JP2020153756A - α線検出装置およびα線検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】α線を高精度に計測する。【解決手段】バイアス電圧Ｖｂが印加されると、バイアス電圧Ｖｂに応じた空乏層厚を有する空乏層１０１が発生する半導体放射線検出器１０と、空乏層１０１に入射したα線が正孔−電子対を形成し、かつ、空乏層１０１に入射したγ線が空乏層１０１を透過するレベルのバイアス電圧Ｖｂを半導体放射線検出器１０に印加するバイアス印加装置２０と、半導体放射線検出器１０の出力信号に基づいて、α線とγ線とが含まれる放射線２００からα線の量を計測する信号処理装置３０と、α線検出装置１に設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、α線検出装置およびα線検出方法に関する。

自然界には多くのα放出核種が存在する。トリウム系列（Ｔｈ−２３２）にはＴｈ−２２８、Ｒａ−２２４、Ｒｎ−２２０、Ｐｏ−２１６、Ｂｉ−２１２、Ｐｏ−２１２のような放射性核種が存在する。また、ウラン系列（Ｕ−２３８）にはＲａ−２２６、Ｒｎ−２２２、Ｐｏ−２１８、Ｐｏ−２１４、Ｐｏ−２１０のような放射性核種が存在する。さらには、過去に実行された核実験等によるフォールアウトの影響で、自然界にはごく僅かにプルトニウム（Ｐｕ−２３９、Ｐｕ−２４０、Ｐｕ−２４２等）やアメリシウム（Ａｍ−２４１、Ａｍ−２４３等）が存在する。α線計測技術は、ウラン鉱床探査や温泉探査、地震予知、断層解析等に適用され、また、原子力発電プラント、放射性廃棄物処理施設、加速器施設等の放射線管理区域における排気モニタ、排水モニタ、ダストモニタ、サーベイメータ等に適用されている。

α線計測装置の一例として、例えば、下記特許文献１の要約書には、「半導体式放射線検出素子11aの放射線有感領域111aが放射線入射部1111と気密シール部1112とチェック部1113とを有し、筐体15aのリング溝153に装着されたＯリング17によって筐体15aと気密シール部1112とが気密シールされる。ＬＥＤ13からの機能チェック用の光パルスは、光ファイバ14と透明な樹脂からなる厚さ２mm程度の光路変更部材18とによって、チェック部1113へ垂直に入射される。筐体15a のα線入射窓151は厚さ１μm 以下のＰＥＴ膜16aによって覆われる。」と記載されている。

また、下記特許文献２の要約書には、「半導体放射線検出部６に内蔵される半導体２に逆バイアス電圧を印加するバイアス回路８を、その出力電圧を切り替え可能に構成する。操作者が切替スイッチ２０によって、逆バイアス電圧を切り替えると、半導体内の空乏層の広がりが変化する。電圧を高く設定すると生物学的なダメージが大きい低エネルギー領域の感度を強調することができ、一方、低くすることにより一様なエネルギー特性を近似的に実現することができる。これにより、放射線減衰フィルタの交換等を行うことなく、電気的に、線量当量に応じた放射線測定と吸収線量に応じた放射線測定とを切り替えることができる。」と記載されている。

特開２００３-０５７３５５号公報 特開平１１−１１８９３４号公報

ところで、高精度なα線測定を行うためには、環境中に存在するβ線やγ線によるバックグラウンド信号（以下、ＢＧ信号と呼ぶことがある）を弁別することが望まれる。特許文献１においては、エネルギースペクトルを計測することによってＢＧ信号の弁別および除去を行っている。しかし、この方法では、高線量下等、ＢＧ信号が多い場合には、パイルアップによってＢＧ信号の波高値が見かけ上増大し、α線を高精度に計測することが困難になる。また、特許文献２においては、α線計測に関して、特に記載されていない。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、α線を高精度に計測できるα線検出装置およびα線検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明のα線検出装置は、バイアス電圧が印加されると、前記バイアス電圧に応じた空乏層厚を有する空乏層が発生する半導体放射線検出器と、前記空乏層に入射したα線が正孔−電子対を形成し、かつ、前記空乏層に入射したγ線が前記空乏層を透過するレベルの前記バイアス電圧を前記半導体放射線検出器に印加するバイアス印加装置と、前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、α線とγ線とが含まれる放射線からα線の量を計測する信号処理装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、α線を高精度に計測できる。

本発明の第１実施形態によるα線検出装置のブロック図である。 半導体放射線検出器の放射線計測時における半導体構造の模式図である。 第２実施形態によるα線検出装置のブロック図である。 空乏層の空乏層厚と計数率との関係を示す図である。 第３実施形態によるα線検出装置のブロック図である。 シグナル計測モードにおける半導体放射線検出器の半導体構造の模式図である。 バックグラウンド計測モードにおける半導体放射線検出器の半導体構造の模式図である。 第３実施形態における計測例を示す図である。 第４実施形態によるα線検出装置のブロック図である。 第５実施形態によるα線検出装置のブロック図である。

［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成および動作〉
図１は、本発明の第１実施形態によるα線検出装置１のブロック図である。α線検出装置１は、α線とγ線とが混在した放射線２００の中から、α線の計数率等を計測しようとするものである。図示のように、α線検出装置１は、半導体放射線検出器１０と、バイアス印加装置２０と、信号処理装置３０と、表示装置４０と、を備えている。

半導体放射線検出器１０は、Ｐ型半導体１２（図２参照）とＮ型半導体１４とを接合したものであり、ダイオードとしても機能する。バイアス印加装置２０は、半導体放射線検出器１０に対して逆方向のバイアス電圧Ｖｂを印加する。すると、半導体放射線検出器１０の内部にハッチングによって示す空乏層１０１が形成される。また、空乏層１０１に隣接して不感層１０２が形成される。空乏層１０１が形成される側の面を面１１１と呼び、不感層１０２が形成される側の面を面１１２と呼ぶ。本実施形態において、放射線２００は、不感層１０２とは逆側の面１１１から入射するものとする。

図２は、半導体放射線検出器１０の放射線計測時における半導体構造の模式図である。半導体放射線検出器１０に放射線が入射して相互作用が起こると、相互作用エネルギーに比例した数の正孔−電子対が生成される。正孔−電子対が空乏層１０１の中に生成されると、印加されているバイアス電圧Ｖｂによって正孔と電子とが逆方向に移動し、これによって電荷が誘起されて半導体放射線検出器１０から電気信号が出力される。一方、不感層１０２に生じた正孔−電子対の大部分は信号として出力されず、不感層１０２の内部で消滅する。

図１において、信号処理装置３０は、半導体放射線検出器１０からの出力信号を増幅および波形整形してカウントしている。すなわち、α線が空乏層１０１に入射すると、半導体放射線検出器１０には略三角形状のパルス信号が現れる。信号処理装置３０は、このパルス信号が所定の閾値を超えた回数をカウントしている。表示装置４０は、信号処理装置３０の出力データ、例えばカウント値や計数率等を出力する。本実施形態においては、図２に示すように、ＰＮ接合面からバイアス電圧Ｖｂの印加により空乏層１０１を形成しており、その空乏層１０１の厚さは、印加電圧によって制御可能である。上述のように、空乏層１０１が半導体放射線検出器１０の有感領域になっており、空乏層１０１の厚さによって放射線検出感度が決定される。

半導体放射線検出器１０に適用されている半導体の全線減弱係数をμ［ｃｍ²/ｇ］とし、半導体の密度をρ［ｇ／ｃｍ³］とし、空乏層１０１の厚さをＬｄとすると、半導体放射線検出器１０の感度Ａは、下式（１）で与えられる。
Ａ＝１−ｅｘｐ（−μ・ρ・Ｌｄ） ・・・式（１）
なお、ｅｘｐは、ｅ（ネイピア数）のべき乗である。
ここで、十分小さな空乏層厚Ｌｄに対して式（１）は下式（２）のように近似される。
Ａ≒μ・ρ・Ｌｄ ・・・式（２）

空間線量率Ｘ［ｐＧｙ／ｈ］の環境で、半導体放射線検出器１０の面積Ｓ［ｃｍ²］に入射するγ線の量Ｂ［ｃｏｕｎｔ／ｈ］は、空気カーマＫａ/フルエンスΦをβ［ｐＧｙ・ｃｍ²］とすると、下式（３）で与えられる。
Ｂ＝Ｘ・Ｓ／β ・・・式（３）
式（２）および式（３）により、半導体放射線検出器１０の計数率Ｃ［ｃｏｕｎｔ／ｈ］は式（４）の通りになる。
Ｃ＝Ａ・Ｂ＝μ・ρ・Ｌｄ・Ｘ・Ｓ／β ・・・式（４）

ここで、全線減弱係数μ、密度ρ、面積Ｓは、半導体放射線検出器１０に依存した定数であり、空間線量率Ｘおよびβは測定環境に依存したパラメータである。従って式（４）によれば、測定環境が固定されている場合は、γ線の計数率は空乏層厚Ｌｄに正比例することが分かる。従って、バックグラウンド成分であるγ線の計数率は空乏層厚Ｌｄでコントロール可能である。

例えば、半導体放射線検出器１０の半導体素子としてダイヤモンドを使用した場合は、その全減弱係数μ［ｃｍ²/ｇ］、密度ρ［ｇ／ｃｍ³］および０．６［ＭｅＶ］のγ線の空気カーマＫａ/フルエンスΦ＝β［ｐＧｙ・ｃｍ²］はそれぞれ以下に示すようになる。
μ=８．０４７ｘ１０^-2
ρ=３．５２
β=２．８４（ＩＣＲＰ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ７４（１９９７）より）

さらに、ダイヤモンドの半導体放射線検出器１０の面積Ｓを１［ｍｍ²］とし、空乏層厚Ｌｄを３０［μｍ］、測定環境の空間線量率Ｘを１［ｍＧｙ／ｈ］とすると、式（４）により、γ線の計数率は、０．７６［ｃｏｕｎｔ／ｓ］になる。従って、α線の計数率が１０［ｃｏｕｎｔ／ｓ］以上であれば、１０秒程度の測定で誤差数％の計測が可能となる。つまり、１［ｍＧｙ／ｈ］以下の空間線量率環境では、空乏層の厚さを３０［μｍ］以下とすればγ線の影響を十分に低減することが可能である。また、測定環境（空間線量率やエネルギー）に応じて、あるいは計測対象のα線強度や計測時間に応じて、γ線の影響を無視可能な最適な空乏層１０１厚を変更設定することが可能である。

〈第１実施形態の効果〉
以上のように本実施形態のα線検出装置（１）によれば、バイアス電圧（Ｖｂ）が印加されると、バイアス電圧（Ｖｂ）に応じた空乏層厚（Ｌｄ）を有する空乏層（１０１）が発生する半導体放射線検出器（１０）と、空乏層（１０１）に入射したα線が正孔−電子対を形成し、かつ、空乏層（１０１）に入射したγ線が空乏層（１０１）を透過するレベルのバイアス電圧（Ｖｂ）を半導体放射線検出器（１０）に印加するバイアス印加装置（２０）と、半導体放射線検出器（１０）の出力信号に基づいて、α線とγ線とが含まれる放射線（２００）からα線の量を計測する信号処理装置（３０）と、を備える。

これにより、本実施形態によれば、α線とγ線とが含まれる放射線２００から、バックグラウンド成分であるγ線の影響を抑制しつつα線の量を計測することができる。従って、本実施形態によれば、シャッター機構等を用いてバックグラウンド成分を計測する必要がなくなり、簡素な測定構成が実現できる。また、γ線の影響を除去するために放射線のエネルギー情報を計測する必要がないため、簡易な信号処理系でα線を計測できる。また、半導体放射線検出器１０自体もエネルギー分解能を特に必要としないため、様々な材質の半導体を利用することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、エネルギー情報が不要で、放射線（２００）のカウントを行えば必要なデータが揃うため、信号処理装置３０にて半導体放射線検出器１０の出力信号を短時間パルスに整形処理すればよく、高計数率すなわち高線量率環境にも対応可能になる。このように、本実施形態によれば、空間線量率が高い環境下であっても計測可能であり、装置も簡易となるので、廃炉等、様々な実フィールドでの適用が可能となる。
なお、本実施形態においては、エネルギー計測を行うことは必須ではないが、エネルギー計測を行うことによって、更なるノイズ低減や、線種評価等を実現することも可能であり、これによって一層高精度なα線計測を実現することもできる。

また、本実施形態においては、バックグラウンド成分としてγ線の影響を除去したが、β線等、その他の放射線の影響を除去することも可能である。例えばβ線の場合その飛程はγ線よりも小さいがα線と比較すると十分に大きく、γ線と同様にその影響を除去することができる。

［第２実施形態］
〈第２実施形態の構成および動作〉
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図３は、第２実施形態によるα線検出装置２のブロック図である。図示のように、α線検出装置２は、半導体放射線検出器１０と、バイアス印加装置２０と、信号処理装置３０と、表示装置４０と、を備えており、これらは第１実施形態のもの（図１参照）と同様である。α線検出装置２は、さらに、計測制御装置５０と、補正処理装置６０と、を備えている。

計測制御装置５０は、バイアス印加装置２０を制御して半導体放射線検出器１０に印加するバイアス電圧Ｖｂを調整し、半導体放射線検出器１０内の空乏層１０１の厚さを変化させる。より具体的には、計測制御装置５０は、少なくとも２種類の電圧レベルＶｂ１（第１の電圧レベル）およびＶｂ２（第２の電圧レベル）をバイアス電圧Ｖｂとして指定し、これによって少なくとも２種類の空乏層厚Ｌｄを実現する。補正処理装置６０は、各々の空乏層厚Ｌｄにおける、信号処理装置３０からの出力データを取り込むとともに保持し、バックグラウンド補正処理を実行する。以下、このバックグラウンド補正処理の内容を説明する。

図４は、空乏層１０１の空乏層厚Ｌｄと計数率との関係を示す図である。図４においては、第１実施形態のものと同様に、半導体素子としてダイヤモンドを適用している。測定環境（空間線量率Ｘおよびβ＝空気カーマＫａ/フルエンスΦ）は、第１実施形態のものと同様である。
図４に実線で示す特性２１０は、放射線２００がγ線のみである場合の特性である。式（４）および図４の特性２１０に示すように、測定環境が固定されている場合は、γ線の計数率は空乏層厚Ｌｄに正比例する。一方、破線で示す特性２２０は、
（Ａ）放射線２００にα線が含まれており、かつ、
（Ｂ）空乏層厚Ｌｄが０の場合であっても、空乏層１０１が充分にα線を吸収する
と仮定した場合の特性である。上記（Ｂ）の条件によれば、放射線２００にα線が含まれる場合は、図示のように空乏層厚Ｌｄ＝０に対してオフセットカウントＣｆが発生する。

特性２２０において、空乏層厚Ｌｄが異なる２点の計測点、（例えば、図示の計測点２２２，２２４）が得られれば、外挿によって空乏層厚Ｌｄが「０」である仮想計測点２２６における値すなわちオフセットカウントＣｆを特定することができる。そして、オフセットカウントＣｆによって、α線の計数率を導出することができる。ここで、空乏層１０１の空乏層厚Ｌｄは、α線を精度よくカウントできる程度の大きさにすることが好ましい。図４に示す例においては、計測点２２２，２２４における空乏層厚Ｌｄは、３０［μｍ］および２０［μｍ］である。

本実施形態においては、例えば以下の手順により、α線の計数率を導出する。
・手順２−１：信号処理装置３０およびバイアス印加装置２０が、半導体放射線検出器１０に対して、バイアス電圧Ｖｂ１を印加することにより、空乏層厚Ｌｄを例えば３０［μｍ］に設定し、放射線２００の計数率（図４における計数率Ｃ１）を測定する。
・手順２−２：信号処理装置３０およびバイアス印加装置２０が、半導体放射線検出器１０に対して、バイアス電圧Ｖｂ２を印加することにより、空乏層厚Ｌｄを例えば２０［μｍ］に設定し、放射線２００の計数率（図４における計数率Ｃ２）を測定する。
・手順２−３：補正処理装置６０が、計測点２２２，２２４における電圧レベルＶｂ１，Ｖｂ２および計数率Ｃ１，Ｃ２を外挿することによって、仮想計測点２２６におけるオフセットカウントＣｆを求める。このオフセットカウントＣｆがα線の計数率になる。
なお、上記手順２−１と手順２−２の順序は入れ替えてもよい。

本実施形態においては、α線のエネルギー情報は必ずしも必要ではないため、空乏層厚Ｌｄはα線を精度よくカウント可能な範囲の厚さであればよい。また、上述したように、信号処理装置３０は、半導体放射線検出器１０に現れるパルス信号が所定の閾値を超えた回数をカウントする。そこで、測定対象となるα線の飛程と、α線をカウントできる閾値とに基づいて、空乏層厚Ｌｄを決定するとよい。また、空乏層厚Ｌｄはバイアス電圧Ｖｂによって調整可能であり、バイアス電圧Ｖｂから理論的に空乏層厚Ｌｄを導くことが可能である。勿論、放射線２００を測定する前に、バイアス電圧Ｖｂと空乏層厚Ｌｄとの関係を実測により把握してもよい。

〈第２実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態のα線検出装置（２）は、バイアス電圧（Ｖｂ）が印加されると、バイアス電圧（Ｖｂ）に応じた空乏層厚（Ｌｄ）を有する空乏層（１０１）が発生する半導体放射線検出器（１０）と、指定されたバイアス電圧（Ｖｂ）を半導体放射線検出器（１０）に印加するバイアス印加装置（２０）と、半導体放射線検出器（１０）の出力信号に基づいて、半導体放射線検出器（１０）に入射する放射線（２００）の量を計測する信号処理装置（３０）と、バイアス電圧（Ｖｂ）として、複数の空乏層厚（Ｌｄ）に対応する複数の電圧レベル（Ｖｂ１，Ｖｂ２）をバイアス印加装置（２０）に指令する計測制御装置（５０）と、複数の電圧レベル（Ｖｂ１，Ｖｂ２）における信号処理装置（３０）の出力信号に基づいて、α線とγ線とが含まれる放射線（２００）からα線の量を出力する補正処理装置（６０）と、を備える。

また、本実施形態におけるα線検出方法は、半導体放射線検出器（１０）に対して、第１の電圧レベル（Ｖｂ１）のバイアス電圧（Ｖｂ）を印加することによって第１の電圧レベル（Ｖｂ１）に応じた空乏層厚（Ｌｄ）を有する空乏層（１０１）を形成し、半導体放射線検出器（１０）の出力信号に基づいて、α線とγ線とが含まれる放射線（２００）の量に対応する第１の計測値（Ｃ１）を取得する過程と、半導体放射線検出器（１０）に対して、第２の電圧レベル（Ｖｂ２）のバイアス電圧（Ｖｂ）を印加することによって第２の電圧レベル（Ｖｂ２）に応じた空乏層厚（Ｌｄ）を有する空乏層（１０１）を形成し、半導体放射線検出器（１０）の出力信号に基づいて、放射線（２００）の量に対応する第２の計測値（Ｃ２）を取得する過程と、第１の計測値（Ｃ１）と第２の計測値（Ｃ２）とに基づいて、放射線（２００）に含まれるα線の量を導出する過程と、を有するものである。

このように、本実施形態によれば、少なくとも２種類のバイアス電圧Ｖｂを適用することによってバックグラウンド成分であるγ線の影響を除去することが可能であり、より高精度にα線を計測することができる。さらに、第１実施形態と同様に、シャッター機構等を用いてバックグラウンド計測する必要がなくなるため、簡素で安価な構成によってα線検出装置２が実現できる。

また、本実施形態によれば、γ線の影響を除去するために放射線のエネルギー情報を計測する必要がないため、簡易な信号処理系を適用できる。そして、半導体放射線検出器１０自体もエネルギー分解能を特に必要としないので、様々な材質の半導体を適用することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、空間線量率が高い環境下であっても計測可能であり、装置も簡易となるので、廃炉等様々な実フィールドでの適用が可能となる。なお、上述した本実施形態の説明において、エネルギー計測は不要としたが、エネルギー計測を行うことによって更なるノイズ低減や線種評価等を行うことも可能であり、一層高精度なα線計測を実現可能である。

さらに、本実施形態においては、バックグラウンド成分としてγ線の影響を除去したが、β線等、その他の放射線の影響を除去することも可能である。例えばβ線の場合その飛程はγ線よりも小さいがα線と比較すると十分に大きく、空乏層厚（Ｌｄ）としてα線の飛程より十分厚くγ線やβ線の飛程よりも十分薄くすれば、β線の影響もγ線と同様に除去することができる。

［第３実施形態］
〈第３実施形態の構成および動作〉
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図５は、第３実施形態によるα線検出装置３のブロック図である。図示のように、α線検出装置３は、第２実施形態のα線検出装置２（図３参照）における半導体放射線検出器１０に代えて、半導体放射線検出器１０Ａを備えている。半導体放射線検出器１０Ａは、半導体放射線検出器１０と比較して、放射線２５０の入射方向が逆方向になっている。また、半導体放射線検出器１０Ａとして、素子厚３０μｍ以下のダイヤモンド半導体素子を適用してもよい。また、α線検出装置３は、バイアス印加装置２０と、信号処理装置３０と、表示装置４０と、計測制御装置５０と、補正処理装置６０と、を備えており、これらの構成は第２実施形態のものと同様である。

本実施形態のα線検出装置３には、シグナル計測モード（第１の計測モード）およびバックグラウンド計測モード（第２の計測モード）という二つの計測モードがある。すなわち、計測制御装置５０は、バイアス印加装置２０を制御して半導体放射線検出器１０Ａに印加するバイアス電圧Ｖｂを調整し、半導体放射線検出器１０Ａ内の空乏層１０１の空乏層厚Ｌｄを変えて、シグナル計測モードとバックグラウンド計測モードとを実現する。換言すれば、シグナル計測モードにおいては、空乏層１０１が半導体放射線検出器１０Ａのほぼ全域に渡るように、バイアス電圧Ｖｂが比較的高いバイアス電圧Ｖｂ３（図示せず）に設定される。一方、バックグラウンド計測モードにおいては、シグナル計測モードよりも空乏層厚Ｌｄが狭くなるように、バイアス電圧Ｖｂが比較的低いバイアス電圧Ｖｂ４（図示せず）に設定される。

図６は、シグナル計測モードにおける半導体放射線検出器１０Ａの半導体構造の模式図である。上述したように、シグナル計測モードにおいては、空乏層１０１が半導体放射線検出器１０Ａのほぼ全域に渡る範囲で形成されている。
また、図７は、バックグラウンド計測モードにおける半導体放射線検出器１０Ａの半導体構造の模式図である。このモードにおいては、シグナル計測モードよりも空乏層厚Ｌｄが狭く、空乏層１０１に隣接して不感層１０２が形成されている。放射線２５０は、この不感層１０２の側である面１１２から入射する。

一例として、半導体放射線検出器１０Ａの半導体素子としてダイヤモンドを適用し、α線のエネルギーが５［ＭｅＶ］であったと仮定する。この仮定において、半導体放射線検出器１０Ａでのα線の飛程Ｌαは１０［μｍ］程度になる。そこで、バックグラウンド計測モードにおける不感層厚Ｌｅ（不感層１０２の厚さ）を１０μｍ以上とすれば、α線は不感層１０２で遮蔽される。これにより、α線検出装置３は、α線を計測せず、バックグラウンド成分のみを計測する。

一方、シグナル計測モードでは、半導体放射線検出器１０Ａのほぼ全域が空乏層化しているため、バックグラウンド成分と、α線成分との合計値を計測することができる。なお、シグナル計測モードでは、必ずしも半導体放射線検出器１０Ａを全空乏層化する必要はなく、不感層厚Ｌｅがα線の飛程（上記例では１０［μｍ］）以下であればよい。本実施形態における補正処理装置６０が実行するバッグラウンド補正処理は、「シグナル計測モードの計測データ（例えば計数率）」から「バックグラウンド計測モードの計測データ（例えば計数率）」を減算する、というものである。

ところで、本実施形態においては、シグナル計測モードとバックグラウンド計測モードとにおいて有感層である空乏層１０１の空乏層厚Ｌｄが変化している。これにより、特にγ線に関して、空乏層厚Ｌｄの影響が現れやすいと考えられる。そこで、シグナル計測モードおよびバックグラウンド計測モードの計測データ（例えば計数率）をそのまま用いるのではなく、少なくとも一方の計測データについて空乏層厚Ｌｄの変化に伴う感度の変化を補正するとよい。例えば、シグナル計測モードの計測データから、バックグラウンド計測モードの補正後の計測データを減算するとよい。このように、計測モード毎の感度を補正できれば、計測精度を一層高めることができる。また、γ線以外の放射線に関しても（例えばα線に関しても）、空乏層厚Ｌｄの変化に伴う感度補正を行うことは可能であり、これによって計測精度を向上させることができる。

また、本実施形態においては、バックグラウンド成分としてγ線の影響を除去したが、β線等のその他の放射線の影響を除去することも可能である。例えばβ線の場合その飛程はγ線よりも小さいがα線と比較すると十分に大きく、不感層厚Ｌｅとしてα線の飛程より十分厚くγ線やβ線の飛程よりも十分薄くすれば、β線の影響もγ線と同様に除去することができる。

さらに、計測制御装置５０において、バイアス印加装置２０を制御して半導体放射線検出器１０Ａに印加するバイアス電圧Ｖｂを調整し、半導体放射線検出器１０Ａ内の不感層１０２の不感層厚Ｌｅをα線の飛程Ｌα程度で複数変えて、計測することによりα線のエネルギーを計測することが出来る。
図８は、本実施形態における計測例を示す図である。
図中の計数率曲線２３０のように、不感層厚Ｌｅがα線の飛程Ｌαよりも厚い場合は、α線はほとんど計測されず、逆に不感層厚Ｌｅがα線の飛程Ｌαよりも薄くなるとα線は有意に計測されるようになる。そして、図示のように、不感層厚Ｌｅがα線の飛程Ｌα程度のところで計数率が急激に変動する。従って、この有意なα線計数結果の有無による変動点を見つけることにより、α線の飛程を同定して、飛程により一意的に決定されるα線のエネルギーを同定することが出来る。

本実施形態においては、例えば以下の手順により、α線の計数率を導出する。
・手順３−１：信号処理装置３０およびバイアス印加装置２０が、半導体放射線検出器１０に対して、シグナル計測モード（図６参照）を実現するバイアス電圧Ｖｂ３を印加することにより、放射線２５０の計数率Ｃ３（図示せず）を測定する。
・手順３−２：信号処理装置３０およびバイアス印加装置２０が、半導体放射線検出器１０に対して、バックグラウンド計測モード（図７参照）を実現するバイアス電圧Ｖｂ４を印加することにより、放射線２５０の計数率Ｃ４（図示せず）を測定する。

・手順３−３：補正処理装置６０が、シグナル計測モードおよびバックグラウンド計測モードにおける空乏層厚Ｌｄの変化に伴う感度補正を行う。すなわち、計数率Ｃ３，Ｃ４のうち少なくとも一方を補正する。
・手順３−４：補正処理装置６０が、補正後の計数率Ｃ３，Ｃ４の差分をα線の計数率として求める。
なお、上記手順３−１と手順３−２の順序を入れ替えてもよい。また、手順３−３は省略してもよい。

また、本実施形態においては、例えば以下の手順により、α線のエネルギーを導出する。
・手順３−５：信号処理装置３０およびバイアス印加装置２０が、半導体放射線検出器１０に対して、α線の飛程Ｌα程度（飛程Ｌα前後）の不感層厚Ｌｅを実現する複数のバイアス電圧Ｖｂ５〜Ｖｂ９を印加することにより、放射線２５０の計数率Ｃ５〜Ｃ９を測定する。ここでは測定点数を５点としたがもちろんそれに限定されない。

・手順３−６：補正処理装置６０が、計数率曲線２３０の変動点を導出する。導出方法は一般的な曲線の不連続点や変曲点を見つける方法等、特に限定はなく、急激に計数率が変動している点を見つければよい。
・手順３−７：補正処理装置６０が、導出した変動点のバイアス電圧（Ｖｂ７）から不感層厚Ｌｅを導出し、この不感層厚Ｌｅがα線の飛程Ｌαとなっていることからα線のエネルギーを導出する。

〈第３実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態の計測制御装置（５０）は、バイアス電圧（Ｖｂ）として、入射するα線の飛程よりも薄い不感層厚（Ｌｅ）を有する不感層（１０２）を形成し、または不感層（１０２）が無い状態にする第１の電圧レベル（Ｖｂ３）を指定する第１の計測モード（シグナル計測モード）と、バイアス電圧（Ｖｂ）として、入射するα線の飛程よりも厚い不感層厚（Ｌｅ）を有する不感層（１０２）を形成する第２の電圧レベル（Ｖｂ４）を指定する第２の計測モード（バックグラウンド計測モード）と、を有するものであり、半導体放射線検出器（１０）は、不感層（１０２）が形成される側の面（１１２）を放射線（２５０）の入射面とすることを特徴とする。

本実施形態によれば、第１，第２実施形態と同様に、シャッター機構等が不要であり、放射線のエネルギー情報を計測する必要がなく、半導体放射線検出器１０Ａ自体もエネルギー分解能を必要とせず、
これにより、簡素で安価な構成によってα線検出装置３が実現でき、半導体放射線検出器１０Ａとして、様々な材質の半導体を適用することが可能になり、様々な実フィールドでの適用が可能になる。

さらに、第１の電圧レベル（Ｖｂ３）における空乏層厚（Ｌｄ）と、第２の電圧レベル（Ｖｂ４）における空乏層厚（Ｌｄ）と、に応じて、第１の計測値（Ｃ３）または第２の計測値（Ｃ４）を補正する構成においては、一層高精度なα線計測を実現することができる。

また、本実施形態の計測制御装置（５０）は、バイアス電圧（Ｖｂ）として、入射するα線の飛程程度の不感層厚（Ｌｅ）を有する不感層（１０２）を複数形成するものであり、半導体放射線検出器（１０）は、不感層（１０２）が形成される側の面（１１２）を放射線（２５０）の入射面とすることを特徴とする。

また、本実施形態のα線検出方法は、半導体放射線検出器（１０Ａ）に対して、複数の電圧レベル（Ｖｂ５〜Ｖｂ９）のバイアス電圧（Ｖｂ）を印加することによって、入射するα線の飛程前後の不感層厚（Ｌｅ）を有する不感層（１０２）を複数回形成し半導体放射線検出器（１０Ａ）の出力信号に基づいて、複数の電圧レベル（Ｖｂ５〜Ｖｂ９）と入射するα線の飛程とに応じた複数の計測値（Ｃ５〜Ｃ９）を取得する過程と、複数の計測値（Ｃ５〜Ｃ９）に基づいて、α線のエネルギーを導出する過程と、を有する。
換言すれば、計測制御装置（５０）は、バイアス電圧（Ｖｂ）として、入射するα線の飛程前後の不感層厚（Ｌｅ）を有する不感層（１０２）を形成する複数の電圧レベル（Ｖｂ５〜Ｖｂ９）を設定し、補正処理装置（６０）は、複数の電圧レベル（Ｖｂ５〜Ｖｂ９）における信号処理装置（３０）の出力信号に基づいて、α線のエネルギーを出力する。従って、本実施形態によれば、α線のエネルギーを特定することが可能となり、より高精度なα線計測を実現する。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図９は第４実施形態によるα線検出装置５のブロック図である。図示のように、α線検出装置５は、第２実施形態のα線検出装置２（図３参照）における半導体放射線検出器１０に代えて、半導体放射線検出器１０Ｂを備えている。また、α線検出装置５は、バイアス印加装置２０と、信号処理装置３０と、表示装置４０と、計測制御装置５０と、補正処理装置６０と、を備えており、これらの構成は第２実施形態のものと同様である。

半導体放射線検出器１０Ｂは、半導体素子として、ダイヤモンド、窒化ガリウム、炭化ケイ素等のワイドギャップ半導体を適用している。なお、ワイドギャップ半導体とは、例えば「バンドギャップが２．２［ｅＶ］以上である半導体」と定義することができる。ワイドギャップ半導体は、バンドギャップが大きいため、放射線によって生成される電荷量が少なくなり、エネルギー分解能に劣る面がある。

しかし、上述の第１〜第３実施形態と同様に、本実施形態においても放射線のエネルギー計測が不要であるため、エネルギー分解能に劣る事によって特に支障が生じない。また、半導体放射線検出器１０Ｂは、入射方向が相互に逆である放射線２００，２５０の双方に対応している。一般に、ワイドギャップ半導体は、耐環境性に優れており、実フィールド等に適用することが容易になる。具体的には、ワイドギャップ半導体は温度の変化に強く、例えば室温で冷却システムが不要であることが多い。これにより、α線検出装置５の構成を簡素にすることができ、高温環境下での使用も容易になる。さらに、ワイドギャップ半導体は耐放射線性にも優れており、高線量率環境での使用も可能になる。

以上のように、本実施形態においては、半導体放射線検出器１０Ｂにワイドギャップ半導体素子を適用したため、耐環境性に優れ、温度の変化に強く、耐放射線性にも優れたα線検出装置５を実現できる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上述した他の実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図１０は第５実施形態によるα線検出装置６のブロック図である。図示のように、α線検出装置６は、第２実施形態のα線検出装置２（図３参照）における半導体放射線検出器１０に代えて、半導体放射線検出器１０Ｃを備えている。

また、α線検出装置６は、バイアス印加装置２０と、信号処理装置３０と、表示装置４０と、計測制御装置５０と、補正処理装置６０と、を備えており、これらの構成は第２実施形態のものと同様である。半導体放射線検出器１０Ｃは、半導体素子１６の一面にショットキー電極１８を蒸着しショットキー接合を形成している。本ショットキー接合によりバイアス電圧Ｖｂの印加に伴って空乏層１０１を形成することができる。また、半導体放射線検出器１０Ｃは、第４実施形態における半導体放射線検出器１０Ｂ（図９参照）と同様に、入射方向が相互に逆である放射線２００，２５０の双方に対応している。

以上のように、本実施形態の半導体放射線検出器１０Ｃは、半導体素子１６と、半導体素子の一面に形成されたショットキー電極１８と、を有する。これにより、ＰＮ接合用のＰ層またはＮ層の形成が不要になり、Ｐ層またはＮ層のみの半導体素子１６に単純にショットキー接合を実現するショットキー電極１８を形成すると、半導体放射線検出器１０Ｃを構成できる。上述した他の実施形態の半導体放射線検出器１０，１０Ａ，１０Ｂも、一般的にはバイアス電圧Ｖｂを印加するための電極形成が必要であるため、その電極を適切に選択すればショットキー電極１８を構成できる。すなわち、本実施形態によれば、半導体プロセスを簡略化することが可能になり、半導体放射線検出器１０Ｃの製作コストを低減できる。また、ショットキー接合を形成できる半導体素子は種類が豊富であるため、半導体素子１６として使用可能な半導体の種類が増える利点もある。

１〜５ α線検出装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 半導体放射線検出器
１２ Ｐ型半導体
１４ Ｎ型半導体
１６ 半導体素子
１８ ショットキー電極
２０ バイアス印加装置
３０ 信号処理装置
４０ 表示装置
５０ 計測制御装置
６０ 補正処理装置
１０１ 空乏層
１０２ 不感層
１１１，１１２ 面
２００，２５０ 放射線
Ｃ１ 計数率（第１の計測値）
Ｃ２ 計数率（第２の計測値）
Ｃ５ 計数率（第５の計測値）
Ｃ６ 計数率（第６の計測値）
Ｃ７ 計数率（第７の計測値）
Ｃ８ 計数率（第８の計測値）
Ｃ９ 計数率（第９の計測値）
Ｌｄ 空乏層厚
Ｌｅ 不感層厚
Ｖｂ バイアス電圧
Ｖｂ１ バイアス電圧（第１の電圧レベル）
Ｖｂ２ バイアス電圧（第２の電圧レベル）
Ｖｂ５ バイアス電圧（第５の電圧レベル）
Ｖｂ６ バイアス電圧（第６の電圧レベル）
Ｖｂ７ バイアス電圧（第７の電圧レベル）
Ｖｂ８ バイアス電圧（第８の電圧レベル）
Ｖｂ９ バイアス電圧（第９の電圧レベル）

Claims (11)

1. バイアス電圧が印加されると、前記バイアス電圧に応じた空乏層厚を有する空乏層が発生する半導体放射線検出器と、
   前記空乏層に入射したα線が正孔−電子対を形成し、かつ、前記空乏層に入射したγ線が前記空乏層を透過するレベルの前記バイアス電圧を前記半導体放射線検出器に印加するバイアス印加装置と、
   前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、α線とその他の放射線とが含まれる放射線からα線の量を計測する信号処理装置と、を備える
   ことを特徴とするα線検出装置。
2. バイアス電圧が印加されると、前記バイアス電圧に応じた空乏層厚を有する空乏層が発生する半導体放射線検出器と、
   指定された前記バイアス電圧を前記半導体放射線検出器に印加するバイアス印加装置と、
   前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、前記半導体放射線検出器に入射する放射線の量を計測する信号処理装置と、
   前記バイアス電圧として、複数の前記空乏層厚に対応する複数の電圧レベルを前記バイアス印加装置に指令する計測制御装置と、
   複数の前記電圧レベルにおける前記信号処理装置の出力信号に基づいて、α線とその他の放射線とが含まれる放射線からα線の量を出力する補正処理装置と、を備える
   ことを特徴とするα線検出装置。
3. 前記計測制御装置は、前記バイアス電圧として、入射するα線の飛程よりも厚い不感層厚を有する不感層を形成する第１の電圧レベルを指定する第１の計測モードと、前記バイアス電圧として、入射するα線の飛程よりも薄い不感層厚を有する不感層を形成し、または不感層が無い状態にする第２の電圧レベルを指定する第２の計測モードと、を有するものであり、
   前記半導体放射線検出器は、不感層が形成される側の面を放射線の入射面とする
   ことを特徴とする請求項２に記載のα線検出装置。
4. 前記計測制御装置は、前記バイアス電圧として、入射するα線の飛程前後の不感層厚を有する不感層を形成する複数の電圧レベルを設定し、
   前記補正処理装置は、複数の前記電圧レベルにおける前記信号処理装置の出力信号に基づいて、α線のエネルギーを出力する
   ことを特徴とする請求項３に記載のα線検出装置。
5. 前記半導体放射線検出器は、ワイドギャップ半導体素子を適用したものである
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のα線検出装置。
6. 前記半導体放射線検出器は、素子厚３０μｍ以下のダイヤモンド半導体素子を適用したものであることを特徴とする請求項５に記載のα線検出装置。
7. 前記半導体放射線検出器は、半導体素子と、前記半導体素子の一面に形成されたショットキー電極と、を有する
   ことを特徴とする請求項５または６に記載のα線検出装置。
8. 半導体放射線検出器に対して、第１の電圧レベルのバイアス電圧を印加することによって前記第１の電圧レベルに応じた空乏層厚を有する空乏層を形成し、前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、α線とその他の放射線とが含まれる放射線の量に対応する第１の計測値を取得する過程と、
   前記半導体放射線検出器に対して、第２の電圧レベルの前記バイアス電圧を印加することによって前記第２の電圧レベルに応じた空乏層厚を有する空乏層を形成し、前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、前記放射線の量に対応する第２の計測値を取得する過程と、
   前記第１の計測値と前記第２の計測値とに基づいて、放射線に含まれるα線の量を導出する過程と、
   を有することを特徴とするα線検出方法。
9. 前記第１の電圧レベルは、前記半導体放射線検出器に対して、入射するα線の飛程よりも厚い不感層厚を有する不感層を形成する電圧レベルであり、
   前記第２の電圧レベルは、は、前記半導体放射線検出器に対して、入射するα線の飛程よりも薄い不感層厚を有する不感層を形成し、または不感層が無い状態にする電圧レベルであり、
   前記半導体放射線検出器は、不感層が形成される側の面を放射線の入射面とする
   ことを特徴とする請求項８に記載のα線検出方法。
10. 前記第１の電圧レベルにおける空乏層厚と、前記第２の電圧レベルにおける空乏層厚と、に応じて、前記第１の計測値または前記第２の計測値を補正する過程をさらに有する
    ことを特徴とする請求項９に記載のα線検出方法。
11. 半導体放射線検出器に対して、複数の電圧レベルのバイアス電圧を印加することによって、入射するα線の飛程前後の不感層厚を有する不感層を複数回形成し前記半導体放射線検出器の出力信号に基づいて、複数の前記電圧レベルと入射するα線の飛程とに応じた複数の計測値を取得する過程と、
    複数の前記計測値に基づいて、α線のエネルギーを導出する過程と、
    を有することを特徴とするα線検出方法。

Images