JP5559934B2

JP5559934B2 - 放射線検出装置

Info

Publication number: JP5559934B2
Application number: JP2013509771A
Authority: JP
Inventors: 庸一新谷; 隆一村井; 充弘村田; 智之前田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: CN103430049A; JPWO2013132556A1; US8835863B2; US20140084177A1; WO2013132556A1

Description

本願は、放射線検出装置、特に、放射線により電離したガスの電子やイオンを収集することにより放射線量を検出する放射線検出装置に関するものである。

放射線により電離したガスの電子やイオンを収集することにより放射線量を検出する放射線検出装置は、ガスを封入した容器内に陰極と陽極との２つの電極を持ち、この２つの電極間に電圧を印加して、放射線により電離したガスの電子やイオンを電極に収集することにより放射線量の検出を行っている。

このような放射線検出装置として、陰極−陽極間に印加される電圧では放射線によるガス電離信号が増幅されない範囲の電圧・電極構成を持つものを、電離箱方式と称し、陽極周辺に高い電場をかけて電子がなだれを起こして信号を増幅させる電圧・電極構成を持つものを、比例係数方式と称している。

従来の放射線検出装置として、陰極となる密閉された円筒状の容器の中心に、細い線状の陽極を配置するとともに、容器内に、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスに有機ガスを添加した電離ガスを封入することにより構成されているものがある。この放射線検出装置は、容器内において、放射線が電離ガスを電離し、生成された電子とイオンが陰極−陽極間にかかる電界により移動する。このとき、特に電子が陽極近傍で電子なだれを起こし、放射線は大きなパルス信号として計数される。

また、Ｘ線、γ線のように、測定される放射線のエネルギーによって放射線検出装置に用いられる電離ガスの種類を変えて、放射線量の検出が行われるものがある。例えば、低エネルギーのＸ線を検出する場合には、吸収係数の大きな原子番号が大きい元素のガスが用いられる。一方、中性子線を検出する場合には、中性子線はガスを電離しないため、電離ガスに中性子線と核反応を起こして荷電粒子を発生する、ヘリウム（Ｈｅ₃）や３フッ化ボロン（ＢＦ₃）等のガスを用いるものがある。また、陰極として用いられる容器内に、ボロン１０（Ｂ₁₀）やウラン２３５（Ｕ₂₃₅）等を塗布し、そこで荷電粒子に変換して同様の電離作用を起こさせることで、中性子線を検出する構成のものがある（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開平０７−１６９４３８号公報特開２００２−１８１９４８号公報特開２００２−１４１７１号公報

しかし、上記従来の放射線検出装置は、低線量の放射線を効率よく検出するという観点では、いずれも十分なものとは言えなかった。

本願はこのような現状の課題を解決し、簡単な構成で低線量の放射線の測定が可能な放射線検出装置を提供することを目的とする。

このような課題を解決するために本願で開示する放射線検出装置は、放射線検知用のガスを封入した密閉空間内に、一対の電極と、前記一対の電極を覆う誘電体材料からなる絶縁体層が形成されて放射線センサが構成され、前記放射線センサは、放射線検知期間において前記一対の電極間に所定の電圧が印加されて、入射する放射線により前記ガスが電離して生成されるイオンおよび／または電子によって前記絶縁体層上に電荷が蓄積されるとともに、所定の時間を有する放射線測定期間となっている放射線測定時において、前記放射線検知期間に前記一対の電極に印加された電圧とは逆バイアスの電圧として、時間の経過によってその大きさが変化する傾斜電圧波形を印加することにより発生する放電の開始電圧を測定することを特徴とする。

本願で開示する放射線検出装置によれば、放射線検知期間において、第１のセンサ基板の絶縁体層と第２のセンサ基板の絶縁体層に放射線量に応じて蓄積される電荷量を利用し、放電開始の電圧低下分を測定することにより、放射線検知期間で検知した放射線量を測定することができる。このため、簡単な構成でありながら、低線量の放射線の測定も可能な放射線検出装置を実現することができる。

本実施形態にかかる放射線検出装置の放射線センサを示す断面図本実施形態にかかる放射線検出装置の動作原理を説明するための図本実施形態にかかる放射線検出装置において、放射線検知期間と測定期間における印加電圧の関係を示す電圧波形図本実施形態の放射線検出装置において、放射線の測定サイクルを説明するための電圧波形図本実施形態の放射線検出装置において、放射線の測定サイクルを説明するための図本実施形態の放射線検出装置において、放射線の測定サイクルを説明するための図本実施形態にかかる放射線検出装置の放射線センサの他の構成例を示す分解斜視図

以下、本願で開示する放射線検出装置の一実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態にかかる放射線検出装置の、放射線センサ部分の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の放射線検出装置の放射線センサ部では、第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２とが、間にガラスからなる接続部材としてのスペーサ３を介在させることで所定の間隔をあけて対向配置されている。また、第１のセンサ基板１および第２のセンサ基板２とスペーサ３との間を、シール材４で封止することにより密閉空間５が形成されている。

この密閉空間５には、第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２を透過してくるＸ線、γ線のような放射線Ａにより電離する放射線検知ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの中から選ばれた１つ以上のガスが封入され、これにより放射線センサが構成されている。なお、放射線により電離するガス中には、必要に応じて有機ガスなどを含有させることもできる。

第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２は、それぞれソーダガラスからなる放射線を透過可能な絶縁性基板６、７上に、Ａｇからなる電極８、９が形成されるとともに、電極８、９を覆うように絶縁性基板６、７上に無鉛の誘電体材料からなる絶縁体層１０、１１が形成されている。

本実施形態の放射線検出装置では、絶縁体層１０、１１を構成する鉛を含まない無鉛の誘電体材料として、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化硼素（Ｂ₂Ｏ₃）を主成分とし、その主成分材料に酸化硅素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）、酸化タングステン（ＷＯ₃）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）などを含有させることにより構成される無鉛のガラス誘電体材料を用いている。

より具体的には、これらの組成成分からなる誘電体材料を、湿式ジェットミルやボールミルで、平均粒径が０．５μｍ〜２．５μｍとなるように粉砕して誘電体材料粉末を作製し、次にこの誘電体材料粉末とバインダ成分とを三本ロールでよく混練して、ダイコート用あるいは印刷用の誘電体層用ペーストを作製している。なお、バインダ成分としては、エチルセルロース、あるいは、アクリル樹脂１重量％〜２０重量％を含むターピネオール、あるいは、ブチルカルビトールアセテートを用いることができる。また、ペースト中には、必要に応じて可塑剤として、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル、リン酸トリフェニル、リン酸トリブチルを添加し、分散剤として、グリセロールモノオレート、ソルビタンセスキオレヘート、ホモゲノール（Ｋａｏコーポレーション社製品名）、アルキルアリル基のリン酸エステルなどを添加して、印刷性を向上させてもよい。

このようにして作製した誘電体ペーストを、スクリーン印刷法で、あるいは、ダイコート法で印刷して乾燥させ、その後、誘電体材料の軟化点より少し高い温度の５５０℃〜５９０℃で焼成することにより、絶縁体層１０、１１を形成している。なお、絶縁体層１０、１１の膜厚については、約４０μｍ程度が好ましい。

次に、本実施形態にかかる放射線検出装置の放射線量の検出動作原理について、図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、図１に示す放射線センサに、第１のセンサ基板１の電極８側がプラス、第２のセンサ基板２の電極９側がマイナスとなる数１００Ｖの電圧Ｖを印加する。この状態で、放射線Ａが密閉空間５に入ってくると、放射線センサの密閉空間５内のガスが電離し、電子（−）・イオン（＋）対が生成される。

この生成された電子・イオンは、図２（ｂ）に示すように、放射線センサの第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９との間に印加されている電界により、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０側にマイナスの電荷が蓄積されるとともに、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１側にプラスの電荷が蓄積される。このとき、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に電荷が蓄積されるのみで、電流は流れない。

この図２（ａ）、図２（ｂ）に示す期間が放射線検知期間で、密閉空間５内に入ってくる放射線量に応じて、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積される電荷の量に、差が発生することとなる。

次に、放射線測定時において、検知した放射線量を測定する場合は、図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）とは逆に、第１のセンサ基板１の電極８側がマイナス、第２のセンサ基板２の電極９側がプラスとなる数１００Ｖの逆バイアス電圧Ｖ’を印加し、第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２との間で放電を発生させる。このとき、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積される電荷の量、すなわち放射線検知期間で検知した放射線量に応じて、低い電圧で放電を開始することとなる。この放電開始時の電圧低下分を測定することにより、放射線検知期間で検知した放射線量を測定することができる。

より詳細に説明すると、放射線検知期間である蓄積期間終了時は、絶縁体層１０、１１表面には、放射線量に比例した印加電圧と逆極性の電荷が一定量蓄積している。この電荷を測定するために、電極８、９間に蓄積期間と逆のバイアスの電圧Ｖ’を印加すると、印加電圧＋蓄積電圧（蓄積電荷による電圧）分の電界が、ガス空間（密閉空間）中にかかることになる。蓄積電圧がない場合と比較して低い電圧で放電が起こるため、この電圧差を測定することにより蓄積電圧を測定することができる。

例えば、放射線測定時における第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９とに印加する電圧を印加電圧Ｖ₀、蓄積電圧Ｖ、放電開始電圧をＶｆとすると、Ｖｆ＝Ｖ₀＋Ｖとなる。このとき、放射線測定時を所定の期間を有する放射線測定期間として、この放射線測定期間における印加電圧Ｖ₀を階段状やパルス状に上げることにより、放電が起こったタイミングを放電発光や電流信号などで観測すれば、Ｖ₀を測定することができる。Ｖｆは、放射線測定装置の構造やガスの組成で決まる値であるため、蓄積電圧Ｖを求めることができる。

また、蓄積電圧Ｖは、絶縁体層１０、１１の容量Ｃと蓄積電荷Ｑとから、Ｑ＝ＣＶの関係により、絶縁体層１０、１１を形成する誘電体材料、厚み、電極形状が分かっていれば、容量は計算できるため、放射線量と比例する蓄積電荷Ｑを求めることができる。

以上のように、本実施形態にかかる放射線検出装置においては、第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２とを所定の間隔をあけて対向配置して形成した密閉空間５内に、放射線検知用のガスを封入して構成した放射線センサを有する。放射線センサの第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２とは、それぞれ放射線を透過可能な絶縁性基板６、７（図２では図示を省略）上に一対の電極８、９を形成するとともに、前記電極８、９を覆うように絶縁性基板６、７上に誘電体材料からなる絶縁体層１０、１１を形成することにより構成したものである。そして、放射線検知期間において、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積される電荷量が、放射線量に応じて変化することを利用して、第１のセンサ基板１と第２のセンサ基板２との間で放電を発生させる放射線測定期間において、放電開始時の電圧低下分を測定することにより、放射線検知期間で検知した放射線量を測定することができるものである。

図３は、本実施の形態にかかる放射線検出装置において、放射線検知期間と放射線測定期間における印加電圧を示す電圧波形図である。

図３において、細実線２１は、図２（ａ）に示した第１のセンサ基板１の電極８に印加する電圧波形、太実線２２は、放射線Ａの入射側である第２のセンサ基板２の電極９に印加する電圧波形である。また、Ｔ１は放射線検知期間、Ｔ２は放射線測定期間である。

図３において、点線の枠線で囲んだように、本実施の形態の放射線検出装置は、放射線測定期間Ｔ２において、第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９に、放射線測定期間Ｔ１とは逆バイアスの電圧を印加する際に、この期間において電圧が徐々に変化する傾斜電圧波形２１ａ、２２ａを印加するように構成したものである。

すなわち、放射線測定期間Ｔ２において、第１のセンサ基板１の電極８側に印加する電圧波形２１については、電圧が徐々に減少してマイナス電位となる傾斜電圧波形２１ａを印加し、放射線Ａの入射側である第２のセンサ基板２の電極９側に印加する電圧波形２２については、電圧が徐々に上昇してプラス電位となる傾斜電圧波形２２ａを印加している。

このように、本実施形態の放射線測定装置では、放射線測定期間Ｔ２において、第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９に、放射線測定期間Ｔ１とは逆バイアスの電圧を印加する際に、電圧が徐々に変化する傾斜電圧波形２１ａ、２２ａを印加する。このようにすることで、図２において説明したように、放電が発生したときの電圧を測定することにより蓄積された放射線量を測定する場合に、急峻なパルス波形の電圧を印加して測定する場合に比べ、傾斜電圧波形の傾きを制御することによって、放電発生電圧の測定を簡単に高精度で行うことが可能となる。また、傾斜電圧波形であれば、印加時間とともに電圧値が変化する波形であるため、放電が発生する電圧を印加時間に変換して測定することもでき、検出結果をデジタル的に表示する場合の回路構成も簡単に実現することが可能となる。

図４、図５、図６は本実施形態にかかる放射線検出装置の、測定サイクルを説明するための図である。図４は、本実施形態にの放射線検出装置の測定サイクルにおける印加電圧を示す電圧波形図、図５、図６は、図４に示したそれぞれの測定サイクルにおける、放射線検出装置の動作を説明するための概略図である。図５の(1)〜(4)、図６の(5)〜(9)は、それぞれ、図４中に(1)〜(9)として示した状態に対応した動作を示している。

図４に示すように、本実施形態にかかる放射線検出装置において、放射線測定の１サイクルは、放射線検知期間Ｔ１、放射線測定期間Ｔ２、リセット期間Ｔ３から構成されている。

放射線検知期間Ｔ１の検知期間初期(1)においては、第１のセンサ基板１の電極８側がプラス、第２のセンサ基板２の電極９側がマイナスとなる数１００Ｖの電圧が印加されているのみで、放射線センサに放射線が入射して来ていない状態であるため、第１のセンサ基板１、第２のセンサ基板２の絶縁体層１０、１１には、放射線による電荷が蓄積されていない状態である。

放射線検知期間Ｔ１の検出期間中期(2)において、放射線Ａが入射してくると、放射線センサの密閉空間５内のガスが電離し、電子・イオン対が生成され、第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９との間に印加されている電界により、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０側にマイナスの電荷が徐々に蓄積されるとともに、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１側にプラスの電荷が徐々に蓄積される。さらに、放射線検知期間Ｔ１の検知期間中期(3)において、放射線Ａが入射してくると、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に電荷が追加されて蓄積される。

放射線検知期間Ｔ１の検知期間終了(4)においては、入射した放射線量に比例する電荷が第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積された状態となる。

次に、検知した放射線量を測定する放射線測定期間Ｔ２の測定期間初期(5)において、第１のセンサ基板１の電極８側がマイナス、第２のセンサ基板２の電極９側がプラスとなる数１００Ｖの逆バイアス電圧を印加する。このとき、図４に示すように、傾斜電圧波形２１ａ、２２ａを印加する。

その後、放射線測定期間Ｔ２の測定期間中期(6)においては、印加電圧＋蓄積電圧（蓄積電荷による電圧）による電界により放電が発生する。上述したように、このとき蓄積電圧がない場合と比べると、低い電圧で放電が起こるため、電圧差を測定することにより、蓄積された放射線量に応じた蓄積電圧を測定することができる。この測定が終了した放射線測定期間Ｔ２の測定期間後期(7)においては、測定期間中期(6)において発生した放電により、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０側にプラスの電荷が蓄積されるとともに、第２のセンサ基板２の絶縁体層１１側にマイナスの電荷が蓄積される。

そこで、放射線測定期間Ｔ２が終了した後、リセット期間Ｔ３を設けて放射線センサ内の電荷を放射線検知期間Ｔ１の初期の状態に戻す。リセット期間Ｔ３のリセット時(8)においては、第１のセンサ基板１の電極８と第２のセンサ基板２の電極９をグランド電位とすることにより、第１のセンサ基板１の絶縁体層１０と第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積された電荷に応じた微小放電が発生し、リセット後(9)において、放射線センサの第１のセンサ基板１の絶縁体層１０および第２のセンサ基板２の絶縁体層１１に蓄積された電荷が消去され、初期状態に戻る。すなわち、リセット期間Ｔ３は、第１のセンサ基板１、第２のセンサ基板２の絶縁体層１０、１１の電荷を、放射線が入射してくる前の状態に調整するための電荷調整の放電を発生させる期間である。

以上の動作が測定サイクルの１サイクルとなる。

ここで、この測定サイクルにおいて、放射線を測定する１サイクル中の放射線検知期間Ｔ１は、放射線量応じて可変とするのが望ましく、放射線量が多い場合は、蓄積期間を短くして溜まる電荷量を減らことがより好ましい。逆に、放射線量が低線量の場合は、できるだけ蓄積期間を長くすることにより入射する放射線が増え、感度を向上させることができる。可変する蓄積期間としては、例えば数１００μｓ〜数１００ｓ程度が望ましい。また、放射線測定期間Ｔ２は、数１０μｓ〜数ｍｓ程度が望ましい。

図７は、本実施形態にかかる放射線検出装置において、センサ部分の他の構成例を示す分解斜視図である。

この図７に示す他の構成例の放射線検出装置は、複数個のセンサ部を形成し、そのセンサ部をｍ列ｎ行でマトリクス状に２次元配置した構成としたものである。

図７に示すように、第１のセンサ基板３１と第２のセンサ基板３２とは、間にガラスからなる井桁形状のスペーサ３３を介在させて、所定の間隔をあけて対向配置するとともに、第１のセンサ基板３１および第２のセンサ基板３２とスペーサ３３との間を、シール材（図示せず）で封止することにより、複数個の密閉空間３４を形成している。

この密閉空間３４には、第１のセンサ基板３１と第２のセンサ基板３２を透過してくるＸ線、γ線のような放射線Ａにより電離する、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅの中から選ばれた１つ以上のガスが封入され、これにより複数個のセンサ部３５が構成されている。

第１のセンサ基板３１と第２のセンサ基板３２は、それぞれソーダガラスからなる放射線を透過可能な絶縁性基板３６、３７上に、Ａｇからなる複数本の線上の電極３８、３９が前記センサ部３５を形成する密閉空間３４において直交するように形成されているとともに、電極３８、３９を覆うように、絶縁性基板３６、３７上に無鉛の誘電体材料からなる絶縁体層４０、４１が形成されている。なお、絶縁体層４０、４１を形成する誘電体材料、形成方法については、図１に示した、本実施形態の放射線検出装置の場合と同様な材料、形成方法を用いることができる。

このように、２次元に複数個のセンサ部３５を配列して構成した放射線センサを用いて放射線を測定する場合は、図４に示す測定サイクルで、各センサ部３５に順次電圧波形を印加することにより、それぞれのセンサ部３５において図１に示したセンサ部と同様に、放射線量を測定することが可能である。

また、図７に示した、変形例にかかる放射線測定装置のように、複数個のセンサ部３５をマトリクス状に２次元配置してセンサを構成することにより、センサ部３５の位置の違いによる放射線量差分の測定が可能となるため、放射線が入射してくる方向の測定も可能となる。

さらには、複数個のセンサ部３５で検出した放射線量を加算することにより、放射線検出装置としての感度を向上させることも可能となる。

なお、上記説明においては、前記第１のセンサ基板と第２のセンサ基板は、それぞれソーダガラスからなる放射線を透過可能な絶縁性基板を用いた例について示したが、センサ基板の構成例は、これに限らない。例えば、金属製基板の表面に、ガラスや樹脂などの絶縁体材料を形成して絶縁性基板としたものを用いることができ、また少なくとも一方の絶縁性基板を、金属製基板の表面にガラスや樹脂などの絶縁体材料を形成した絶縁性基板としてもよい。

以上のように、本実施形態にかかる放射線検出装置においては、放射線検知用のガスを封入した密閉空間５内に、一対の電極８、９と、この一対の電極８、９を覆う無鉛の誘電体材料からなる絶縁体層１０、１１が形成されて放射線センサが構成される。そして、この放射線センサは、放射線検知期間において一対８、９の電極間に所定の電圧が印加されて、入射する放射線によりガスが電離して生成されるイオンおよび／または電子によって絶縁体層１０、１１上に電荷が蓄積されるとともに、放射線測定時において、放射線検知期間に一対の電極８、９に印加された電圧とは逆バイアスの電圧を印加することにより発生する放電の開始電圧を測定するものである。このため、放射線検知期間において、絶縁体層に放射線量に応じて蓄積される電荷量を利用し、放電開始の電圧低下分を測定することにより、放射線検知期間で検知した放射線量を測定することができ、簡単な構成で低線量の測定も可能な放射線検出装置を実現することができる。

以上のように本開示は、新規な放射線検出装置を提供できる有用な発明である。

Claims

放射線検知用のガスを封入した密閉空間内に、一対の電極と、前記一対の電極を覆う誘電体材料からなる絶縁体層が形成されて放射線センサが構成され、
前記放射線センサは、
放射線検知期間において前記一対の電極間に所定の電圧が印加されて、入射する放射線により前記ガスが電離して生成されるイオンおよび／または電子によって前記絶縁体層上に電荷が蓄積されるとともに、
所定の時間を有する放射線測定期間となっている放射線測定時において、前記放射線検知期間に前記一対の電極に印加された電圧とは逆バイアスの電圧として、時間の経過によってその大きさが変化する傾斜電圧波形を印加することにより発生する放電の開始電圧を測定することを特徴とする放射線検出装置。