JP5176865B2 - 放射線測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、測定開始時における測定値の変動を抑制することが出来る放射線測定方法および装置に関する。

シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子を用いたエネルギー分散型Ｘ線検出装置が知られている（例えば特許文献１参照。）。
他方、半導体放射線検出器から出力される信号のドリフト量を検出しドリフト量が閾値を越えるとドリフトをリセットしたり、一定時間毎にドリフトをリセットする放射線測定方法が知られている（例えば特許文献２参照。）。
特開２００１−１２４７１２号公報 特開２００２−３２８１７３号公報

液体窒素温度付近（−１９０℃）まで冷却しているＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子の温度を上げていくと（例えば−１００℃）、放射線有感領域であるリチウムドリフト層（ｉ層）に存在するドナーのリチウムやアクセプタのボロンの一部が励起し始め、Ｌｉ＋やＢ−といったイオン状態になる。温度を上げていけば行くほど、イオン状態になるドナーとアクセプタの数は増えていく。
Ｉ＝Ｂ・Ｉｏ・exp{-μ・ｘ}
但し、Ｉ：吸収後のＸ線強度、Ｂ：ビルドアップ係数、
Ｉｏ：はじめのＸ線強度、μ＝吸収係数、ｘ：吸収物の厚み
上式に示すランベルト・ベールの法則によれば、低エネルギーＸ線（例えばＭｎ−Ｋα：５．９ｋｅＶ）はＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子のｐ面電極付近のみで吸収される。一次電子・正孔対発生雲の大きさは、約４μｍ程度の拡がりになる。
一次電子・正孔対発生雲で生じた電荷は、逆バイアス電圧がかけられていることから、電子はｎ面電極側に引き寄せられ、正孔はｐ面電極側に引き寄せられる。ところが、ｎ面電極付近のｉ層では、イオン状態になっているＬｉ＋が、引き寄せられた電子を捕まえてＬｉ原子に変化する。一方、Ｂ−は、イオン状態を保つ。つまり、ｉ層内のドナーとアクセプタの一部が励起してイオン状態になっているＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子に低エネルギーＸ線を照射すると、ｉ層の一部がｐ層化する。そして、照射を繰り返すと、ｉ層の一部のｐ層化が進んでゆく。換言すれば、Ｓｉ（Ｌｉ）放射線検出素子を用いて低エネルギーＸ線の測定を繰り返した場合、ｉ層の一部のｐ層化が徐々に進んでゆく。そして、ｉ層の一部のｐ層化が進んでゆくと、Ｓｉ（Ｌｉ）放射線検出素子の容量が徐々に増加していくため、測定開始時から測定を繰り返す毎に測定値が変化していく問題点がある。
しかし、上記従来技術では、この問題点に対応できなかった。
そこで、本発明の目的は、測定開始時における測定値の変動を抑制することが出来る放射線測定方法および装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、半導体放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線を半導体放射線検出素子に照射する高エネルギー放射線照射ステップと、前記高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了後に前記半導体放射線検出素子を用いて測定対象の放射線を測定する放射線測定ステップとを有することを特徴とする放射線測定方法を提供する。
上記第１の観点による放射線測定方法では、高エネルギー放射線照射ステップで、半導体放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線を半導体放射線検出素子に照射するので、放射線入射側と反対側の電極付近にも放射線が届いて電子・正孔対が発生する。このため、放射線入射側と反対側の電極付近に当たるｉ層では、イオン状態になっているドナーは、発生した電子を捕まえてドナー原子に変化する。一方、イオン状態になっているアクセプタも、発生した正孔を捕まえてアクセプタ原子に変化する。つまり、放射線入射側と反対側の電極付近に当たるｉ層にイオン状態になっているドナーやアクセプタがなくなるため、放射線測定ステップで、低エネルギーの放射線の測定を繰り返しても、ｉ層の一部のｐ層化の進行を生じない。よって、測定開始時における測定値の変動を抑制することが出来る。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による放射線測定方法において、前記半導体放射線検出素子は、シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子であることを特徴とする放射線測定方法を提供する。
上記第２の観点による放射線測定方法では、高エネルギー放射線照射ステップで、Ｓｉ（Ｌｉ）放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線をＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子に照射するので、ｎ面電極付近にも放射線が届いて電子・正孔対が発生する。このため、ｎ面電極付近に当たるｉ層では、イオン状態になっているＬｉ＋は、発生した電子を捕まえてリチウム原子に変化する。一方、イオン状態になっているＢ−も、発生した正孔を捕まえてボロン原子に変化する。つまり、ｎ面電極付近に当たるｉ層にＬｉ＋やＢ−がなくなるため、放射線測定ステップで、低エネルギーの放射線の測定を繰り返しても、ｉ層の一部のｐ層化の進行を生じない。よって、測定開始時における測定値の変動を抑制することが出来る。

第３の観点では、本発明は、前記第１または前記第２の観点による放射線測定方法において、前記高エネルギー放射線照射ステップでは前記高エネルギーの放射線を前記半導体放射線検出素子に１０秒間から６０秒間に渡って照射し、前記高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了から１時間以内に前記放射線測定ステップを実行することを特徴とする放射線測定方法を提供する。
本願発明者の実験によれば、高エネルギー放射線照射ステップでの高エネルギー放射線の照射時間を１０秒間〜６０秒間とすることで十分な効果が得られることを見いだした。また、高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了から１時間以内に放射線測定ステップを行うことで十分な効果が得られることを見いだした。なお、高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了から１２時間後に放射線測定ステップを行っても所望の効果が得られた。

第４の観点では、本発明は、電磁放射線を発生する電磁放射線発生手段と、前記電磁放射線が当たることで試料が発生する放射線を測定するための半導体放射線検出素子と、前記半導体放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線を発生し前記半導体放射線検出素子に照射するための高エネルギー放射線発生照射手段とを具備したことを特徴とする放射線測定装置を提供する。
上記第４の観点による放射線測定装置では、前記第１の観点による放射線測定方法を好適に実施できる。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による放射線測定装置において、前記半導体放射線検出素子は、シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子であることを特徴とする放射線測定装置を提供する。
上記第５の観点による放射線測定装置では、前記第２の観点による放射線測定方法を好適に実施できる。

第６の観点では、本発明は、前記第４または第５の観点による放射線測定装置において、前記高エネルギー放射線発生照射手段は、ジルコニウムよりも原子番号が大きい元素の単体または合金からなる高エネルギー放射線発生部材と、電磁放射線を前記高エネルギー放射線発生部材に当て発生した高エネルギー放射線を前記半導体放射線検出素子に照射する高エネルギー放射線照射手段とからなることを特徴とする放射線測定装置を提供する。
本願発明者の計算によれば、ジルコニウムよりも原子番号が大きい元素の単体または合金に電磁放射線を当てることで、半導体放射線検出素子の一般的な厚さ０．４ｃｍを透過してしまう高エネルギーの放射線を発生できることが判った。
すなわち、上記第６の観点による放射線測定装置では、厚さ０．４ｃｍ程度の半導体放射線検出素子に対して前記第１または第２の観点による放射線測定方法を好適に実施できる。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点による放射線測定装置において、前記高エネルギー放射線照射手段は、前記電磁放射線発生手段から発生する電磁放射線が試料に当てられる経路中に前記高エネルギー放射線発生部材を出し入れする移動機構であることを特徴とする放射線測定装置を提供する。
上記第７の観点による放射線測定装置では、電磁放射線発生手段が発生する電磁放射線が試料に当てられる経路中に高エネルギー放射線発生部材を入れることで高エネルギー放射線照射ステップを実施でき、経路中から高エネルギー放射線発生部材を除去することで放射線測定ステップを実施できる。

本発明の放射線測定方法および装置によれば、測定開始時における測定値の変動を抑制することが出来る。すなわち、低エネルギーの放射線の測定を繰り返したときに測定値が変化することを抑制できる。また、高エネルギーの放射線の測定を繰り返す場合でも、測定値のばらつきを抑制することが出来る。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１および図２は実施例１に係る放射線測定装置１００を示す構成説明図であり、図１は高エネルギー放射線照射ステップの状態を示し、図２は放射線測定ステップの状態を示す。

放射線測定装置１００は、試料室Ｒに置いた試料Ｓに対して電磁放射線２１を当てるための電磁放射線発生源２０と、高エネルギーＸ線発生部材４０が装着されたシャッタ３１を移動するためのシャッタ移動機構３０と、電磁放射線２１が当てられた試料Ｓから発生する蛍光Ｘ線Ｆまたは電磁放射線２１が当てられた高エネルギーＸ線発生部材４０から発生する高エネルギーＸ線４１が照射されるペルチェ冷却型半導体放射線検出器１０とを具備してなる。

電磁放射線発生源２０は、例えばＸ線を発生するＸ線管球や、特性Ｘ線やγ線を発生する放射性同位元素である。

高エネルギーＸ線発生部材４０は、例えばジルコニウムよりも原子番号が大きい元素の単体または合金である。具体例としては、錫を含むアルミ合金の直径１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの円板である。

シャッタ移動機構３０は、高エネルギー放射線照射ステップでは、図１に示すように、試料Ｓに電磁放射線２１が当てられる経路中にシャッタ３１を入れ、高エネルギーＸ線発生部材４０に電磁放射線２１が当たるようにする。一方、放射線測定ステップでは、図２に示すように、試料Ｓに電磁放射線２１が当てられる経路中からシャッタ３１を除去し、試料Ｓに電磁放射線２１が当たるようにする。

ペルチェ冷却型半導体放射線検出器１０は、放射線が透過するベリリウムの窓１を持つ真空容器７と、窓１に面して設置された半導体放射線検出素子２と、半導体放射線検出素子２の出力信号を増幅するＦＥＴ３と、伝熱部材４と、伝熱部材４を介して半導体放射線検出素子２やＦＥＴ３を冷却する多段ペルチェ素子モジュール５と、多段ペルチェ素子モジュール５を水冷するためのヒートシンク６と、真空容器７の真空度を維持するためのイオンポンプ８とを有している。

半導体放射線検出素子２は、例えばＰＩＮダイオードや、シリコンドリフトデテクタや、高純度シリコン検出素子や、シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子である。

測定に際しては、まず、図１の状態で高エネルギー放射線照射ステップを実施し、高エネルギーＸ線４１を半導体放射線検出素子２に照射する。照射時間は、１０秒間〜６０秒間程度とする。

図３に、元素Ｃｒ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｓｎの特性Ｘ線の計算による透過率を示す。なお、各曲線の不連続点は、B（ビルトアップ係数）の定義変更点を示し、実際の透過率は連続になっている。
ジルコニウムよりも原子番号が大きい元素を用いれば、厚さ０．４ｃｍ以下の半導体放射線検出素子２を透過してしまう高エネルギーの特性Ｘ線を発生できることが判る。

図１の状態で高エネルギー放射線照射ステップを実施した後、高エネルギーＸ線４１の照射終了から１時間以内に図２の状態にして放射線測定ステップを実施し、試料からの蛍光Ｘ線Ｆを半導体放射線検出素子２に照射する。

図４に、従来の測定方法により、SnのKβ線を１０回連続で繰り返し測定した結果を示す。
１回目と２回目の測定値は他の測定値と比較して変化している。１回目の測定値は、ｎ面電極付近で電子を捕らえるＬｉ＋が多いため、真値よりも小さい値になる。また２回目の測定値も、その傾向は続くが１回目ほどではない。３回目以降はLi+が電子で飽和され平常状態となるため測定値は一定となる。

同じく図４に、高エネルギー放射線照射ステップを実施してから放射線測定ステップを実施し、SnのKβ線を１０回連続で繰り返し測定した結果を示す。
１０回の測定値は図４と比較した場合、１回目から安定している。

−実施例２−
試料Ｓに電磁放射線２１を当てるための電磁放射線発生源２０とは別に高エネルギー放射線発生源を設けてもよい。
このような高エネルギー放射線発生源としては、特性Ｘ線やγ線を発生する放射性同位元素を用いることが出来る。

本発明の放射線測定方法および装置は、例えば蛍光Ｘ線分析に利用できる。

実施例１に係る放射線測定装置を示す構成説明図である（高エネルギー放射線照射ステップの状態）。 実施例１に係る放射線測定装置を示す構成説明図である（放射線測定ステップの状態）。 多種の元素の特性Ｘ線（Kα線）の透過率を示す特性図である。 本発明の効果を示す実験結果図である。

符号の説明

２ 半導体放射線検出素子
１０ ペルチェ冷却型半導体放射線検出器
２０ 電磁放射線発生源
２１ 電磁放射線
３０ シャッタ移動機構
３１ シャッタ
４０ 高エネルギーＸ線発生部材
４１ 高エネルギーＸ線
Ｆ 試料からの蛍光Ｘ線
Ｓ 試料

Claims (5)

1. 半導体放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線を前記半導体放射線検出素子に照射する高エネルギー放射線照射ステップと、前記高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了後に前記半導体放射線検出素子を用いて測定対象の放射線を測定する放射線測定ステップとを有し、前記半導体放射線検出素子は、シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子であることを特徴とする放射線測定方法。
2. 請求項１に記載の放射線測定方法において、前記高エネルギー放射線照射ステップでは前記高エネルギーの放射線を前記半導体放射線検出素子に１０秒間から６０秒間に渡って照射し、前記高エネルギー放射線照射ステップでの照射終了から１時間以内に前記放射線測定ステップを実行することを特徴とする放射線測定方法。
3. 電磁放射線を発生する電磁放射線発生手段と、前記電磁放射線が当たることで試料が発生する放射線を測定するための半導体放射線検出素子と、前記半導体放射線検出素子を透過してしまう高エネルギーの放射線を発生し前記半導体放射線検出素子に照射するための高エネルギー放射線発生照射手段とを具備し、前記半導体放射線検出素子は、シリコンにリチウムをドリフトしたＳｉ（Ｌｉ）放射線検出素子であることを特徴とする放射線測定装置。
4. 請求項３に記載の放射線測定装置において、前記高エネルギー放射線発生照射手段は、ジルコニウムよりも原子番号が大きい元素の単体または合金からなる高エネルギー放射線発生部材と、電磁放射線を前記高エネルギー放射線発生部材に当て発生した高エネルギー放射線を前記半導体放射線検出素子に照射する高エネルギー放射線照射手段とからなることを特徴とする放射線測定装置。
5. 請求項４に記載の放射線測定装置において、前記高エネルギー放射線照射手段は、前記電磁放射線発生手段から発生する電磁放射線が試料に当たり、半導体検出素子に至る経路間に、前記高エネルギー放射線発生部材を出し入れする移動機構であることを特徴とする放射線測定装置。

Images