JP2019148553A - 検出素子、検出素子の製造方法、および検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来の放射線検出装置においては、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材とした貫通電極を有する検出素子が用いられてきた。しかしながら、エネルギー量の多い大強度放射線の検出用途では、基材のケイ素が中性子照射を受けてリンなど他の原子に転換され、導電性を獲得してしまうことが分かった。すなわち、基材のケイ素が導通し、同時に基材表面の酸化膜から電流がリークすることにより、検出素子表面のピクセル電極の電場が乱れやすくなることが判明した。また、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材に用いることで、表面の酸化膜による寄生容量がピクセル電極の電場を乱す原因となりうる。本開示者は、上記の問題を解決するために、鋭意検討した結果、本願発明に至った。
[放射線検出装置100の構成]
図1を用いて、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10を備える放射線検出装置100の構成の概要を説明する。本実施形態に係る放射線検出装置100は、ドリフト電極110と、放射線検出素子10及びチャンバー111を備えている。ドリフト電極110と、放射線検出素子10は、チャンバー111内に一定のスペースを介して対向して配置される。チャンバー111の内部には、アルゴンやキセノンなどの希ガスと、エタンやメタンなどの常温でガスのアルカンもしくは二酸化炭素を含む消光作用を有するガス(クエンチングガス)と、の混合ガスで封入されている。なお、チャンバー111の内部にはこれらのガスが単体で封入されていてもよく、二種類以上の混合ガスが封入されていてもよい。
図2を用いて、本発明の一実施形態に係る放射線検出装置の動作原理を説明する。それぞれのカソード電極104とアノード電極106の間に電圧を印加することで、電場が形成される。カソード電極104はグランド(GND)に接続されており、ドリフト電極110とカソード電極104との間にも電圧が印加され、電場が形成される。
次に、図3および図4を用いて、本実施形態に係る放射線検出素子10が有するピクセル電極1の構成について詳しく説明する。図3は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10の一部の平面図である。図4は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10の一部の断面図である。図4(A)は、図3のA−A’断面図である。
図5から図7を用いて、本実施形態に係る放射線検出素子10の製造方法を説明する。図5から図7において、図3および図4に示す要素と同じ要素には同一の符号を付した。
本実施形態に係る放射線検出素子10aは、貫通孔103aおよびアノード貫通電極112aが円錐台型であること、絶縁部材102aの第2面102Baに第2絶縁層142が配置されること以外、第1実施形態に係る放射線検出素子10と同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10と相違する部分について説明する。なお、第2実施形態に係る放射線検出素子10aにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図8および図9を用いて、本開示の第2実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図8は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10aの一部の平面図である。図9は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10aの一部の断面図である。図9(A)は、図8のB−B’断面図である。
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102aの第2面102Baからレーザ照射によって貫通孔103aを形成すること、および絶縁部材102aの第2面102Ba側に第2絶縁層142aを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102aの第2面102Baからレーザ照射によって貫通孔103aを形成することで、レーザに近い絶縁部材102aの第2面102Ba側の第2貫通端部103Baが第1貫通端部103Aaより大きく形成される。貫通孔103aは、絶縁部材102aの第2面102Baと貫通孔103aの側壁とのなす角度θが91°以上95°以下のテーパ形状に形成する。
本実施形態に係る放射線検出素子10bは、貫通孔103bの第1貫通端部103Abおよび第2貫通端部103Bbの大きさが入れ替わること以外、第2実施形態に係る放射線検出素子10aと同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10および第2実施形態に係る放射線検出素子10aと相違する部分について説明する。なお、第3実施形態に係る放射線検出素子10bにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図10および図11を用いて、本開示の第3実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図10は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10bの一部の平面図である。図11は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10bの一部の断面図である。図11(A)は、図10のC−C’断面図である。
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102bの第1面102Abからレーザ照射によって貫通孔103bを形成すること、および絶縁部材102bの第2面102Bb側に第2絶縁層142bを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102bの第1面102Abからレーザ照射によって貫通孔103bを形成することで、レーザに近い絶縁部材102bの第1面102Ab側の第1貫通端部103Abが第2貫通端部103Bbより大きく形成される。貫通孔103bは、絶縁部材102bの第1面102Abと貫通孔103bの側壁とのなす角度θが91°以上95°以下のテーパ形状に形成する。
本実施形態に係る放射線検出素子10cは、貫通孔103cが、第2実施形態に係る貫通孔103aの第1貫通端部103Aa側および第3実施形態に係る貫通孔103bの第2貫通端部103Bb側の組み合わせであること以外、第2実施形態に係る放射線検出素子10aおよび第3実施形態に係る放射線検出素子10bと同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10、第2実施形態に係る放射線検出素子10a、第3実施形態に係る放射線検出素子10bと相違する部分について説明する。なお、第4実施形態に係る放射線検出素子10cにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図12および図13を用いて、本開示の第4実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図12は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10cの一部の平面図である。図13は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10cの一部の断面図である。図13(A)は、図10のD−D’断面図である。
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcのそれぞれからレーザ照射によって貫通孔103cを形成すること、および絶縁部材102cの第2面102Bc側に第2絶縁層142cを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcのそれぞれからレーザ照射によって貫通孔103cを形成することで、絶縁部材102cの第1面102Ac側の第1貫通端部103Acおよび第2面102Bc側の第2貫通端部103Bcが間の狭窄部より大きく形成される。貫通孔103cは、絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcがそれぞれの面と接続する貫通孔103cの側壁となす角度θが92°以上97°以下の双円錐台型に形成する。
本実施形態においては、本開示の放射線検出装置の別の例について説明する。第1から第4実施形態と同様の構成を有しているので、同様の構成については改めて説明はしない。なお、放射線検出装置は容器モジュールとも呼ばれる。
第1実施形態に係る放射線検出素子10を用いた放射線検出装置100を製造した。実施例1に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:85μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
QB(C)=(X線1個のエネルギー/ArのW値)×1.6×10-19C
=(31keV/26eV)×1.6×10-19C
一方、ガス増幅後の電荷QA(C)は、信号処理回路から出力されるアナログ信号1個をオシロスコープで読み取り縦軸波高(mV)と横軸時間(ナノ秒)と回路の定数から算出して求めることができる。
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例2に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例3に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例4に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:30μm
カソード電極とアノード電極との間隔:110μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
第3実施形態に係る放射線検出素子10bを用いた放射線検出装置100bを製造した。実施例5に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:85μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
第4実施形態に係る放射線検出素子10cを用いた放射線検出装置100cを製造した。実施例6に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
貫通孔の最も小さい内径:25μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
第4実施形態に係る放射線検出素子10cを用いた放射線検出装置100cを製造した。実施例7に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:30μm
カソード電極とアノード電極との間隔:110μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
貫通孔の最も小さい内径:25μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
従来のシリコンを基材とした放射線検出素子を用いた放射線検出装置を製造した。比較例1に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
Claims (19)
- 第1面と前記第1面に対向する第2面とを有する基板であって、前記基板の厚さ方向の2か所において互いに異なる内径を有する貫通孔が設けられた基板と、
前記貫通孔に配置された貫通電極と、
前記第1面側に配置され、前記貫通電極の一部を露出する第1開口部が設けられた第1絶縁層と、
前記第1開口部を介して前記貫通電極と接続し、前記第1絶縁層の上に配置された第1電極と、
前記貫通電極と接続し、前記第2面側に配置されたパターン電極と、
前記第1絶縁層の上に配置され、前記第1電極と離隔して配置された第2電極と、を備える検出素子。 - 前記第2面側に配置され、前記貫通電極の一部を露出する第2開口部が設けられた第2絶縁層をさらに備え、
前記パターン電極は、前記第2開口部を介して前記貫通電極と接続し、前記第2絶縁層の上に配置される請求項1に記載の検出素子。 - 前記貫通孔は、前記第1面における第1貫通端部と、前記第2面における第2貫通端部とが互いに異なる内径を有する請求項1または2に記載の検出素子。
- 前記貫通孔は、前記基板の厚さ方向に、前記第1面における第1貫通端部の内径および前記第2面における第2貫通端部の内径より小さい内径を有する請求項1乃至3の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第1面における第1貫通端部の内径は、前記第2面における第2貫通端部の内径より小さい請求項1乃至4の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第1開口部の内径は、前記第1面における第1貫通端部の内径より小さい請求項1乃至5の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第1電極の前記第1面と対向する面の径は、前記第1面における第1貫通端部の内径より小さい請求項1乃至6の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第2開口部の内径は、前記前記第2面における第2貫通端部の内径より小さい請求項2に記載の検出素子。
- 前記貫通孔のアスペクト比は、4以上8以下の範囲である請求項1乃至8の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記基板は、無アルカリガラスである請求項1乃至9の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第2電極は、前記第1電極を囲むように開口されている請求項1乃至10の何れか1項に記載の検出素子。
- 前記第1電極と前記貫通電極は複数設けられ、
前記パターン電極は前記複数の貫通電極と接続され、前記複数の貫通電極は前記複数の第1電極とそれぞれ接続され、
前記第2電極と前記パターン電極は複数設けられ、
前記複数の第2電極が延在する方向は、前記複数のパターン電極が延在する方向と異なる請求項1乃至11の何れか1項に記載の検出素子。 - 請求項1乃至12の何れか1項に記載された検出素子を備え、
分解能が150μm以下であって、ガス増幅率12000以上であることを特徴とする検出装置。 - 第1面と前記第1面に対向する第2面とを有する基板であって、前記基板の厚さ方向の2か所において互いに異なる内径を有する貫通孔を形成し、
前記貫通孔に貫通電極を形成し、
前記第1面側に、前記貫通電極の一部を露出する第1開口部を有する第1絶縁層を形成し、
前記第1絶縁層の上に、前記第1開口部を介して前記貫通電極に接続される第1電極と、前記第1電極と離隔する第2電極と、を形成し、
前記第2面側に、前記貫通電極に接続されるパターン電極を形成することを含む検出素子の製造方法。 - 前記パターン電極を形成することは、
前記第2面側に、前記貫通電極の一部を露出する第2開口部を有する第2絶縁層を形成し、
前記第2絶縁層の上に、前記第2開口部を介して前記貫通電極に接続されるパターン電極を形成することを含む請求項14に記載の検出素子の製造方法。 - 前記貫通孔を形成することは、
前記基板の第2面側から、前記第2面に対して91°以上95°以下の角度をなすテーパ形状を有する貫通孔を形成することを含む請求項14または15に記載の検出素子の製造方法。 - 前記貫通孔を形成することは、レーザーを用いることを含む請求項14乃至16の何れか1項に記載の検出素子の製造方法。
- 前記第1電極を形成することは、
前記第1電極の前記第1面と対向する面の径を、前記貫通孔の前記第1面における第1貫通端部の径より小さく形成することを含む請求項14乃至17の何れか1項に記載の検出素子の製造方法。 - 前記貫通孔を形成することは、アスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することを含む請求項14乃至18の何れか1項に記載の検出素子の製造方法。
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