JP3815730B2 - CHARGED PARTICLE DETECTOR, CHARGED PARTICLE DETECTOR MANUFACTURING METHOD, AND SENSING DEVICE HAVING CHARGED PARTICLE DETECTOR - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子を検出する荷電粒子検出器およびその作製方法、ならびにこれを備える検知装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
荷電粒子を検出するために用いられる荷電粒子検出器としては、ガス検出器、半導体検出器、有機シンチレーション検出器、無機シンチレーション検出器などがある。
【0003】
このうち、ガス検出器は、放射線がガス中を通過する際に起こす電離作用を利用して動作させるものであり、その動作領域に対応して、電離箱、比例計数管、ガイガミュラー計数管などがある。電離箱は、収集電荷が印加電圧の変化に無関係に一定な領域(電離領域)で動作させる検出器で、出力信号は、荷電粒子のエネルギに比例するので荷電粒子のエネルギ測定が可能である。比例計数管は、荷電粒子によって作られた1次電離電子が2次電離を起こして電荷増倍を起こす領域で動作させる検出器で、この増幅率は、ガスおよび印加電圧を決めれば一定の値となるため、電離箱同様、出力信号が荷電粒子のエネルギに比例するので荷電粒子のエネルギ測定が可能である。ガイガーミュラー計数管は、荷電粒子によって作られた1次電離電子が電子なだれを起こす領域で動作させる検出器で、1次電離電子とは無関係に検出器の電子回路だけで決まる形状と波高を持つ信号を作るため、荷電粒子数を計数することはできるが、荷電粒子のエネルギを測定することはできない。荷電粒子のエネルギ測定が可能な電離箱および比例計数管においても、信号の立ち上がりが数ミリ秒程度と遅いため、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定はできない。
【0004】
半導体検出器は、本質的には電離箱と同様に動作する検出器で、ガス検出器の電子とイオンの代わりに、半導体中の電子と正孔を用いるものである。他の荷電粒子検出器と比較して優れたエネルギ分解能を持っていることから、高いエネルギ分解能を必要とする測定に主に使用されている。また、ガス検出器と比較して、荷電粒子を検出する領域の厚さが薄いことと、電子と正孔の速度が大きいことから、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定が可能である。しかし、ゲルマニウムやリチウムを拡散させたシリコンを用いた半導体検出器は、測定時に低温に保持する必要があり液体窒素などで連続して冷却しなければならない。また、純度の高いシリコンの表面を酸化させ、その酸化膜の表面に薄い金を蒸着させた電極を取り付けた表面障壁型シリコン検出器は、室温で使用することができるが、放射線欠陥による性能劣化が起こりやすい。例えば、検出面積1cm2の表面障壁型シリコン検出器を高計数率(105個/秒以上)のα粒子計測に用いた場合、30時間程度の使用で性能劣化が起こることが報告されている。
【0005】
シンチレーション検出器は、荷電粒子が入射した際に蛍光を発生する物質(シンチレータ)とその蛍光を電気信号に変換および増幅する装置から構成されている。有機物でできているシンチレータを用いた検出器は有機シンチレーション検出器、無機物でできているシンチレータを用いたものは無機シンチレーション検出器とそれぞれ呼ばれている。通常、蛍光を電気信号に変換し、その電気信号を増幅する装置としては、光電子増倍管が用いられる。また、蛍光を電気信号に変換する装置としては、光ダイオードが用いられる。荷電粒子が入射した際に発する蛍光量は、荷電粒子の種類に応じた比例係数を持って、荷電粒子のエネルギにほぼ比例することから、荷電粒子の種類が同定できれば、荷電粒子のエネルギを測定することができる。有機シンチレーション検出器は、非常に早い応答時間を持つことから、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定に使われている。しかし、有機物でできていることから、耐熱温度が150℃程度であるため、例えば200℃の高温雰囲気中に置くことはできない。無機シンチレーション検出器は、耐熱温度が高い(600℃以上)ため、200℃以上の高温雰囲気中に置くことができるが、一般には応答時間が遅いことから、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定に使われてこなかった。ところが、無機シンチレーション検出器であっても、ガリウムを添加した酸化亜鉛を用いるものは、非常に応答時間の早い無機シンチレータとして知られており、このシンチレータを用いれば、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定が可能である。しかしながら、ガリウムを添加した酸化亜鉛は、粉末状のものしか得られていなかったため、これをシンチレータに用いるためには粉末を固めるバインダが必要であり、バインダの耐熱性能から、200℃以上の高温雰囲気中に置くことができなかった。
【0006】
ここで、例えば、非特許文献1や、特許文献1に例示されるような核融合反応により生成する中性子を用いた爆発物や禁制薬物の検知装置においては、γ線検出器におけるバックグランドを低減するため、および爆発物・禁制薬物の位置を特定するために、核融合反応によって生成する荷電粒子であるα線を検出することが必要とされている。このため、このような検知装置には、荷電粒子を検出する荷電粒子検出器が必要とされる。しかしながら、検知装置が低い誤検知率や、高速な処理を実現するためには、荷電粒子検出器に高耐熱(200℃以上)、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)などが要求される。また、長時間使用しても性能が劣化しないことが要求される。しかしながら、前記したように、従来の荷電粒子検出器でこのような要求を満たすものは存在しなかった。
【0007】
【非特許文献1】
Report No.ANL/RE/CP−87590,ED RHODES、C.E.DICKERMAN,“NEW DE VELOPMENTS IN APSTNG NEUTRON P ROBE DIAGNOSTICS”,Non−Intrusive Inspection Technology Session Of 1995 ONDCP International Tec hnology Symposium,24−27 October 1995,pp.1−11.
【特許文献1】
特表平10−510621号広報(第17−19頁、第5図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、耐熱性が高く(200℃以上)て、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定も可能で、経時変化による劣化が少ない荷電粒子検出器を提供することを目的とする。また、このような荷電粒子検出器を備える高性能な検知装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する手段としては、荷電粒子検出器に、酸化亜鉛と酸化ガリウムの混合物をスパッタリングすることで成膜したガリウム添加酸化亜鉛膜を用いることがあげられる。ガリウム添加酸化亜鉛膜は、非常に応答時間の早い無機シンチレータであるため、高計数率(105個/秒以上)、高時間分解能(1ナノ秒以下)の測定も可能である。また粉末を焼成する場合に必要とされるバインダが不必要であり、高耐熱(200℃から600℃)や経時変化に対する耐性を確保できる。また、このような荷電粒子検出器を備える検知装置とした。これらの詳細については実施の形態において説明する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本実施形態における荷電粒子検出器の構成について図1を用いて説明する。なお、荷電粒子検出の具体的な用途については、後に例をあげて説明する。
【0011】
図1に示す本実施形態の荷電粒子検出器1は、荷電粒子を検出するシンチレーション物質を含む検出素子2に、スパッタリング成膜加工によりガラス基板3上に成膜したガリウム添加酸化亜鉛膜4を用いることを特徴とする。この検出素子2にはガリウム添加酸化亜鉛膜4およびガラス基板3を覆うようにアルミニウム遮光膜5がスパッタリング成膜加工又は蒸着加工により成膜されており、ガラス基板3の裏面、つまりガリウム添加酸化亜鉛膜4の成膜されている面と反対側の面3aには、光学グリースまたは光学セメントなどを用いて光電子増倍管6の光電面用ガラス窓6aが密着している。ガラス基板3の側面および光電子増倍管6は、外部からの迷光が入らないように遮光用容器7で覆われている。なお、遮光用容器7の底面には、光電子増倍管6に高電圧を印加したり、光電子増倍管6からの信号を取り出すための端子8が設けられている。
【0012】
ここで、荷電粒子検出器1において荷電粒子は、アルミニウム遮光膜5を通過してガリウム添加酸化亜鉛膜4に入射する。荷電粒子が入射した部分のガリウム添加酸化亜鉛膜4は蛍光を発し、この蛍光がガラス基板3および光電面用ガラス窓6aを通して光電子増倍管6の光電面(不図示)に達する。光電面に達した蛍光は光電面で電子に変換され、その電子は光電子増倍管6内で増幅され電気信号となる。その電気信号を端子7を通して取り出して信号の波高値を測定すると、荷電粒子のエネルギを測定できる。
【0013】
このように荷電粒子の検出に用いられる検出素子2の作製方法について説明する。
まず、図2(a)に示すようにガラス基板3上に成膜をする領域を限定するためのマスクMを施す。ここでは、荷電粒子の検出位置を特定できるように複数の領域に分割する例を示しているがマスクMの有無や、マスクMの形状・配置は適宜選択することができる。続いて図2(b)に示すようにスパッタリング成膜加工によりガラス基板3上に、測定する荷電粒子の飛程と同程度の厚さにガリウム添加酸化亜鉛膜4を成膜する。例えば、3.5MeV程度のエネルギを持つ荷電粒子の検出器として用いる場合、3.5MeVの荷電粒子のガリウム添加酸化亜鉛膜における飛程(〜10μm)に相当する程度の厚さに成膜する必要がある。
【0014】
図2(c)のように、ガリウム添加酸化亜鉛膜4を形成し、マスクMを取り除いたガラス基板3の上に、アルミニウムを堆積させて、アルミニウム遮光膜5を形成すると検出素子2になる(図2(d),(e)参照)。この検出素子2は、格子状のマスクMを用いたので検出領域が所定間隔を持って分割されており、2次元のアレイ状になっている。したがって、入射してくる荷電粒子の位置を同定することができ、例えば荷電粒子の飛行方向を推測したり、発生位置を推測したりすることができる。なお、このアルミニウム遮光膜5は、検出したい荷電粒子がそのエネルギをもって同様のアルミニウム膜に入射した場合に、そのような荷電粒子のアルミニウム膜内における飛程に相当する厚さよりも充分薄い必要があり、かつ、遮光膜として用いるため充分な遮光性能を持つ必要がある。したがって、3.5MeV程度のエネルギを持つ荷電粒子の遮光用として用いるためには、その厚さを1〜2μm程度にする必要がある。このアルミニウム遮光膜5を、蒸着加工で成膜する場合も、同様の厚さにする必要がある。
【0015】
ここで、本実施形態で使用されるスパッタリング成膜加工法は、例えば、図3に示す装置構成で行う第一の方法と、図4に示す装置構成で行う第二の方法とがあげられる。
【0016】
第一の方法は図3に示すスパッタリング装置11により行う。このスパッタリング装置11は、アースされた陽極12と、高周波電源13に接続された陰極14とを有し、陽極12側にガラス基板3を保持し、陰極14側にスパッタリング用のターゲット15を配置した構成になっている。ターゲット15は酸化ガリウムもしくはガリウムを添加した酸化亜鉛でも良いし、酸化ガリウムのターゲットと酸化亜鉛のターゲットの二つでも良い。陽極12と陰極14との間を不活性ガス(圧力0.1〜10Pa)で満たしてから、高周波電圧を陰極14に印加すると両電極12,14間に不活性ガスのグロー放電プラズマが発生し、不活性ガスがイオン化する。イオン化した不活性ガス、つまり不活性ガスイオンが陽極12と陰極14が作る電場および電磁石16が作る磁場に従ってターゲット15に入射し、ターゲット15をスパッタリングする。スパッタされたターゲット15の構成物質は、陽極12と陰極14が作る電場および電磁石16が作る磁場にしたがって陽極12に保持されているガラス基板3およびマスクM上に堆積する。ガリウム添加酸化亜鉛を前記したような所定の膜厚に相当する厚さまで堆積させたら電圧の印加を終了し、ガラス基板3を取り出す。
【0017】
また、第二の方法は図4に示すスパッタリング装置17により行う。このスパッタリング装置17は、アースされた陽極12と、直流電源18に接続された陰極14とを有し、陰極14には複数の電磁石19が異なる極が隣り合うように間隔を置いて配列されている。陽極12と陰極14の間を不活性ガス(圧力0.2〜1.5Pa)で満たし、電圧を陰極14に印加することで両電極間12,14に不活性ガスのグロー放電プラズマが発生する。これによりイオン化した不活性ガスが陽極12と陰極14が作る電場および電磁石19が作る磁場に従って前記と同様なターゲット15に入射し、ターゲット物質をスパッタリングする。スパッタされたターゲット物質は、陽極12と陰極14が作る電場および電磁石19が作る磁場にしたがって陽極12上に設置してあるガラス基板3およびマスクM上に堆積する。ガリウム添加酸化亜鉛を前記したような所定の膜厚に相当する厚さまで堆積させたら電圧の印加を終了し、ガラス基板3を取り出す。
【0018】
ここで、第一の方法、および第二の方法は共に、スパッタリングを不活性ガス雰囲気または酸素ガス雰囲気で行うことが望ましい。これは、スパッタリングの際に雰囲気ガスとの反応などによりガリウム添加酸化亜鉛膜4の組成が変化することを防止するためである。特に酸素ガス雰囲気で行うのは、酸素の元素量が不足することを防止するためである。また、ガリウム添加酸化亜鉛膜4およびアルミニウム遮光膜5の形成過程は200℃以上の高温、好ましくは200℃から600℃の範囲で行うと良い。熱安定性の高い膜が得られると共に、膜の堆積速度や膜密度を向上できるからである。
【0019】
なお、荷電粒子検出器は、例えば図5、図6、または図7に示すように複数の光電子増倍管6を備える構成であっても良い。
図5に示す荷電粒子検出器21は、一枚のガラス基板3上に間隔を置いてガリウム添加酸化亜鉛膜4をスパッタリング成膜加工した検出素子22と、各ガリウム添加酸化亜鉛膜4の成膜位置に対応してガラス基板3に光学グリースなどで密着させた複数の光電子増倍管6とを有している。スパッタリング成膜加工は、前記した第一の方法、または第二の方法で行い、各ガリウム添加酸化亜鉛膜4は、図2(d)に示すような2次元アレイ状に形成される。アルミニウム遮光膜5および遮光用容器27で光電子増倍管6に迷光が混入することを防止するのは前記と同様である。このような荷電粒子検出器21は荷電粒子の検出部分を大面積化することができる。また、この荷電粒子検出器21は、真空容器(不図示)への取り付けを容易にするフランジ取付用金属枠28aがあらかじめ接合された構成を有している。このフランジ取付用金属枠28aは、真空容器に取り付けた場合にフランジ取付用金属枠28aとガラス基板3の接合部分から真空が破れないように接合されている。
【0020】
図6に示す荷電粒子検出器31は、ガラス基板3上に2次元アレイ状に形成された複数のガリウム添加酸化亜鉛膜4およびアルミニウム遮光膜5を形成した検出素子32を有している。この検出素子32において各ガリウム添加酸化亜鉛膜4は、各々の形成間隔が光電子増倍管6の幅よりも狭くなっている。このため、ガラス基板3と光電子増倍管6との間に、光ガイド33を装着している。この光ガイド33は、一本または複数本の光ファイバからなり、一端33aの端面がガラス基板3の成膜側と反対側の面3aに光学グリース、光学セメントなどで接着され、他端33bの端面が光電子増倍管6の光電面用ガラス窓6aに光学グリース、光学セメントなどで接着されている。前記と同様に光電子増倍管6は遮光用容器37に覆われているが、光ガイド33の一端33aから他端33bに至る側面は遮光加工が施されることが望ましい。このような荷電粒子検出器31は、光ガイド33を用いることで、光電子増倍管6の光電面用ガラス窓6aの大きさがガリウム添加酸化亜鉛膜4に比べて充分大きい場合であってもガリウム添加酸化亜鉛膜4中で発生した蛍光を光電子増倍管6に効率良く運ぶことができる。また、荷電粒子の検出位置を細かく調べたいときにも有益である。なお、この荷電粒子検出器31および図1の荷電粒子検出器1は、図5に示すようなフランジ取付用金属枠28aを備える構成であっても良い。
【0021】
図7の荷電粒子検出器41は、曲面を有するガラス基板43を用い、曲面の内側にスパッタリング成膜加工によるガリウム添加酸化膜4およびアルミニウム遮光膜5を形成した検出素子42を備えている。2次元アレイ状のガリウム添加酸化亜鉛膜4の個々について、成膜面と反対側のガラス基板43の面43aに光学グリース、光学セメントなどを用いて光電子増倍管6の光電面用ガラス面46aを密着させており、個々の光電子増倍管6の側面は、他の光電子増倍管6に入ってくる蛍光が入射してくるのをできるだけ少なく抑えるために遮光が施されている。また、ガラス基板43の端面や遮光用容器47に真空容器に取り付けるフランジ取付用金属枠28aがあらかじめ接合してある。この荷電粒子検出器41は、曲面に沿った2次元アレイ状にガリウム添加酸化亜鉛膜4を並べることで、荷電粒子がほぼ一定点から発生する場合、その発生点からの距離が等しくなるようにガリウム添加酸化亜鉛膜4を設置することができる。この場合においてガラス基板43の曲率は荷電粒子の発生位置およびそこからの距離により決められるが、半球面形状であっても良い。なお、図7において光電子増倍管6は、曲面に対して放射状に配置されているが、前記したような光ガイドを用いることで平行に配列させても良い。
【0022】
次に、荷電粒子検出器1,21,31,41の用途の一例として、中性子発生装置と共に用いられる場合について図8を用いて説明する。さらに、荷電粒子検出器および中性子発生装置を爆発物の検知装置に適用する場合を図9、図10を用いて説明する。なお、以下においては図5に示す荷電粒子検出器21を想定しているが、その他の形態の荷電粒子検出器(例えば、荷電粒子検出器1、荷電粒子検出器31、あるいは荷電粒子検出器41)であっても良い。
【0023】
図8に示す荷電粒子検出器21は、中性子を発生させる中性子発生装置51に取り付けられ、中性子に対して約180°の位相差をもって放出される荷電粒子を検出することで中性子の飛行方向を特定するために用いられる。荷電粒子を検出することで中性子の飛行方向がわかるのは、荷電粒子の発生位置と検出位置を同定することで荷電粒子の飛行方向がわかり、荷電粒子とほぼ180°反対方向に放射される中性子の飛行方向を同定することができるからである。
【0024】
この中性子発生装置51は、10-1Pa以下の減圧雰囲気に保たれ、イオンビームの照射により高速中性子(以下、単に中性子という)および荷電粒子(例えば、Heの原子核であるα線)を生成するもので、中性子発生管52の一端に重水素をイオン化するイオン源53を有し、イオン源53から加速電極54で引き出した重水素イオンビームをターゲット55に照射するようになっている。ターゲット55はトリチウムが吸蔵された水素吸蔵合金からなり、ターゲット55に重水素イオンビームが照射されると、重水素とトリチウムとの核融合反応(DT反応)によって荷電粒子と中性子が発生する。発生した荷電粒子と中性子は、照射位置を中心にしてほぼ180°の位相差を持ってそれぞれ放出される。中性子は、ターゲット55を中心にして荷電粒子検出器21と反対側の側壁部52bを透過して、放出される。一方、ターゲット55の表面から放出される荷電粒子は、ターゲット55に面した開口52aを経て荷電粒子検出器21に到達し、アルミニウム遮光膜5を通過し、ガリウム添加酸化亜鉛膜4に入射する。荷電粒子が入射したガリウム添加酸化亜鉛膜4は蛍光を発し、この蛍光は、ガラス基板3および光電面用ガラス窓6a(図6参照)を通して光電子増倍管6の光電面に達する。光電面に達した蛍光は光電面で電子に変換され、その電子は光電子増倍管6内で増幅され電気信号となる。その電気信号を絶縁端子8を通して取り出し、信号の波高値を測定することでα線のエネルギを測定できる。なお、中性子発生装置51は、重水どうしの核融合反応(DD反応)により荷電粒子および中性子を発生させる装置構成であっても良い。
【0025】
本実施形態の荷電粒子検出器21が取り付けられた中性子発生装置51の作製過程を簡単に説明する。
荷電粒子検出器21は、フランジ取付用金属枠28aを中性子発生管51の開口52aのフランジ取付用金属枠28bに溶接加工またはボルトにより締め付けで取り付けられている。中性子発生管52内は前記したように10-1Pa以下にする必要があるので、フランジ取付用金属枠28a,28bおよびガラス基板3を開口のシールとして真空引きおよびガス出しを行う。このガス出しは中性子発生管52を所定温度(例えば200℃)に加熱して行う。このときガラス基板3上のガリウム添加酸化亜鉛膜4も加熱されることになるが、本実施形態のガリウム添加酸化亜鉛膜4はバインダなどを含まないので加熱による劣化はない。なお、光電子増倍管6は一般に耐熱温度が低いので中性子発生管52の加熱中にはガラス基板3から取り外しておくことが望ましい。
【0026】
このように、本実施形態の荷電粒子検出器21を中性子発生装置51に取り付けると、作製時の高熱に耐えることができる。さらに、アレイ状に配置したガリウム添加酸化亜鉛膜4により中性子の飛行方向を特定することができる。
【0027】
次に、荷電粒子検出器21および中性子発生装置51を爆発物の検知装置に適用する例を説明する。
【0028】
図9に示す爆発物検知装置61は、中性子を検査対象物Wに照射して、そこから等方的に発生するγ線を検出し、γ線が有するエネルギ値から中性子が照射した物質の元素を同定するものである。その構成は、荷電粒子検出器21およびその検出信号を処理する荷電粒子信号処理装置62と、中性子発生装置51と、γ線の検出を行うγ線検出器63およびその検出信号を処理するγ線信号処理装置64と、荷電粒子信号処理装置62およびγ線信号処理装置64から出力されるデータの処理を行うデータ処理装置65と、処理結果を表示する出力装置66とを有し、図示しない制御装置により統合して制御されている。なお、図9の爆発物検知装置61は、中性子を照射する前にあらかじめ検査対象物のコンベア67上での位置や寸法・形状を測定する位置・形状測定装置68を有している。この位置・形状測定装置68は爆発物検知装置61に必須の構成要素ではないが、以下は位置・形状測定装置68を含む構成として説明する。
【0029】
荷電粒子信号処理装置62は、荷電粒子検出器21から出力される信号から荷電粒子のエネルギに比例する波高と検出位置を示すアナログ信号(荷電粒子波高値信号)を生成する。さらに、荷電粒子を検出した時刻と同時に、または一定の時間的な関係を持つデジタル信号(荷電粒子検出信号)を生成する。荷電粒子検出信号は、荷電粒子を検出したタイミングを知らせる。
【0030】
γ線信号処理装置64はγ線検出器63から入力される信号からγ線のエネルギに比例する波高を持つアナログ信号(γ線波高値信号)を生成する。さらに、γ線を検出した時刻と同時または一定の時間的な関係を持って発生させるデジタル信号(γ線検出信号)を生成させる。γ線検出信号は、γ線を検出したタイミングを知らせるもので、後の処理で荷電粒子と検出タイミングとのマッチングによりγ線の発生位置を特定するために用いられる。
【0031】
位置・形状測定装置68は、X線透過装置またはX線CT装置、あるいはレーザ変位測定装置からなる測定装置68aと信号処理を行う測定信号処理装置68bとを有し、検査対象物Wのコンベア67上の位置および寸法・形状を3次元位置データとして出力する。3次元位置データを効率的に取得するためには、検査対象物Wの搬送方向に略直交する面において少なくとも2方向からの測定が可能になるように、線源および対応する検出器を配置することが望ましい。
【0032】
データ処理装置65は、荷電粒子検出信号およびγ線検出信号からγ線の発生位置を特定し、γ線波高値信号からγ線のエネルギ値を算出し、エネルギ値から検査対象物Wの構成元素を同定する。このように、この爆発物検知装置61はγ線の発生位置を特定できるので、同定される検査対象物Wの構成元素が存在する場所を特定することができる。したがって、構成元素の分布などを検査対象物Wの形状に合わせて3次元表示させることが可能である。また、特定の元素に着目して存在比を算出したり、リファレンスとして保有する爆発物の元素組成などとマッチングを図ったりする。このようにすると、検査対象物Wに爆発物が含まれているか否かを判定し易くなる。なお、ここでは、位置・形状測定装置68を有するので、検査対象物Wの位置や形状を計測結果に応じて各中性子に対してデータ処理をすべきγ線の検出時間を区切り、そのような検出時間帯に検出されたγ線波高値信号からのみエネルギ値を算出する。このようにするとデータ処理量を削減することができる。
【0033】
また、図10に示す爆発物検知装置71のように、検査対象物Wの密度分布画像を取得するためのX線発生装置およびX線計測装置と、前記した中性子発生装置51およびγ線検出器63とを、検査対象物Wの搬送方向(図10において紙面に垂直な方法)と垂直な断面に配置しても良い。この爆発物検知装置71は、図示しない制御装置により統合して制御されており、放射線の遮蔽を兼ねる装置壁72の同一断面に、X線発生装置73およびX線検出器アレイ74および75を配置し、同じく中性子発生装置51およびγ線検出器63を複数配置する。計測するγ線エネルギは数MeV以上であり、一方、X線のエネルギは数100keV以下であるので、X線検出器アレイ74および75は、γ線を計測しない。一方、γ線検出器63は、X線を検出するため、鉛などによるX線遮蔽76を設置し、X線を遮蔽することによりγ線信号の質を向上させている。
【0034】
X線発生装置73から発生し手荷物を透過したX線をX線検出器アレイ74または75で検出することにより、X線透過像を得ることが出来る。X線検出器アレイ74,75は1次元アレイであり、検査対象物Wが移動することにより2次元の透過像を得る。また、X線検出器アレイ74および75を同時に動作させることにより、2方向の透過像を同時に得ることができる。
【0035】
爆発物検知装置71における処理系は、前記した爆発物検知装置61と同様で、荷電粒子検出器21からの信号の処理を荷電粒子信号処理装置62で行い、γ線検出器63からの信号の処理をγ線信号処理装置64で行う。また、測定信号処理装置68bは、X線検出器アレイ74,75からの信号を処理し、検査対象物Wの透過X線像を作成するための信号処理を行う。そして、データ処理装置65でγ線のエネルギスペクトルの演算や、画像処理を行い、出力装置66に表示させる。この爆発物検知装置71によれば、同一平面内に配置した各装置により、ほぼ同時に透過X線像と中性子CT像とが得られるので、装置を小型化することができる。また、爆発物の検知を迅速に行うことができる。
【0036】
このように、爆発検知装置61,71は、本実施形態の荷電粒子検出器21を備えることで、γ線の発生位置を特定することが可能になり、爆発物の検知率を向上させることができる。また、荷電粒子検出器21が時間分解能などに優れるために検知に要する時間を短縮化することができる。これにより空港などの荷物検査に要求される要件である高速度な検査や、低い誤検知率などを実現することが可能になる。
【0037】
なお、本発明は前記の実施形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、ガラス基板3にフランジ取付用金属枠28aをあらかじめ取り付けておき、この状態でガリウム添加酸化亜鉛膜4やアルミニウム遮光膜5の形成を行うようにしても良い。ガラス基板3の取り扱いが容易になり、スパッタリング装置11,17の陽極12への取り付けを容易にするという効果も有する。
また、光電子増倍管6の代わりに光ダイオードを使用しても良い。装置の小型化を図ることが可能である。
さらに、荷電粒子検出器1,21,31,41の用途としては、爆発物検知装置61,71に限定されずに、その他の検知装置や、分析装置に用いることが可能である。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、計数率、時間分解能および耐熱性が高く、経時変化に対しても高い耐性を有する荷電粒子検出器を得ることができる。また、このような荷電粒子検出器を備えることで高性能な検知装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態における荷電粒子検出器の構成を示す図である。
【図2】検出素子の作製プロセスを説明する概念図である。
【図3】薄膜形成の一例を示す模式図である。
【図4】薄膜形成の一例を示す模式図である。
【図5】本発明の実施形態における荷電粒子検出器の構成を示す図である。
【図6】本発明の実施形態における荷電粒子検出器の構成を示す図である。
【図7】本発明の実施形態における荷電粒子検出器の構成を示す図である。
【図8】中性子発生装置および荷電粒子検出器を示す図である。
【図9】荷電粒子検出器を備える検知装置の構成を示す図である。
【図10】荷電粒子検出器を備える検知装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1,21,31,41 荷電粒子検出器
3,43 ガラス基板
4 ガリウム添加酸化亜鉛膜
5 アルミニウム遮光膜
6 光電子増倍管
7,27,37,47 遮光用容器
11,17 スパッタリング装置
28a フランジ取付用金属枠
33 光ガイド
51 中性子発生装置
61,71 爆発物検知装置
63 γ線検出器
65 データ処理装置
66 出力装置
68 位置・形状測定装置
73 X線発生器
74,75 X線検出器アレイ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charged particle detector that detects charged particles, a method for manufacturing the same, and a detection device including the same.
[0002]
[Prior art]
Examples of charged particle detectors used for detecting charged particles include gas detectors, semiconductor detectors, organic scintillation detectors, and inorganic scintillation detectors.
[0003]
Among these, the gas detector is operated by utilizing the ionizing action that occurs when radiation passes through the gas. Ionization chambers, proportional counters, Geiger-Muller counters, etc. There is. The ionization chamber is a detector that operates in a region (ionization region) where the collected charge is constant regardless of a change in applied voltage. Since the output signal is proportional to the energy of the charged particles, the energy of the charged particles can be measured. The proportional counter is a detector that operates in the region where primary ionization electrons created by charged particles cause secondary ionization and charge multiplication. The amplification factor is constant when the gas and applied voltage are determined. Therefore, as with the ionization chamber, the output signal is proportional to the energy of the charged particles, so that the energy of the charged particles can be measured. The Geiger-Muller counter is a detector that operates in a region where primary ionization electrons produced by charged particles cause electron avalanche, and has a shape and wave height that are determined only by the electronic circuit of the detector regardless of the primary ionization electrons. To create the signal, the number of charged particles can be counted, but the energy of the charged particles cannot be measured. Even in ionization chambers and proportional counters capable of measuring the energy of charged particles, the rise of the signal is as slow as a few milliseconds, so a high count rate (10 Five Measurement of high time resolution (1 nanosecond or less).
[0004]
A semiconductor detector is a detector that essentially operates in the same manner as an ionization chamber, and uses electrons and holes in a semiconductor instead of electrons and ions of a gas detector. Since it has superior energy resolution compared to other charged particle detectors, it is mainly used for measurements that require high energy resolution. In addition, compared with a gas detector, since the region for detecting charged particles is thinner and the velocity of electrons and holes is higher, a high count rate (10 Five Measurement per unit / second) and high time resolution (1 nanosecond or less). However, a semiconductor detector using silicon in which germanium or lithium is diffused needs to be kept at a low temperature during measurement, and must be continuously cooled with liquid nitrogen or the like. In addition, a surface-barrier silicon detector with an electrode that oxidizes the surface of high-purity silicon and deposits thin gold on the surface of the oxide film can be used at room temperature. Is likely to occur. For example,
[0005]
The scintillation detector is composed of a substance (scintillator) that generates fluorescence when charged particles enter and a device that converts and amplifies the fluorescence into an electrical signal. A detector using a scintillator made of an organic material is called an organic scintillation detector, and a detector using an scintillator made of an inorganic material is called an inorganic scintillation detector. Usually, a photomultiplier tube is used as a device for converting fluorescence into an electric signal and amplifying the electric signal. In addition, a photodiode is used as a device that converts fluorescence into an electrical signal. The amount of fluorescence emitted when a charged particle is incident has a proportional coefficient according to the type of charged particle and is almost proportional to the energy of the charged particle. If the type of charged particle can be identified, the energy of the charged particle can be measured. can do. Organic scintillation detectors have a very fast response time, so high count rates (10 Five Used for measurement with high time resolution (1 nanosecond or less). However, since the heat resistant temperature is about 150 ° C. because it is made of an organic material, it cannot be placed in a high temperature atmosphere of 200 ° C., for example. Since the inorganic scintillation detector has a high heat-resistant temperature (600 ° C. or higher), it can be placed in a high-temperature atmosphere of 200 ° C. or higher. However, since the response time is generally slow, a high count rate (10 Five Per unit / second) and high time resolution (1 nanosecond or less). However, even an inorganic scintillation detector using zinc oxide to which gallium is added is known as an inorganic scintillator having a very fast response time. If this scintillator is used, a high count rate (10 Five Measurement per unit / second) and high time resolution (1 nanosecond or less). However, since zinc oxide to which gallium is added has only been obtained in powder form, a binder that hardens the powder is necessary to use it in a scintillator. From the heat resistance of the binder, a high-temperature atmosphere of 200 ° C. or higher I could n’t put it inside.
[0006]
Here, for example, in a detection device for explosives and forbidden drugs using neutrons generated by a nuclear fusion reaction as exemplified in Non-Patent
[0007]
[Non-Patent Document 1]
Report No. ANL / RE / CP-87590, ED RHODES, C.I. E. DICKERMAN, “NEW DE VELOPMENTS IN APSTNG NEUTRON PROBE DIAGNOSTICS”, Non-Instrumental Inspection Technology 1995, NDPP International Tec. 1-11.
[Patent Document 1]
Public information of National Table of Heisei 10-510621 (pages 17-19, Fig. 5)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention has high heat resistance (200 ° C. or higher) and a high count rate (10 Five It is an object of the present invention to provide a charged particle detector that can measure with high temporal resolution (1 nanosecond or less) and has little deterioration due to changes over time. Another object of the present invention is to provide a high-performance detection device including such a charged particle detector.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above-described problems, a gallium-doped zinc oxide film formed by sputtering a mixture of zinc oxide and gallium oxide is used for the charged particle detector. Since the gallium-doped zinc oxide film is an inorganic scintillator with a very fast response time, a high count rate (10 Five Measurement per unit / second) and high time resolution (1 nanosecond or less). Further, a binder required for firing the powder is unnecessary, and high heat resistance (200 ° C. to 600 ° C.) and resistance to changes with time can be secured. Moreover, it was set as the detection apparatus provided with such a charged particle detector. Details thereof will be described in the embodiment.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the structure of the charged particle detector in this embodiment is demonstrated using FIG. A specific application of charged particle detection will be described later with an example.
[0011]
The charged
[0012]
Here, in the charged
[0013]
A method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 2A, a mask M for limiting a region for film formation on the
[0014]
As shown in FIG. 2C, when the gallium-doped
[0015]
Here, examples of the sputtering film forming method used in the present embodiment include a first method performed by the apparatus configuration shown in FIG. 3 and a second method performed by the apparatus configuration shown in FIG.
[0016]
The first method is performed by the
[0017]
The second method is performed by the
[0018]
Here, in both the first method and the second method, it is desirable to perform sputtering in an inert gas atmosphere or an oxygen gas atmosphere. This is to prevent the composition of the gallium-doped
[0019]
The charged particle detector may be configured to include a plurality of
A charged
[0020]
A charged
[0021]
The charged
[0022]
Next, as an example of applications of the charged
[0023]
The charged
[0024]
This
[0025]
A process of manufacturing the
In the charged
[0026]
Thus, if the charged
[0027]
Next, an example in which the charged
[0028]
The explosive detection device 61 shown in FIG. 9 irradiates the inspection object W with neutrons, detects γ rays generated isotropically therefrom, and the element of the substance irradiated with neutrons from the energy value of the γ rays Is identified. The configuration includes a charged
[0029]
The charged particle
[0030]
The γ-ray
[0031]
The position / shape measuring device 68 includes a
[0032]
The
[0033]
Moreover, like the explosives detection apparatus 71 shown in FIG. 10, the X-ray generator and X-ray measuring apparatus for acquiring the density distribution image of the test object W, and the above-described
[0034]
An X-ray transmission image can be obtained by detecting the X-rays generated from the X-ray generator 73 and transmitted through the baggage with the
[0035]
The processing system in the explosive detection device 71 is the same as the explosive detection device 61 described above, the signal from the charged
[0036]
Thus, by providing the charged
[0037]
The present invention is not limited to the above-described embodiment and can be widely applied.
For example, the
Further, a photodiode may be used in place of the
Furthermore, the application of the charged
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a charged particle detector having a high counting rate, temporal resolution, and heat resistance, and having high resistance against changes with time. Moreover, a high-performance detection device can be realized by providing such a charged particle detector.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a charged particle detector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing process of a detection element.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of thin film formation.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of thin film formation.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a charged particle detector in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a charged particle detector in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a charged particle detector in the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a neutron generator and a charged particle detector.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a detection device including a charged particle detector.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a detection device including a charged particle detector.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31, 41 Charged particle detector
3,43 glass substrate
4 Gallium-doped zinc oxide film
5 Aluminum light shielding film
6 Photomultiplier tubes
7, 27, 37, 47 Shading container
11, 17 Sputtering equipment
28a Metal frame for flange mounting
33 Light guide
51 Neutron generator
61, 71 Explosives detection device
63 γ-ray detector
65 Data processing device
66 Output device
68 Position / Shape Measuring Device
73 X-ray generator
74,75 X-ray detector array
Claims (15)
酸化亜鉛と酸化ガリウムの混合物をスパッタリングしてガラス基板上または金属枠に挟んだガラス基板上にガリウム添加酸化亜鉛膜を形成するステップと、
前記ガリウム添加酸化亜鉛膜を形成した後の前記ガラス基板に、前記ガリウム添加酸化亜鉛膜を覆うように、アルミニウム膜を形成するステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子検出器の作製方法。A method for producing a charged particle detector for detecting charged particles by utilizing a light emission phenomenon of a gallium-doped zinc oxide film caused by incident charged particles,
Sputtering a mixture of zinc oxide and gallium oxide to form a gallium-doped zinc oxide film on a glass substrate or a glass substrate sandwiched between metal frames;
Forming an aluminum film on the glass substrate after forming the gallium-doped zinc oxide film so as to cover the gallium-doped zinc oxide film;
A method for producing a charged particle detector, comprising:
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