JP4638230B2 - 放射線を検出する方法およびダイヤモンド放射線検出器 - Google Patents
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- G01T1/26—Measuring radiation intensity with resistance detectors
Description
(i)上述の印加電場の下で操作されるCVDダイヤモンド層は、飽和電荷収集効率の80%よりも良好に作動することが好ましく、90%より良好なことがさらに好ましく、95%よりも良好なことが最も好ましい。飽和電荷収集効率は、印加電場が増加すると特定の層が飽和する電荷収集効率である。
(ii)特に薄い層では、ダイヤモンドに印加される電場は、300V未満とすることができ、好ましくは200V未満、より好ましくは100V未満、最も好ましくは75V未満である。これらの印加電圧の下で操作されるダイヤモンド層は、飽和電荷収集効率の80%よりも良好に作動することが好ましく、90%より良好なことがさらに好ましく、95%よりも良好なことが最も好ましい。
(iii)CVDダイヤモンドは、0.5V/μmを超えない印加電場で100μmを超える電荷収集距離を有する。収集距離は、印加した電場で、好ましくは200μm超、より好ましくは300μm超、さらに良好には400μm超である。これらの電荷収集距離は、上述のさらに低い印加電場で達成されることが好ましい。
(iv)CVDダイヤモンドは、できるだけ、最小の電離粒子に対する検出事象1回当たり、高い電子計測数を生成することが望ましい。したがってCVDダイヤモンドは、上述の電場が印加されたとき、検出事象1回当たり少なくとも7000個、好ましくは少なくとも9000個、より好ましくは少なくとも12000個、最も好ましくは少なくとも15000個の電子を発生できるものであることが望ましい。
(v)放射線がα粒子であるとき、CVDダイヤモンドは、δE/Eで表したエネルギーのピーク幅(FWHM)が、20%未満、好ましくは10%未満、より好ましくは5%未満、さらに好ましくは3%未満であることが好ましい。
(i)全て印加電場50V/μm及び300K(即ち、本発明の目的では等価と考えられる20℃)で測定して、抵抗率R1はオフ状態で、1×1012Ωcm超、好ましくは2×1013Ωcm超、より好ましくは5×1014Ωcm超である。
(ii)オフ状態で高い破壊電圧、及びオン状態で長いキャリヤー寿命を有する高い電流、より詳細には、μτの積が、全て印加電場10V/μm及び300Kで測定され、1.5×10−6cm2/V超、好ましくは4.0×10−6cm2/V超、より好ましくは6.0×10−6cm2/V超である。μは移動度であり、τは荷電キャリヤーの寿命であり、積は全電荷の変位すなわち電流への電荷キャリヤーによる寄与を表す。また、この特性は、電荷収集距離として測定され、表されることもできる。
(iii)300Kで測定した電子移動度(μe)が、2400cm2V−1s−1超、好ましくは3000cm2V−1s−1超、より好ましくは4000cm2V−1s−1超である。高品質のIIa型天然ダイヤモンドでは、300Kで、典型的な電子移動度は1800cm2V−1s−1が報告されており、例外的に2200cm2V−1s−1までの値が報告されている。
(iv)300Kで測定した正孔の移動度(μh)は、2100cm2V−1s−1超、好ましくは2500cm2V−1s−1超、より好ましくは3000cm2V−1s−1超である。高品質のIIa型天然ダイヤモンドでは、300Kで、典型的な正孔移動度は1200cm2V−1s−1が報告されており、例外的に1900cm2V−1s−1までの値が報告されている。
(v)全ての収集距離を印加電場1V/μm及び300Kで測定して、150μm超、好ましくは少なくとも400μm超、より好ましくは少なくとも600μm超の電荷収集距離である。高品質のIIa型天然ダイヤモンドでは、電荷収集距離は、300K及び印加電場1V/μmで、実質上100μm未満であることが報告されており、より典型的には約40μmであることが報告されている。
a)より低い印加電場:電荷キャリヤー速度が飽和する領域では、装置の性能は印加電圧の小さな変動に敏感ではないので、装置はこの領域で最も良好に作動する。したがってここでは、有用な装置をより低い印加電場で操作することができる。
b)より低い印加電圧:数百ボルトの過剰の電圧を与えることは不経済であり、困難であり、又は検出器の用途及び設計によっては不可能でさえあろう。より低い電場で電荷キャリヤー速度が飽和することは、より低い印加電圧で有用な装置を操作することが可能になり、かつ、高い電荷収集効率及び安定な飽和電荷速度領域中でも作動し、例えば高性能の携帯型装置が可能になる。
c)より高い電荷収集:それらの検出器に取り付けられた外部回路によって検出される主な信号は、一般に電子の数として収集された電荷である。より多く収集された電荷は、発生した電荷の定量的分析に基づく測定において、改善されたしきい値検出、より簡単な外部回路、及びより良好な信号対ノイズを可能にする。より厚い検出層を用いることによって、収集電荷を増加させることができるが、印加した電圧は同じ印加電場を維持するために通常上昇するであろう。今や、このような利便が、低い印加電場の下で作動する装置で得られる。
d)より速い応答時間:検出器の応答時間は電荷を収集するために所要の時間で制限される。より低い電圧で飽和速度を達成することは、低い印加電場で作動する検出器に迅速な応答時間を可能にする。
これは、大型ハドロン衝突型加速器の小型ミューオンソレノイド(Compact Muon Solenoid)検出器などの、高エネルギー物理実験の一部として使用する可能性のある検出器である。
国際公開第01/96633号に記載された方法によって作製した厚さ約200μmの高純度単結晶CVDダイヤモンド板TD−3を、両面にTi−Au電極を設けて調製する(「サンドイッチ」構造)。それを100Vのバイアスに接続し、1個の電極は多チャンネル分析装置に接続する。検出器を真空中でアメリシウム−241放射線源からの5.5MeVのα粒子で照射する。
中性子検出器は、高い中性子捕獲断面を有するボロン−10などの材料の追加の「変換層」を1個の電極の上に又は隣接して配置することを除いて、実施例2に述べたα検出器と類似の方法で調製される。変換層の厚さは典型的には0.1〜10μmである。ボロン−10変換層で、各捕獲された中性子はα粒子を生成する。α粒子のいくつかはダイヤモンドに入り、それらが発生する電荷キャリヤーによって検出される。
Claims (23)
- 放射線を検出する方法において、該方法が、
単結晶CVDダイヤモンドの層を提供するステップであって、該単結晶CVDダイヤモンドが、
(i)50V/μmの印加電場及び300Kで測定された抵抗値が、オフ状態で1×1012Ωcmよりも大きいこと、
(ii)10V/μmの印加電場及び300Kの温度で測定された電荷キャリアの寿命τと移動度μとの積μτが、1.5×10−6cm2/Vよりも大きいこと、
(iii)300Kで測定された電子移動度が、2400cm2V−1s−1よりも大きいこと、
(iv)300Kで測定された正孔の移動度が、2100cm2V−1s−1よりも大きいこと、及び
(v)1V/μmの印加電場及び300Kで測定された高電荷収集距離が、150μmよりも大きいこと
のうちの少なくとも1つを満足する、単結晶CVDダイヤモンドの層を提供するステップと、
前記層に0.075V/μm〜0.5V/μmの飽和電場を印加するステップと、
前記層を放射線に曝露し、それによって信号を発生するステップと、
前記信号を検出するステップとを含む、放射線を検出する方法。 - 前記ダイヤモンド層に印加される前記電場が、0.075V/μm以上かつ0.3V/μm未満である請求項1に記載の方法。
- 前記ダイヤモンド層に印加される前記電場が、0.075V/μm以上かつ0.2V/μm未満である請求項1に記載の方法。
- 前記ダイヤモンド層に印加される前記電場が、0.075V/μm以上かつ0.15V/μm未満である請求項1に記載の方法。
- 前記層の厚さが200μm〜1mmである請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記層の厚さが200μm以上かつ500μm未満である請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記層の厚さが200μm以上かつ250μm未満である請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。
- 25V以上かつ300V未満のバイアス電圧が前記層に印加される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。
- 25V以上かつ200V未満のバイアス電圧が前記層に印加される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。
- 25V以上かつ100V未満のバイアス電圧が前記層に印加される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。
- 25V以上かつ75V未満のバイアス電圧が前記層に印加される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンド層が、前記印加電場で飽和電荷収集効率の少なくとも80%に達する請求項1から11までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンド層が、前記印加電場で飽和電荷収集効率の少なくとも90%に達する請求項1から11までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンド層が、前記印加電場で飽和電荷収集効率の少なくとも95%に達する請求項1から11までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンドが、前記印加電場で操作するとき、最小の電離粒子に対する検出事象1回当たり、少なくとも7000個の電子を発生することができる請求項1から14までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンドが、前記印加電場で操作するとき、最小の電離粒子に対する検出事象1回当たり、少なくとも9000個の電子を発生することができる請求項1から14までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンドが、前記印加電場で操作するとき、最小の電離粒子に対する検出事象1回当たり、少なくとも12000個の電子を発生することができる請求項1から14までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記CVDダイヤモンドが、前記印加電場で操作するとき、最小の電離粒子に対する検出事象1回当たり、少なくとも15000個の電子を発生することができる請求項1から14までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記放射線がα粒子であり、前記CVDダイヤモンドが20%未満のδE/Eで表されるエネルギーのピーク幅を発生する、請求項1から18までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記放射線が、β粒子、α粒子、プロトン、他の高エネルギー原子核粒子及び高エネルギー電磁放射線から選択される、請求項1から19までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記放射線が中性子である請求項1から19までのいずれか一項に記載の方法。
- 単結晶CVDダイヤモンドの層を含む、請求項1から21までのいずれか一項に記載の方法に使用するための検出器。
- 前記単結晶CVDダイヤモンドの層が200μm〜1mmの厚さを有する請求項22に記載の検出器。
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