JP2020167272A

JP2020167272A - 耐放射線イメージセンサおよび耐放射線撮像装置

Info

Publication number: JP2020167272A
Application number: JP2019066321A
Authority: JP
Inventors: 諒桑名; Ryo Kuwana; 昌弘増永; Masahiro Masunaga; 智康古川; Tomoyasu Furukawa
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-10-08
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP7360248B2

Abstract

【課題】耐放射線性が優れたイメージセンサおよびそのイメージセンサを使った撮像装置を得る。【解決手段】ケイ素（Ｓｉ）基板に形成され、入射光を画素単位で信号に変換する光電変換部１１０と、ケイ素よりもバンドギャップを持つ広い炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの素材よりなる基板に形成され、光電変換部１１０で得られた画素単位の信号を増幅する信号増幅部１２０とを備える耐放射線イメージセンサとした。【選択図】図１

Description

本発明は、耐放射線イメージセンサおよび耐放射線撮像装置に関する。

原子力プラントや放射線利用施設においては、プラントおよび施設内を監視するために、イメージセンサを備えた撮像システムが複数設置されている。また、廃炉向けにも内部調査等でイメージセンサを備えた撮像システムが活用されている。これらの撮像システムが備えるイメージセンサには、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、半導体素子に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。
導電体と比較すると、酸化膜中では電子の移動度が小さいため、電子とホールが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。

放射線の線量率が低ければその影響も小さいが、例えば原子力プラントの事故時のような過酷環境となると、放射線の線量率も高くなるため影響も大きくなる。すなわち、イメージセンサであれば、映像のちらつきが発生し、最終的には画像が出力不能となる。
そのため、放射線が照射される環境で使用されるイメージセンサには、鉛等での遮蔽や、線源から距離を設ける等の対策がなされている。

国際公開２０１８／１１００９３号公報

特許文献１には、半導体素子を、ケイ素（以下、「Ｓｉ」と称する）よりも耐放射線性が優れた炭化ケイ素（以下、「ＳｉＣ」と称する）で構成して、オペアンプとする技術についての記載がある。

特許文献１に記載されているように、半導体素子をＳｉＣで構成することで、耐放射線性が向上する。
しかしながら、ＳｉＣで構成されたイメージセンサが備えるフォトダイオードは、紫外線の蓄積しかできないため、ＳｉＣで構成されたイメージセンサでは可視光を撮像することは不可能であった。

本発明は、耐放射線性が優れたイメージセンサおよびそのイメージセンサを使った撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ケイ素基板に形成され、入射光を画素単位で信号に変換する光電変換部と、ケイ素よりも広いバンドギャップを持つ素材よりなる基板に形成され、光電変換部で得られた画素単位の信号を増幅する信号増幅部とを備える耐放射線イメージセンサとしたものである。

本発明によれば、耐放射線性能に優れたイメージセンサを得ることができ、高放射線環境での撮像を適切に行うことができるようになる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施の形態例による耐放射線撮像装置の構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態例による耐放射線撮像装置の配置例を示す概要図である。本発明の一実施の形態例によるイメージセンサ部の構成を示す回路図である。本発明の一実施の形態例によるバイポーラトランジスタの放射線影響の例を示す特性図である。本発明の一実施の形態例による耐放射線撮像装置の適用例（例１：移動ロボットの例）を示す図である。本発明の一実施の形態例による耐放射線撮像装置の適用例（例２：原子炉容器の例）を示す図である。本発明の一実施の形態例による耐放射線撮像装置の適用例（例３：陽子線治療装置の例）を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する）について、添付図面を参照して詳細に説明する。

［１．装置構成］
図１は、本例の耐放射線撮像装置の全体構成を示す。
本例の耐放射線撮像装置は、撮像対象１を、イメージセンサ部１００で撮像する。イメージセンサ部１００で撮像して得た信号は、制御装置２００の信号処理部２１０に送られ、信号処理部２１０で所定のフォーマットの画像信号が生成される。制御装置２００で生成された画像信号は、モニタ３００に伝送される。モニタ３００は、供給される画像信号による画像を表示する。
なお、制御装置２００は、電源回路２２０を備え、イメージセンサ部１００は、電源回路２２０から供給される直流電源で作動する。

イメージセンサ部１００は、レンズ１０１と、光電変換部１１０と、信号増幅部１２０とを備える。
レンズ１０１は、撮像対象１の像光を光電変換部１１０に導くものである。レンズ１０１は、通常の石英ガラスではなく、例えば鉛含有ガラスなどの耐放射線ガラスを使用するのが好ましい。

イメージセンサ部１００の光電変換部１１０は、Ｓｉ（ケイ素）の基板に形成した集積回路で構成される。光電変換部１１０は、レンズ１０１を介して得られた入射光を、光電変換して画素単位の信号を得る。光電変換部１１０で得られた画素単位の信号は、信号増幅部１２０に供給される。

イメージセンサ部１００の信号増幅部１２０は、Ｓｉよりもバンドギャップが広い材質の基板に形成した集積回路で構成される。ここで、Ｓｉよりもバンドギャップが広い材質には、少なくともＳｉＣ（炭化ケイ素）と同程度のバンドギャップの材質か、それよりも広いバンドギャップの材質であることが好ましい。ＳｉＣ以外で、ＳｉＣと同程度かそれ以上のバンドギャップを持つ材質としては、例えばＧａＮ、ダイアモンドなどがある。ＳｉＣと同程度かそれ以上のバンドギャップを持つ材質で構成した回路は、Ｓｉ基板で構成した回路よりも耐放射線性能に優れている。
信号増幅部１２０としてＳｉＣを使用する場合、例えば４Ｈ−ＳｉＣと称されるＳｉＣが適用可能である。ここで、「４Ｈ」は、結晶の多形の種類を示す。

信号増幅部１２０は、光電変換部１１０から得られる信号を増幅する。信号増幅部１２０で増幅された信号は、制御装置２００の信号処理部２１０に伝送される。
信号処理部２１０では、信号増幅部１２０から伝送された信号を、所定のフォーマットの画像信号とする信号処理が行われる。信号増幅部１２０で得られた画像信号は、モニタ３００に伝送される。

図２は、本例の耐放射線撮像装置の配置例を示す。
本例の耐放射線撮像装置は、イメージセンサ部１００が高線量場１０に配置され、高線量場１０の撮像対象１を撮像する。
制御装置２００は低線量場２０に配置され、イメージセンサ部１００と制御装置２００とが、ケーブル９１で接続されている。したがって、制御装置２００に接続されたモニタ３００（図１）では、高線量場１０の撮像対象１を撮像した画像を表示させることができ、高線量場のイメージセンシングが可能となる。

［２．イメージセンサ部の構成］
図３は、イメージセンサ部１００の回路構成を示す。
図３に示す回路は、イメージセンサ部１００の１画素の構成を示す。
本例のイメージセンサ部１００は、Ｓｉ基板に形成した光電変換部１１０と、Ｓｉよりもバンドギャップが広い素材（例えばＳｉＣ）の基板に形成した信号増幅部１２０とを備える。

光電変換部１１０には、受光素子であるフォトダイオード１１１が配置され、フォトダイオード１１１が入射光（少なくとも可視光の帯域の光）を信号に変換する。
フォトダイオード１１１には、バイポーラトランジスタ１１２を介してコンデンサ１１４が接続され、フォトダイオード１１１の出力信号が、バイポーラトランジスタ１１２を介してコンデンサ１１４に供給される。

ここで、バイポーラトランジスタ１１２としては、ＰＮＰ型のトランジスタが使用される。したがって、図３に示すように、エミッタがフォトダイオード１１１に接続され、ベースには端子１１３に得られる電源が供給され、コレクタがコンデンサ１１４に接続される。このように接続されることで、フォトダイオード１１１から供給される信号が、バイポーラトランジスタ１１２で増幅されて、コンデンサ１１４に供給される。

光電変換部１１０のコンデンサ１１４に蓄積した信号（電荷）は、信号増幅部１２０により読み出される。すなわち、リセット用のＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）１２１によりコンデンサ１１４に蓄積した信号がリセットされながら、コンデンサ１１４に蓄積した信号が、アンプ用のＭＯＳＦＥＴ１２２およびセレクト用のＭＯＳＦＥＴ１２３を介してオペアンプ１２５に読み出される。

各ＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２，１２３には、電源Ｖ_ＤＤが供給される。ＭＯＳＦＥＴ１２１でのリセットは、端子１２７に供給されるリセットパルスに同期して行われ、ＭＯＳＦＥＴ１２３での画素選択は、端子１２４に供給されるセレクトパルスに同期して行われる。
オペアンプ１２５では、供給される信号が増幅され、増幅された信号（画素信号）が出力端子１２６に得られる。そして、出力端子１２６に得られる画素信号が、制御装置２００の信号処理部２１０（図１）に供給される。なお、オペアンプ１２５も、ＭＯＳＦＥＴで構成される。
光電変換部１１０の端子１１３に得られる電源や、ＭＯＳＦＥＴ１２１，１２２，１２３に得られる電源Ｖ_ＤＤは、制御装置２００の電源回路２２０（図１）から供給される。オペアンプ１２５を駆動するための電源も、電源回路２２０から供給される。

端子１２４に供給されるセレクトパルスや端子１２７に供給されるリセットパルスについては、例えばイメージセンサ部１００内の信号増幅部１２０内で生成される。あるいは、制御装置２００内の信号処理部２１０で生成したセレクトパルスやリセットパルスを、イメージセンサ部１００に供給するようにしてもよい。

なお、図３に示す回路構成は１画素の構成を示すものであり、実際にはイメージセンサ部１００は、画素数に対応した数だけ、フォトダイオード１１１およびそのフォトダイオード１１１に接続された図３の回路を有する。但し、オペアンプ１２５などの一部の回路は、複数の画素で共用化してもよい。

［３．イメージセンサの特性］
本例の光電変換部１１０は、増幅素子としてバイポーラトランジスタ１１２を備えるが、バイポーラトランジスタは、ＭＯＳＦＥＴに比べて放射線に強いという効果がある。
図４は、バイポーラトランジスタの放射線影響の例を示す特性図である。図４において、縦軸はバイポーラトランジスタの直流電流増幅率（h_FE）、横軸は積算線量である。図４は、積算線量による直流電流増幅率（h_FE）の変化特性αを示している。

図４に示すように、バイポーラトランジスタの場合、積算線量が増えるに従って、ベース・エミッタ間電圧の変動により直流電流増幅率（h_FE）が変動するが、その変動は、トランジスタとしての動作に影響がない許容値の範囲内である。具体的には、図４に示す積算線量の変化特性αは、１０〜３０ｋＧｙの積算線量で変動が収束し、直流電流増幅率（h_FE）は、初期値から１２０程度の値に収束する。この直流電流増幅率（h_FE）が１２０程度の状態は、トランジスタとしての動作の許容範囲内の値であり、積算線量が少なくとも１００ｋＧｙ程度まではこの許容値の範囲内であり、光電変換部１１０から信号が出力されなくなるほどの変動は起こらない。したがって、バイポーラトランジスタ１１２を備えた光電変換部１１０は、耐放射線性能に優れている。

そして、光電変換部１１０からの信号を増幅する信号増幅部１２０を、ＳｉＣなどのバンドギャップが広い素材で構成することで、信号増幅部１２０についても耐放射線性能に優れたものとすることができる。オペアンプなどの回路をＳｉＣなどのバンドギャップが広い素材で構成した場合に、耐放射線性能に優れる点は、［発明が解決しようとする課題］の欄で説明した特許文献１に記載されている通りである。

なお、従来のイメージセンサの場合には、増幅素子としてＭＯＳＦＥＴを使用するが、Ｓｉ基板に構成したＭＯＳＦＥＴはバイポーラトランジスタよりも放射線に弱く、放射線照射によりリーク電流の増加やしきい値電圧のシフトが起こるという問題がある。一般的に、Ｓｉ基板に構成したＭＯＳＦＥＴの場合、１０ｋＧｙ程度で故障してしまう虞がある。

また、バイポーラトランジスタはＭＯＳＦＥＴと比較してより大電流を扱えるため、信号の最大増幅率がＭＯＳＦＥＴよりも大きくなる。
ここで、本例の耐放射線撮像装置は、オペアンプ１２５を、ＳｉＣなどのバンドギャップが広い素材よりなる基板上に構成して耐放射線性能を高める構成にした。しかし、ＳｉＣなどのバンドギャップが広い素材よりなる基板にオペアンプ１２５を構成すると、Ｓｉ基板に構成したオペアンプに比べて、最大増幅率が１〜２桁低下してしまうという問題も発生する。

しかしながら、本例の耐放射線撮像装置は、光電変換部１１０のバイポーラトランジスタ１１２が、高い増幅率で増幅を行うことが可能であるため、オペアンプ１２５の増幅率低下をバイポーラトランジスタ１１２で補うことができる。したがって、イメージセンサ部１００が放射線に影響されない画素信号を出力できるようになる。
このため、本例の耐放射線撮像装置が備えるイメージセンサ部１００は、耐放射線に優れると共に、高画質な画像信号の出力が可能になる。
なお、イメージセンサ部１００は、レンズ１０１（図１）についても耐放射線ガラスを使用することで、より耐放射線性能を高めることができる。

［４．耐放射線撮像装置の適用例（例１：移動ロボットの例）］
図５は、本例の耐放射線撮像装置の適用例（例１）を示す。
この例では、イメージセンサを移動ロボットへ搭載した例を示す。
図５に示すシステムは、高線量場１０に配置された、移動ロボット４００を備える。移動ロボット４００は、低線量場２０に設置された制御装置２００からの指令で、自律走行が可能である。移動ロボット４００と制御装置２００とは、ケーブル９２で接続されている。
ここで、イメージセンサ部１００を移動ロボット４００に取り付け、イメージセンサ部１００を制御装置２００とケーブル９１で接続する。

この図５に示す構成とするで、移動ロボット４００のイメージセンサ部１００は、高線量場１０の移動ロボット４００の周囲を撮像することができ、制御装置２００に接続されたモニタ３００には、高線量場での作業を可視化して長時間表示することができる。したがって、例えば原子力発電所の廃炉作業の効率化とコスト低減が可能となる。

［５．耐放射線撮像装置の適用例（例２：原子炉格納容器の例）］
図６は、本例の耐放射線撮像装置の適用例（例２）を示す。
この例では、イメージセンサ部１００を原子力プラントの原子炉格納容器（ＰＣＶ）の内部の監視用に設置した例を示す。
図６に示すシステムでは、高線量場である原子力プラントのＰＣＶ（原子炉格納容器）１０ａ内に、イメージセンサ部１００が配置されている。そして、原子炉格納容器外壁２には、ケーブル９１を通過させるペネトレーション２ａが配置され、ＰＣＶ１０ａの外側の低線量場２０に、制御装置２００やモニタ３００が配置される。

この図６に示す構成とすることで、ＰＣＶ内をイメージセンサ部１００で常時撮像して常時監視することができ、原子力プラントの安全性向上や定期検査の効率化が可能となる。

［６．耐放射線撮像装置の適用例（例３：陽子線治療装置の例）］
図７は、本例の耐放射線撮像装置の適用例（例３）を示す。
この例では、イメージセンサ部１００を陽子線治療装置に設置した例を示す。
図７に示すシステムでは、高線量場である治療室１０ｂに、イメージセンサ部１００が配置され、低線量場２０には、制御装置２００やモニタ３００が配置されている。
そして、ケーブル９１が治療室外壁３の外側の低線量場２０に引き出され、イメージセンサ部１００はこのケーブル９１により、低線量場２０の制御装置２００と接続される。
治療室１０ｂには、治療台５の上の患者６への陽子線の照射で治療を行う陽子線治療装置４が設置され、治療室１０ｂ内の陽子線治療装置４の近傍に、イメージセンサ部１００が配置される。

この図７に示す構成とすることで、陽子線治療装置での治療時の様子を、モニタ３００で高画質の画像で監視することができ、良好な治療を行うことができる。現状の陽子線治療装置を監視する撮像装置の場合、放射線の影響で画像にちらつきが発生して見にくい画像であるという問題があるが、本例のシステムによると、従来よりも高画質の画像でモニタできるようになる。したがって、高線量場で治療中の患者の様子を高画質で常時監視することができる。こうして、本例のシステムによれば、治療および患者の異常の有無を可視化できるため、より安全な治療が可能になる。

［７．変形例］
本発明は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、図３に示すイメージセンサ部１００のトランジスタやＭＯＳＦＥＴなどによる回路構成は一例を示すものであり、イメージセンサとしてのその他の回路構成を適用してもよい。

また、上述した実施の形態例では、イメージセンサ部１００の光電変換部１１０に配置したバイポーラトランジスタ１１２でフォトダイオード１１１から読み出した信号を増幅するようにした。これに対して、光電変換部１１０内では増幅せずにコンデンサ１１４に蓄積させ、後段の信号増幅部１２０でのみで増幅を行うようにしてもよい。
また、上述した実施の形態例では、入射光を画素単位で信号に変換する光電変換素子として、フォトダイオードを使用したが、その他の光電変換素子を使用してもよい。
さらに、図５〜図７に示す適用例についても、好適な例を示すものであり、本発明は、その他の高線量場での様々な撮像用に適用が可能である。

１…撮像対象、２…原子炉格納容器外壁、２ａ…ペネトレーション、３…治療室外壁、４…陽子線治療装置、５…治療台、６…患者、１０，１０ａ，１０ｂ…高線量場、２０…低線量場、９１、９２…ケーブル、１００…イメージセンサ部、１０１…レンズ、１１０…光電変換部、１１１…フォトダイオード、１１２…バイポーラトランジスタ、１１３…端子、１１４…コンデンサ、１２０…信号増幅部、１２１…ＭＯＳＦＥＴ（リセット用）、１２２…ＭＯＳＦＥＴ（アンプ用）、１２１…ＭＯＳＦＥＴ（セレクト用）、１２４…端子、１２５…オペアンプ、１２６…出力端子、２００…制御装置、２１０…信号処理部、２２０…電源回路、３００…モニタ、４００…移動ロボット

Claims

ケイ素基板に形成され、入射光を画素単位で信号に変換する光電変換部と、
ケイ素よりも広いバンドギャップを持つ素材よりなる基板に形成され、前記光電変換部で得られた画素単位の信号を増幅する信号増幅部と、を備える
耐放射線イメージセンサ。
前記バンドギャップが広い素材は、炭化ケイ素と同程度またはそれ以上に広いバンドギャップを持つ素材である
請求項１に記載の耐放射線イメージセンサ。
前記光電変換部は、入射光を信号に変換するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで得られた信号を増幅するバイポーラトランジスタと、前記フォトダイオードで増幅された信号を蓄積するコンデンサとを備える
請求項２に記載の耐放射線イメージセンサ。
前記信号増幅部は、前記コンデンサに蓄積した信号を取り出すＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴで取り出した信号を増幅するオペアンプとを備える
請求項３に記載の耐放射線イメージセンサ。
イメージセンサと、前記イメージセンサで得られた信号に基づいて、所定のフォーマットの画像信号を得る信号処理部とを有する耐放射線撮像装置において、
前記イメージセンサは、
ケイ素基板に形成され、入射光を画素単位で信号に変換する光電変換部と、
ケイ素よりも広いバンドギャップを持つ素材よりなる基板に形成され、前記光電変換部で得られた画素単位の信号を増幅する信号増幅部と、を備え、
前記信号処理部は、前記信号増幅部で増幅された信号から、前記画像信号を得るようにした
耐放射線撮像装置。
前記イメージセンサに入射光を導く、耐放射線ガラスよりなるレンズを備える
請求項５に記載の耐放射線撮像装置。
前記イメージセンサと前記信号増幅部は、所定のケーブルで接続され、
前記イメージセンサは、移動ロボットに配置される
請求項５に記載の耐放射線撮像装置。
前記イメージセンサと前記信号増幅部は、所定のケーブルで接続され、
前記ケーブルは、原子炉格納容器の外壁に配置されたペネトレーションを通過させ、
前記信号増幅部は、前記原子炉格納容器の外部に配置される
請求項５に記載の耐放射線撮像装置。
前記イメージセンサと前記信号増幅部は、所定のケーブルで接続され、
前記イメージセンサは、陽子線治療装置の近傍に配置される
請求項５に記載の耐放射線撮像装置。