されると、圧力伝送装置２０Ｂの計測値がドリフトする。このドリフトは、図３のフローチャートに従って、ヒータ１２が回路１０内を構成する半導体素子１１をアニーリングすることで回復し、圧力伝送装置２０Ｂは正確な計測値を提供することができる。また、計測値のドリフトがドリフト許容値を超えないようにを抑制することで、計測器の故障を防止し信頼性の高い計測器を提供することができる。

次に、図５及び図６を用いて本発明の第１の実施形態に係る回路１０を、差圧を計測する圧力伝送装置２０Ｂに適用し、高温高圧タンク４０に設置する場合について説明する。図５に、半導体素子を含む回路を差圧を計測する圧力伝送装置に適用した場合の構成図を示す。また、図６に、本発明の第１の実施形態に係る回路１０を、差圧を計測する圧力伝送装置２０Ｂに適用し、高温高圧タンク４０に設置する場合の構成図を示す。

原子力プラント内の高温高圧タンク４０は、タンク近傍で１００度以上の高温になる場所もあり、放射線の線量率も高いことから、従来は圧力伝送装置２０を計装配管４１によって低温・低放射線環境に隔離する手法が用いられていた。

一方、本実施形態に係る耐放射線回路１０には耐熱・耐放射線性に優れたＳｉＣ半導体を用いることで、計装配管４１を設けることなく、高温高圧タンク４０内の圧力をタンクから直接計測することが可能となる。これにより、計装配管４１を設置するコストを低減することができる。

本発明の第２の実施形態に係る耐放射線回路を図８を用いて詳細に説明する。

図８において、耐放射線回路を構成する各半導体素子１１に接するように加熱機構１２（例えばヒータなど）が設置されており、その加熱機構を制御するヒータ制御装置１３と、各半導体素子１１の放射線照射によるドリフトを診断するためのドリフト診断装置１４と、各半導体素子１１のドリフト量、回復量、ヒータ１２の温度などを表示するモニタ２６を備えている。

これにより、オペレータが半導体素子のドリフト量、回復量、ヒータ１２の温度などを容易に確認することができる。

本発明の第３の実施形態に係る耐放射線回路を図９を用いて詳細に説明する。

図９において、耐放射線回路１０を構成する各半導体素子１１に接するように加熱機構１２（例えばヒータなど）が設置されており、その加熱機構を制御するヒータ制御装置と、各半導体素子１１の放射線照射によるドリフトを計測するためのドリフト診断装置１４と、各半導体素子１１のドリフト量、回復量、ヒータ１２の温度などを表示するモニタ２６と、半導体素子１１の温度を補正する半導体温度補正装置４４を備えている。

上記構成において、半導体素子１１の温度補正装置は、各半導体素子１１をヒータでアニーリングする際に生じる温度影響、すなわち温度ドリフトを補正するものである。温度補正により、回路１０の動作中に温度変化による出力変動をなくしつつドリフトの回復が可能であり、より正確な出力を示すことができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

また、上述した実施形態に含まれる技術的特徴は、特許請求の範囲に明示された組み合わせに限らず、適宜組み合わせることができる。

１０ 回路
１１ 半導体素子
１１１ オペアンプ
１１２ トランジスタ
１２ ヒータ
１３ ヒータ制御装置
１４ ドリフト診断装置
２０ 圧力伝送器
２１ 測定流体
２２ 受圧ダイアフラム
２３ 導圧路
２４ 封入液
２５ センサ
２６ モニタ
２７ 中間ダイアフラム
２８ シールダイアフラム
２９ センタダイアフラム
３０ 置換部
３１ キャピラリ部
３２ 本体部
４０ 高温高圧タンク
４１ 計装配管
４２ 気層
４３ 液層
４４ 半導体素子温度補正装置

Claims (9)

1. 少なくとも１つの半導体素子を備える耐放射線回路において、
   前記半導体素子のドリフトを診断するドリフト診断装置と、
   前記半導体素子に接して配置されるヒータと、
   前記ドリフト診断装置が診断した前記半導体素子のドリフトの値に応じて前記ヒータを制御するヒータ制御装置とを備え、
   前記ヒータ制御装置は、前記耐放射線回路の動作中に前記ヒータを動作するように制御することを特徴とする耐放射線回路。
2. 請求項１に記載の耐放射線回路において、
   前記ドリフト診断装置は、診断した前記半導体素子のドリフトの値が所定のしきい値以上である否かを判断することを特徴とする耐放射線回路。
3. 請求項２に記載の耐放射線回路において、
   前記ヒータ制御装置は、前記ドリフト診断装置が、前記半導体素子のドリフトの値が前記所定のしきい値以上であると判断した場合に、前記ヒータを動作させることを特徴とする耐放射線回路。
4. 請求項３に記載の耐放射線回路において、
   前記ヒータ制御装置は、前記ドリフト診断装置が、前記半導体素子のドリフトの値が正常値であると判断した場合に、前記ヒータを停止させることを特徴とする耐放射線回路。
5. 請求項１乃至４に記載の耐放射線回路において、
   前記半導体素子は、ＳｉＣ半導体であることを特徴とする耐放射線回路。
6. 請求項１乃至５に記載の耐放射線回路において、
   前記ドリフト診断装置が計測した前記半導体素子のドリフトの値を表示するモニタを備える耐放射線回路。
7. 請求項１乃至６に記載の耐放射線回路において、
   前記半導体素子に対して前記ヒータによる加熱で生じる温度ドリフトを補正する半導体素子補正装置を備えることを特徴とする耐放射線回路。
8. 少なくとも１つの半導体素子を備える耐放射線回路を有する圧力伝送装置において、
   前記耐放射線回路は、
   前記半導体素子のドリフトを診断するドリフト診断装置と、
   前記半導体素子に接して配置されるヒータと、
   前記ドリフト診断装置が診断した前記半導体素子のドリフトの値に応じて前記ヒータを制御するヒータ制御装置とを備え、
   前記ヒータ制御装置は、前記耐放射線回路の動作中に前記ヒータを動作するように制御することを特徴とする圧力伝送装置。
9. 耐放射線回路内の半導体素子のドリフトを診断し、
   前記半導体素子のドリフトの値に応じて、前記耐放射線回路の動作中に前記半導体素子を加熱することを特徴とする校正方法。
   

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