JP4528547B2

JP4528547B2 - 半導体放射線検出器の劣化異常検出装置

Info

Publication number: JP4528547B2
Application number: JP2004097572A
Authority: JP
Inventors: 晋内藤; 峰仙三堀; 信明大野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005283327A

Description

本発明は、バイアス電圧を印加して放射線に対する感度を持たせた半導体放射線検出器の劣化や異常を検出する半導体放射線検出器の劣化異常検出装置に関する。

例えば、原子力発電所、病院、研究機関等の放射線管理区域においては、放射線レベルを放射線検出器で検出してモニターするようにしている。放射線検出器としては、バイアス電圧を印加して放射線に対する感度を持たせた半導体放射線検出器がある。従って、印加するバイアス電圧が適正な範囲であることが必要である。

半導体放射線検出器やそれを用いた測定系の健全性を確認するものとして、次のような確認方式が採用されている。

（１）放射線源（バグソース）を半導体放射線検出器に常時照射し、半導体放射線検出器の出力パルスの波高値の変化を監視することにより測定系の異常を検知する。

（２）半導体放射線検出器にバイアス電圧を印可する電源を監視しその異常を検知する。

（３）測定系の信号処理系（前置増幅器）の電源電圧を監視しその異常を検知する。

（４）定期的な点検では、前置増幅器に電荷パルスを供給し、その応答から前置増幅器以降の測定系の異常を検知する。

また、半導体放射線検出器の健全性を確認するものとしては、光パルス源を半導体放射線検出器に照射し、半導体放射線検出器の出力パルスの波高値の変化を監視することにより、半導体放射線検出器のバイアス電圧の健全性を確認するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特公平６−７２９３０号公報（第１図、第２図）

しかし、半導体放射線検出器は、その固有の特性として、温度変化により出力パルスの波高値が変化するため、出力パルスの波高値の変化のみを監視していた場合には、健全な半導体放射線検出器を異常であると誤った診断をする可能性がある。また、バグソースを用いて健全性を確認する方式では、半導体放射線検出器だけでなく半導体放射線検出器を含めた測定計全体の健全性の確認ができるが、バグソースは高価であり、さらに放射線源であるため取り扱いに様々な制限を受ける。

本発明の目的は、温度変化による誤認を起こさずに、半導体放射線検出器の異常診断を適正に行うことができる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置を提供することである。

本発明の半導体放射線検出器の劣化異常検出装置は、半導体放射線検出器に電磁波パルスを入力する発振器と、前記半導体放射線検出器のバイアス電圧が異常となったことを検出するバイアス電圧異常検出手段と、前記半導体放射線検出器の検出信号を増幅する増幅器への供給電源電圧が異常となったことを検出する供給電源異常検出手段と、前記発振器から電磁波パルスが照射されたことにより前記半導体放射線検出器から出力されるパルス波高値の波高分布を取得する波高弁別部と、前記バイアス電圧及び前記供給電源電圧が正常で前記波高弁別部からの波高分布が正常範囲を逸脱している場合に、正常な波高分布の標準偏差と正常範囲から逸脱した波高分布の標準偏差との変化量と、波高分布の標準偏差と平均値との温度特性とを用いて、正常範囲から逸脱した前記波高分布を補正し、補正した前記波高分布が所定範囲を逸脱しているときは前記半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化または異常であると判別する波高分布分析手段とを備えたことを特徴とする。

ここで、波高分布に基づいて半導体放射線検出器の温度を求めることに代えて、半導体放射線検出器のリーク電流を検出する電流検出器を設け、電流検出器で検出されたリーク電流に基づいて半導体放射線検出器の温度を求め、その温度に対する補正した波高分布を求めて、その波高分布が所定範囲を逸脱しているときは半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化または異常であると判別するようにしてもよい。

本発明によれば、半導体放射線検出器の温度特性による誤診断を起こすことなく、さらに高価な放射線源（バグソース）を用いずに、半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化や異常を検知できる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図である。半導体放射線検出器１１は半導体結晶を有し、バイアス電源１２により、半導体結晶に負電圧、正電圧が印加され、その内部に空乏層を形成させて放射線に対する感度を持たせる。バイアス電源１２から半導体放射線検出器１１に印加されるバイアス電圧はバイアス電圧検出器１３で検出され、信号処理部１４のバイアス電圧異常検出手段１５に入力される。バイアス電圧異常検出手段１５は、半導体放射線検出器１１のバイアス電圧が異常となったか否かを判定し、異常となったと判定したときはそのバイアス電圧異常検出信号を波高分布分析手段１６に出力する。

また、発振器１７は、半導体放射線検出器１１の健全性を確認するための電磁パルスを発振するものであり、発振器１７からの電磁波パルスは発光ダイオード１８を介して半導体放射線検出器１１に入力される。発振器１７からの電磁波パルスは電磁波パルス光量調節器１９で調節される。

一方、半導体放射線検出器１１で検出された発光ダイオード１８からの検出信号は、信号増幅器２０で信号増幅されて波高弁別部２１に入力される。波高弁別部２１は発振器１７から発振され発光ダイオード１８で光に変換された電磁波パルスによる光が照射されたことにより、半導体放射線検出器１１から出力されるパルス波高値の波高分布を取得し、信号処理部１４の波高分布分析手段１６に入力される。

また、主電源２２は発振器１７及び信号増幅器２０に電源を供給するものであり、その主電源２２の供給電源電圧は電圧検出器２３で検出され、信号処理部１４の供給電源異常検出手段２４に入力される。供給電源異常検出手段２４は、主電源２２の供給電源電圧が異常となったか否かを検出し、異常となったことを検出したときは供給電源電圧異常検出信号を波高分布分析手段１６に出力する。

波高分布分析手段１６は、バイアス電圧及び供給電源電圧が正常で、かつ波高弁別部２１からの波高分布が正常範囲を逸脱しているときは、その波高分布に基づいて半導体放射線検出器１１の温度を求め、その温度に対する補正した波高分布が所定範囲を逸脱しているか否かを判定し、逸脱しているときは、半導体放射線検出器１１の半導体結晶の劣化または異常であると判別する。

すなわち、バイアス電源１２は半導体放射線検出器１１にバイアス電圧を供給する。またそのバイアス電圧はバイアス電源１２のバイアス電圧検出器１３で監視されその情報は、信号処理部１４のバイアス電圧異常検出手段１５に入力される。主電源２２は信号増幅器２０および発振器１７に電源電圧を供給し、また、その電源電圧は主電源２２の電圧検出器２３で監視され、その情報は信号処理部１５の供給電源異常検出手段２４に入力される。

発光ダイオード１８は、発振器１７によって駆動され電磁波パルスを半導体放射線検出器１１に照射する。また電磁波パルスの光量は電磁波パルス光量調節器１９によって、半導体放射線検出器１１の出力パルスの波高分布が波高弁別部２１の測定範囲内におさまるように調節される。照射された電磁波パルス群による半導体放射線検出器１１の出力パルス群は、信号増幅器２０で増幅され、波高弁別部２１で波高分布に変換され、信号処理部１４の波高分布分析手段１６へ入力される。

ここで、半導体放射線検出器１１は、そのバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーの光子（量子力学上で電磁波を取り扱う上での最小単位）に対して感度を持つ。例えば、CdTe半導体放射線検出器（バンドギャップエネルギー約1.5eV）の場合、1.5eV以上のエネルギーの光子（波長では0.83μm以下、すなち可視光領域を全て含む）に対し感度を持つため、例えば発光ダイオード１８からの電磁波パルスを擬似放射線源として利用できる。そこで、この電磁波パルスを半導体放射線検出器１１に照射することにより、半導体放射線検出器１１から電荷パルスを出力し、その出力パルスの波高分布を検出し波高分布分析手段１６で監視することにしている。

次に、波高分布分析手段１６での演算処理内容を説明する。まず、出力パルスの波高値の分布は、その波高値の平均値が入射光量に比例した値を持つ正規分布に従う。この平均値は、半導体放射線検出器１１の半導体結晶の劣化または異常により変化する。また一方で、この平均値はバイアス電圧の異常や信号増幅器２０の異常、さらには半導体放射線検出器１１が健全であったとしても固有の温度特性により変化する。

バイアス電圧の異常については、例えばバイアス電圧の供給電源であるバイアス電源１２の監視により独立に検知できる。信号増幅器２０の異常については、信号増幅器２０の印可電圧の監視により独立に検知できる。

ここで、平均値の温度特性による変化は半導体放射線検出器１１の半導体結晶内での電子と正孔との移動速度と寿命が温度によって変化することにより起こるが、温度が分かればその変化量は理論的に算出可能である。この温度はパルス波高分布の統計処理から知ることができる。半導体放射線検出器１１においては、半導体放射線検出器１１の温度とそのリーク電流との間に強い相関があることが知られており、例えば、CdTe半導体放射線検出器の場合、温度が１０℃上昇するとリーク電流は約２倍増加する。ここでリーク電流は半導体放射線検出器のノイズの支配的な成分であり、リーク電流の増加によってノイズは増え、それはパルス波高分布のばらつきとして検出される。

従って、パルス波高分布のばらつきの尺度としてパルス波高分布の標準偏差からリーク電流量がわかり、リーク電流量から温度が分かり、温度からパルス波高値の平均値の変化量のうち温度特性が寄与している量が特定できる。このような特性をもつ半導体放射線検出器１１としては、CdTeの他にGe、CZT、HgI2、TlBr、Si放射線検出器等がある。

図２は、半導体放射線検出器１１による出力パルスの波高分布の特性図であり、図２（ａ）はパルス波高分布の温度特性による補正についての説明図、図２（ｂ）は補正後のパルス波高分布で劣化や異常の判定を行う場合の説明図である。

図２（ａ）において、ある温度での健全な半導体放射線検出器１１による出力パルスの波高分布が、波高分布Ｐ１で示されるように正規分布（平均値Ａ１、標準偏差σ１）であるとする。この波高分布Ｐ１が、ある時点で図２（ａ）の波高分布Ｐ２の正規分布（平均値Ａ２、標準偏差σ２）に変化したとする。この時点で、バイアス電源１２のバイアス電圧検出器１３および主電源２２の電圧検出器２３に異常が検出されていない場合、変化の原因は半導体放射線検出器１１の温度変化起因によるものか、または劣化や異常が原因である。

ここで事前に理論計算および実測によって導出した標準偏差σと平均値Ａとの温度特性の式から、健全な半導体結晶が標準偏差の変化量（σ２−σ１）に対して起きる平均値の変化量Ｔを求め、平均値の変化量（Ａ２−Ａ１）に対し、変化量Ｔ分の温度特性に対する補正を行う。この温度補正後の平均値の変化量が事前に設定した許容範囲外の場合、半導体放射線検出器１１の半導体結晶は劣化または異常を起こしていると判定する。

すなわち、図２（ｂ）に示すように、出力パルスの波高分布が波高分布Ｐ２として検出された場合、波高分布Ｐ２に基づいてそのときの半導体放射線検出器１１の温度を算出し、温度補正した波高分布Ｐを求める。いま、温度補正した波高分布Ｐ’が、その温度における予め定めた波高分布Ｐ１の許容範囲にあるときは、半導体放射線検出器１１の半導体結晶は健全であると判定する。一方、温度補正した波高分布Ｐ”が、その温度における予め定めた波高分布Ｐ１の許容範囲を逸脱しているときは、半導体放射線検出器１１の半導体結晶は劣化または異常を起こしていると判定する。

第１の実施の形態によれば、電磁波パルスの出力パルスの波高分布において、温度特性の寄与を除去した結果から半導体結晶の劣化および異常の判別が可能であるので、温度特性による誤診断を避け、半導体結晶の劣化および異常が適正に検知できる。また、バイアス電圧の異常はバイアス電圧異常検出手段１５で検出でき、信号増幅器の異常は供給電源異常検出手段２４で検出できる。

図３は、本発明の参考例に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図である。この参考例は、図１に示した第１の実施の形態に対し、半導体放射線検出器１１の温度を検出する温度検出器２５を追加して設け、温度検出器で検出された温度に基づいてその温度に対する補正した波高分布を求め、求めた波高分布が所定範囲を逸脱しているときは半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化または異常であると判別するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３において、温度検出器２５で半導体放射線検出器１１の温度を測定し、その情報は信号処理部１４の波高分布分析手段１６に入力される。第１の実施の形態では、パルス波高分布の標準偏差からリーク電流量を求め、そのリーク電流量から温度を算出するようにしているが、半導体放射線検出器１１の温度を温度検出器２５により検出して直接的に入力し、平均値の温度特性の式から平均値の変化量Tを求め温度補正を行う。参考例によれば、直接的に半導体放射線検出器１１の温度を入力するので信号処理部１４の演算処理の負担が軽くなる。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、半導体放射線検出器１１のリーク電流を検出する電流検出器２６を追加して設け、電流検出器２６で検出されたリーク電流に基づいて半導体放射線検出器１１の温度を求め、その温度に対する補正した波高分布を求めて、その波高分布が所定範囲を逸脱しているときは半導体放射線検出器１１の半導体結晶の劣化または異常であると判別するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４において、電流検出器２６により半導体放射線検出器１１のリーク電流を測定し、その情報は波高分布分析手段１６に入力される。第１の実施の形態では、パルス波高分布の標準偏差からリーク電流量を求め、そのリーク電流量から温度を算出するようにしているが、半導体放射線検出器１１のリーク電流を電流検出器２６により検出し、その検出したリーク電流から温度を導出し、平均値の温度特性の式から平均値の変化量Tを求め温度補正を行う。第２の実施の形態によれば、半導体放射線検出器１１のリーク電流を検出して信号処理部１４で温度を演算するので、信号処理部１４はパルス波高分布の標準偏差からリーク電流量を求める演算処理が不要となり負担が軽くなる。

本発明の第１の実施の形態に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図。本発明の第１の実施の形態における電磁波パルス照射に対し半導体放射線検出器による出力パルスの波高分布の特性図。本発明の参考例に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図。本発明の第２の実施の形態に係わる半導体放射線検出器の劣化異常検出装置のブロック構成図。

符号の説明

１１…半導体放射線検出器、１２…バイアス電源、１３…バイアス電圧検出器、１４…信号処理部、１５…バイアス電圧異常検出手段、１６…波高分布分析手段、１７…発振器、１８…発光ダイオード、１９…電磁波パルス光量調節器、２０…信号増幅器、２１…波高弁別部、２２…主電源、２３…電圧検出器、２４…供給電源異常検出手段、２５…温度検出器、２６…電流検出器

Claims

半導体放射線検出器に電磁波パルスを入力する発振器と、前記半導体放射線検出器のバイアス電圧が異常となったことを検出するバイアス電圧異常検出手段と、前記半導体放射線検出器の検出信号を増幅する増幅器への供給電源電圧が異常となったことを検出する供給電源異常検出手段と、前記発振器から電磁波パルスが照射されたことにより前記半導体放射線検出器から出力されるパルス波高値の波高分布を取得する波高弁別部と、前記バイアス電圧及び前記供給電源電圧が正常で前記波高弁別部からの波高分布が正常範囲を逸脱している場合に、正常な波高分布の標準偏差と正常範囲から逸脱した波高分布の標準偏差との変化量と、波高分布の標準偏差と平均値との温度特性とを用いて、正常範囲から逸脱した前記波高分布を補正し、補正した前記波高分布が所定範囲を逸脱しているときは前記半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化または異常であると判別する波高分布分析手段とを備えたことを特徴とする半導体放射線検出器の劣化異常検出装置。
半導体放射線検出器に電磁波パルスを入力する発振器と、前記半導体放射線検出器のリーク電流を検出する電流検出器と、前記半導体放射線検出器のバイアス電圧が異常となったことを検出するバイアス電圧異常検出手段と、前記半導体放射線検出器の検出信号を増幅する増幅器への供給電源電圧が異常となったことを検出する供給電源異常検出手段と、前記発振器から電磁波パルスが照射されたことにより前記半導体放射線検出器から出力されるパルス波高値の波高分布を取得する波高弁別部と、前記バイアス電圧及び前記供給電源電圧が正常で前記波高弁別部からの波高分布が正常範囲を逸脱している場合に、前記電流検出器で検出されたリーク電流と温度との関係と、正常な波高分布の平均値の温度特性とを用いて正常範囲から逸脱した前記波高分布を補正し、補正した前記波高分布が所定範囲を逸脱しているときは前記半導体放射線検出器の半導体結晶の劣化または異常であると判別する波高分布分析手段とを備えたことを特徴とする半導体放射線検出器の劣化異常検出装置。