JP5159393B2

JP5159393B2 - 電子増幅器及びこれを使用した放射線検出器

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Publication number: JP5159393B2
Application number: JP2008089721A
Authority: JP
Inventors: 良一元田; 聡越牟田; 恭男大津; 圭一阿部; 英治臼井; 弘行高橋
Original assignee: サイエナジー株式会社
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009245688A

Description

本発明は、電子増幅器及びこれを使用した放射線検出器に関する。

従来より、荷電粒子、ガンマ線、Ｘ線、中性子または紫外光等の電離放射線を検出する装置としてガス電子増幅器が使用されている。これらの検出装置は、検出対象の放射線がチャンバ内に電子を発生させ、ガス電子増幅器が電子雪崩効果による電子増幅を行い、放射線を検出する構成となっている。

図７には、従来のガス電子増幅器を使用した放射線検出器の概略構成例の断面図が示される。図７において、放射線検出器はドリフト電極１００と検出部１０２との間に、一次電子を発生させるドリフト領域１１と電子増幅板１０が配置されている。この電子増幅板１０は、電子雪崩効果により電荷増倍を行うガス電子増幅器として機能し、板状絶縁層１２とこの板状絶縁層１２の両面に被覆された平面状の導体層１４、１６とで構成されている。また、電子増幅板１０には、電場を集束させるための貫通孔１８が複数形成されている。また、これらの構成要素を収容するチャンバ１０４内には、所定の検出用ガスが充填されている。

このような放射線検出器においては、電源部２０から導体層１４、１６及びドリフト電極１００に所定の電圧が印加されている。これにより、チャンバ１０４内には電子増幅板１０を介してドリフト電極１００から検出部１０２の方向に電子を移動させる電場が形成されている。この状態で放射線がドリフト電極１００側から入射すると、光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により、検出用ガス中の原子から電子を遊離して一次電子を発生させる。発生した一次電子は、ドリフト電極１００と電子増幅板１０との間のドリフト領域１１で検出用ガスを電離させ、その際に発生した電子は上記電場により検出部１０２の方向に移動する（二次電子）。電子増幅板１０に近づいた二次電子は、貫通孔１８内で集束された電場によってさらに加速され雪崩増幅が発生する。これにより生じた励起電荷を検出部１０２で捕集し、出力部２２が検出信号を出力することにより放射線の二次元位置を特定することができる。例えば、下記特許文献１にも、上記ガス電子増幅器の例が開示されている。

特表２００１−５０８９３５号公報

しかし、上記従来の技術においては、放射線が検出用ガスから一次電子を発生させるが、ガスは原子の密度が小さいので、発生する一次電子の数が少ない。このため、放射線の検出効率を向上させることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、放射線の検出効率を向上することができる電子増幅器及びこれを使用した放射線検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の電子増幅器の発明は、放射線が入射する入射電極と、前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、を備え、前記コンバータ構造は、前記入射電極の前記電子増幅手段に対向する面から前記貫通孔に向けて伸長する柱状突起であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子増幅器において、前記電子増幅手段が、一方の面が前記入射電極の一方の面と密着し、前記柱状突起は、前記貫通孔の中に伸長することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の電子増幅器において、前記柱状突起が、入射する放射線のエネルギーに応じてその太さ及び長さが変更されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項記載の電子増幅器において、前記柱状突起が、各貫通孔毎に複数形成されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の電子増幅器において、入射する放射線のエネルギーに応じて前記貫通孔毎に設けられる前記柱状突起の数が変更されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項４または請求項５記載の電子増幅器において、前記柱状突起が等間隔に配列されることを特徴とする。

請求項７記載の電子増幅器の発明は、放射線が入射する入射電極と、前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、を備え前記コンバータ構造が、前記入射電極の前記電子増幅手段に対向する面に形成された板状構造であることを特徴とする。

請求項８記載の電子増幅器の発明は、放射線が入射する入射電極と、前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、を備え、前記コンバータ構造が、前記入射電極に形成され、前記電子増幅手段に向けて開口する貫通孔構造であることを特徴とする。

請求項９記載の放射線検出器の発明は、請求項１から請求項８のいずれか一項記載の電子増幅器と、前記電子増幅手段が増幅した電子を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１、請求項４、請求項６、請求項７及び請求項８記載の発明によれば、放射線の検出効率を向上することができる電子増幅器を実現できる。

請求項２記載の発明によれば、放射線の二次元位置を正確に特定することができる電子増幅器を実現できる。

請求項３及び請求項５記載の発明によれば、放射線のエネルギーに応じて適切に検出効率を変えることができる。

請求項９記載の発明によれば、放射線の検出効率が向上した放射線検出器を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本発明にかかる電子増幅器を使用した放射線検出器の概略構成例の断面図が示され、図７と同一要素には同一符号が付されている。図１において、放射線検出器は入射電極１０１と検出部１０２との間に、電子増幅板１０が配置されている。この電子増幅板１０は、電子雪崩効果により電子増幅を行うガス電子増幅手段として機能し、板状絶縁層１２とこの板状絶縁層１２の両面に形成された平面状の導体層１４，１６とで構成されている。また、電子増幅板１０は、その一方の面が入射電極１０１の一方の面（図１では下面）と対向するように配置されている。さらに、電子増幅板１０には、電場を集束させるための貫通孔１８が複数形成され、二次元配置されている。また、これらの構成要素を収容するチャンバ１０４内には、所定の検出用ガスが充填されている。この検出用ガスとしては、一般に希ガス＋クエンチャーガスの組合せが使用される。希ガスとしては、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等がある。また、クエンチャーガスとしては、例えばＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、ＣＦ_４等がある。また、希ガス中へのクエンチャーガスの混合量は、１〜３０％が好適である。

上記入射電極１０１には、電子増幅板１０に対向する面から上記貫通孔１８に向けて伸長する柱状突起２４が形成されている。この柱状突起２４は、入射電極１０１の上記面の内、貫通孔１８を投影する領域に形成される。なお、図１の例では、柱状突起２４が各貫通孔１８毎に一つ形成されているが、各貫通孔１８毎に複数形成してもよい。また、柱状突起２４は、長手方向に直交する断面が円形、楕円形、矩形等のいずれであってもよい。

本実施形態にかかる放射線検出器においては、電源部２０から導体層１４，１６及び入射電極１０１に所定の電圧が印加され、チャンバ１０４内には電子増幅板１０を介して入射電極１０１から検出部１０２の方向に電子を移動させる電場が形成されている。ここで、放射線が入射電極１０１に入射すると、当該放射線は入射電極１０１を通過して柱状突起２４まで到達し、光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により、柱状突起２４から一次電子を発生させる。この柱状突起２４は、入射電極１０１に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造として機能している。発生した一次電子は検出用ガスを電離させて二次電子が発生し、電子増幅板１０の貫通孔１８において集束された電場によりさらに加速されて電子の雪崩増幅が行われる。増幅された電子は、二次元配置された貫通孔１８毎に検出部１０２で検出され、出力部２２が検出信号を出力することにより放射線の二次元位置を特定する。この検出部１０２は、直接電荷を検出する方法、あるいはシンチレーション光を検出する方法等により増幅された電子の数を検出する構成とすることができる。

なお、検出部１０２としてマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）を使用してもよい。ここで、マイクロチャンネルプレートとは、電子等を二次元的に検出し増倍する、電子増倍素子である。検出部１０２としてマイクロチャンネルプレートを使用する場合、上記検出用ガスを使用せず、チャンバ１０４内を真空状態にして放射線を検出することができる。

図２（ａ），（ｂ）には、上記柱状突起２４の機能の説明図が示される。図２（ａ）が本実施形態にかかる柱状突起２４が形成された入射電極１０１の例であり、図２（ｂ）が柱状突起２４が形成されていない従来のドリフト電極１００の例である。

図２（ｂ）に示されるように、放射線Ｒがドリフト電極１００に入射した場合、その多くは実線の矢印Iに示されるようにドリフト電極１００を通過するので、ドリフト電極１００中では電子を発生させない。この放射線は、ドリフト電極１００を通過した後、上記検出用ガスから電子を遊離することになるが、ガスは原子の密度が小さいため、多くの電子を発生させることは困難である。また、放射線がドリフト電極１００中で電子を発生させた場合にも、図２（ｂ）の破線の矢印IIに示されるように、発生した電子の多くは放射線の入射方向に対して９０度に近い方向に飛翔するので、ドリフト電極１００内で吸収されて検出部１０２まで到達できない。以上のような理由により、図２（ｂ）に示された従来例では、電子増幅板１０で増幅しても検出部１０２が十分な数の電子を検出できず、放射線の検出効率を向上させることが困難であった。

これに対して、図２（ａ）に示された本実施形態では、放射線Ｒが入射電極１０１に入射した場合、入射電極１０１を通過した放射線が柱状突起２４中で一次電子を発生させる。すなわち、柱状突起２４は、それが形成された部分だけ、入射電極１０１の厚さを厚くしたのと同様の効果を奏する。また、柱状突起２４は、後述する金属等で形成されるので、検出用ガスの場合より原子の密度が大きく、放射線との衝突確率が高くなって、発生する一次電子の数も多くなる。また、この場合、柱状突起２４の径は、発生した電子を柱状突起２４内で吸収できない程度の太さとされているので、発生した電子の大部分が柱状突起２４の外に放出される。従って、この一次電子を各貫通孔１８に導くのに十分な電場を発生させておくことにより、上記図２（ｂ）の従来例より多くの電子を貫通孔１８に進入させることができ、その結果、検出部１０２でより多くの電子を検出することができる。このため、放射線の検出効率を向上させることができる。

以上の通り、本実施形態にかかる放射線検出器では、放射線の検出効率を向上させることができるので、検出に必要な放射線量を低減することができる。この結果、検出部１０２に使用されるＣＭＯＳ等の半導体素子に照射される放射線の量も低減でき、半導体素子の放射線損傷を抑制することができる。

図３には、本発明にかかる電子増幅器を使用した放射線検出器の他の概略構成例の断面図が示され、図７と同一要素には同一符号が付されている。図３において、特徴的な点は、入射電極１０１の一方の面（図３では下面）と電子増幅板１０の一方の面（図３では上面）とを密着させている点である。また、柱状突起２４は、各貫通孔１８の中に収容されている。これにより、柱状突起２４の中で発生した一次電子は、当該一次電子を発生させた放射線の入射位置に対応する位置に配置された貫通孔１８により増幅されることになる。この結果、入射した放射線の読み出し位置の誤差を無くすことができ、放射線の二次元位置を正確に特定することができる。ここで、放射線の入射位置に対応する位置とは、放射線の進行方向を延長した位置をいう。なお、入射電極１０１と電子増幅板１０とを密着させる方法は特に限定されないが、例えば入射電極１０１を電子増幅板１０の上に載置する方法、エポキシ樹脂等の接着剤により接着する方法及び溶着等がある。また、本実施形態では、図３に示されるように、導体層１６が板状絶縁層１２の入射電極１０１に密着していない面に形成されている。なお、図１に示された導体層１４は、本実施形態では板状絶縁層１２の入射電極１０１に密着している面に位置するが、電場を発生させるには入射電極１０１のみで足りるので、省略されている。

なお、本実施形態においても、柱状突起２４は、各貫通孔１８毎に一つ形成してもよいし、複数形成してもよい。

図４（ａ），（ｂ）には、柱状突起２４を各貫通孔１８毎に複数形成する場合の例が示される。図４（ａ），（ｂ）は、電子増幅板１０と柱状突起２４とを含んだ部分断面図となっている。図４（ａ）が図１に示された実施形態に対応し、図４（ｂ）が図３に示された実施形態に対応する。

図４（ａ）の例では、複数の柱状突起２４が貫通孔１８に向けて伸長している。また、図４（ｂ）の例では、複数の柱状突起２４が貫通孔１８の中に伸長し、収容されている。これらの例において、各貫通孔１８毎に設けられる柱状突起２４の数は、入射する放射線のエネルギーに応じて変更するのが好適である。また、柱状突起２４の太さ及び長さも、入射する放射線のエネルギーに応じて変更するのが好適である。

一般に、柱状突起２４の間隔が広くなるほど柱状突起２４間に発生する電場が強くなる。この場合の電場とは、柱状突起２４が並ぶ方向に直交する方向（図４（ａ），（ｂ）の矢印ｅの方向）の電場であり、検出部１０２の方向に電子を移動させる電場である。この電場は、電源部２０から導体層１４，１６及び入射電極１０１等に印加される電圧により発生している。ここで、各柱状突起２４は、入射電極１０１に印加される電圧により等電位となっており、その間隔が狭くなるほど上記電場を打ち消す力が大きくなる。このため、上述したように、柱状突起２４の間隔が広くなるほど柱状突起２４間に発生する電場は強くなることになる。

柱状突起２４の間隔が広く、柱状突起２４間に発生する電場が強くなると、柱状突起２４から発生した一次電子を検出部１０２の方向に移動させる力が大きくなる。反対に柱状突起２４の間隔が狭く、柱状突起２４間に発生する電場が弱くなると、柱状突起２４から発生した一次電子を検出部１０２の方向に移動させる力も小さくなる。各貫通孔１８毎に設けられる柱状突起２４の数が多いほど、入射した放射線により多くの一次電子を発生させることができるが、柱状突起２４の数が多くなり、その間隔が狭くなると、発生した一次電子を検出部１０２の方向に移動させることが困難になる。一方、入射した放射線のエネルギーが高くなると、発生する一次電子の数が増えるとともに、一次電子の放出方向が放射線の進入方向と同じになる。このため、放射線のエネルギーが高いときには、柱状突起２４間に発生する電場が弱くても、電子増幅板１０まで一次電子が到達し、検出部１０２の方向に移動することができる。従って、放射線のエネルギーが高いときには柱状突起２４の数が多くてもよい。このように、柱状突起２４の数は、放射線のエネルギーに応じて、適宜調整することができる。

以上に述べた入射電極１０１及び柱状突起２４は、例えば金、銀、白金等の重金属、アルミニウム等の軽金属等を使用することができる。なお、入射電極１０１と柱状突起２４とは、同じ材質としてもよく、異なる材質としてもよい。ここで、柱状突起２４の材質が変わると放射線の透過率が変化する。柱状突起２４の材質として、例えば金、銀、アルミニウムを使用する場合、透過率は金＜銀＜アルミニウムの順となる。透過率が高いほど、一次電子が放出されにくくなるので、一次電子の放出効率を高くするためには材料の厚さすなわち本実施形態の場合には柱状突起２４の太さを太くする必要がある。ここで放出効率とは、同じエネルギーの放射線を照射した場合に発生する一次電子の数をいう。柱状突起２４の材質として、上記金、銀、アルミニウムを使用する場合、同じ放出効率を得るためには、柱状突起２４の相対的な太さを金＜銀＜アルミニウムとする必要がある。

また、柱状突起２４の長さについては、一般に長くするほど一次電子の放出効率が高くなる。しかし、上述したように、放射線のエネルギーが高くなるにつれて一次電子の放出方向が放射線の進入方向と同じになるため、柱状突起２４の長手方向に入射する放射線のエネルギーが高いときに柱状突起２４の長さが長いと、柱状突起２４中で吸収される電子の数が多くなり、一次電子の放出効率が低下する。従って、放射線のエネルギーに応じて柱状突起２４の長さを変更するのが好適である。ここで、柱状突起２４の材質として、上記金、銀、アルミニウムを使用する場合、上述した透過率も勘案して、柱状突起２４の相対的な長さを金＜銀＜アルミニウムの順とするのがよい。

また、各貫通孔１８毎に複数の柱状突起２４を設ける場合、各柱状突起２４は等間隔に配列するのが好適である。

一般に、入射した放射線から効率よく一次電子を放出させる（放出効率を向上させる）には、入射電極１０１の単位面積当たりの柱状突起２４の本数を多くする方がよい。ただし、放出された一次電子を検出部１０２側に誘導するためには、ある柱状突起２４から放出された一次電子が他の柱状突起２４に吸収されないようにする必要がある。すなわち、一次電子が他の柱状突起２４に吸収されない間隔を保持し、かつできるだけ密集させて柱状突起２４を形成した構造がよく、等間隔とするのが好適である。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）には、上述した柱状突起２４の構造の例が示される。本実施形態では、いずれの図においても、図の上方に図示しない電子増幅板１０が配置されている。図５（ａ）は、入射電極１０１に棒状の柱状突起２４を形成した例である。棒状の柱状突起２４は、その長手方向に直交する断面が円形、楕円形、矩形等のいずれであってもよい。この場合、棒状の柱状突起２４は、上述したように、電子増幅板１０に形成された各貫通孔１８毎に一つ又は複数形成される。なお、各柱状突起２４は、全て同一の材料で形成してもよいし、異なる材料で形成した柱状突起２４を混在させてもよい。

また、図５（ｂ）は、入射電極１０１に錐形状の柱状突起２４を形成した例である。錐形状としては、例えば三角錐、四角錐等の角錐形状及び円錐形状があげられる。錐形状の柱状突起２４も、電子増幅板１０に形成された各貫通孔１８毎に一つ又は複数形成される。

また、図５（ｃ）は、入射電極１０１に先端が球状の柱状突起２４を形成した例である。先端の球の直径は、特に限定されないが、隣接する球と接触しない値とする。先端が球状の柱状突起２４も、電子増幅板１０に形成された各貫通孔１８毎に一つ又は複数形成される。

図６（ａ），（ｂ）には、入射電極１０１に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造の他の例が示される。本実施形態においても、図の上方に図示しない電子増幅板１０が配置されている。図６（ａ）では、入射電極１０１の電子増幅板１０に対向する面に板状構造２６が形成されている。放射線が入射電極１０１に入射すると、当該放射線は入射電極１０１を通過して板状構造２６まで到達し、光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により、板状構造２６の両面から一次電子を発生させる。板状構造２６の長さは限定されないが、例えば貫通孔１８の径以下とするのが好適である。また、板状構造２６の厚さも限定されないが、入射電極１０１に入射する放射線のエネルギー等に応じて適宜決定することができる。

図６（ｂ）では、入射電極１０１に、電子増幅板１０に向けて開口する貫通孔構造２８が形成されている。放射線が入射電極１０１に入射すると、貫通孔構造２８が形成されていない入射電極１０１の材料部分で光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により一次電子を発生させ、この一次電子が貫通孔構造２８に放出され、電場の作用により電子増幅板１０方向に移動する。上記貫通孔構造２８の径は限定されないが、貫通孔１８の径以下とするのが好適である。また、貫通孔構造２８は、電子増幅板１０に形成された各貫通孔１８毎に一つ又は複数形成される。

本発明にかかる電子増幅器を使用した放射線検出器の概略構成例の断面図である。柱状突起の機能の説明図である。本発明にかかる電子増幅器を使用した放射線検出器の他の概略構成例の断面図である。柱状突起を各貫通孔毎に複数形成する場合の例を示す図である。柱状突起の構造の例を示す図である。入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造の他の例を示す図である。従来のガス電子増幅器を使用した放射線検出器の概略構成例の断面図である。

符号の説明

１０電子増幅板、１２板状絶縁層、１４、１６導体層、１８貫通孔、２０電源部、２２出力部、２４柱状突起、２６板状構造、２８貫通孔構造、１００ドリフト電極、１０１入射電極、１０２検出部、１０４チャンバ。

Claims

放射線が入射する入射電極と、
前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、
前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、
を備え、前記コンバータ構造は、前記入射電極の前記電子増幅手段に対向する面から前記貫通孔に向けて伸長する柱状突起であることを特徴とする電子増幅器。
請求項１記載の電子増幅器において、前記電子増幅手段は、一方の面が前記入射電極の一方の面と密着し、前記柱状突起は、前記貫通孔の中に伸長することを特徴とする電子増幅器。
請求項１または請求項２記載の電子増幅器において、前記柱状突起は、入射する放射線のエネルギーに応じてその太さ及び長さが変更されることを特徴とする電子増幅器。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の電子増幅器において、前記柱状突起は、各貫通孔毎に複数形成されていることを特徴とする電子増幅器。
請求項４記載の電子増幅器において、入射する放射線のエネルギーに応じて前記貫通孔毎に設けられる前記柱状突起の数が変更されることを特徴とする電子増幅器。
請求項４または請求項５記載の電子増幅器において、前記柱状突起は等間隔に配列されることを特徴とする電子増幅器。
放射線が入射する入射電極と、
前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、
前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、
を備え、前記コンバータ構造は、前記入射電極の前記電子増幅手段に対向する面に形成された板状構造であることを特徴とする電子増幅器。
放射線が入射する入射電極と、
前記入射電極の一方の面と対向するとともに、両面を貫通した貫通孔が複数形成された板状の電子増幅手段と、
前記入射電極に形成され、前記入射電極に入射した放射線により電子を発生させるコンバータ構造と、
を備え、前記コンバータ構造は、前記入射電極に形成され、前記電子増幅手段に向けて開口する貫通孔構造であることを特徴とする電子増幅器。
請求項１から請求項８のいずれか一項記載の電子増幅器と、前記電子増幅手段が増幅した電子を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする放射線検出器。