JP5600722B2

JP5600722B2 - 放射線検出器、放射線検出装置、及びｘ線分析装置

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Publication number: JP5600722B2
Application number: JP2012242927A
Authority: JP
Inventors: 一隆岡本; 健吾安井; 秀次高田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: JP2014092448A; DE102013222126A1; US8859985B2; US20140124665A1

Description

本発明は、半導体放射線検出素子を用いた放射線検出器、放射線検出装置、及びＸ線分析装置に関する。

Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器には、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）等の半導体放射線検出素子を用いて放射線を検出するものがある。半導体放射線検出素子は、検出感度を高くするために、冷却して使用されることがある。冷却には例えばペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子を用いた放射線検出器は、基礎となる金属製のステムにペルチェ素子の放熱側が接合され、半導体放射線検出素子を実装した配線基板がペルチェ素子の吸熱側に接合され、全体を金属製のカバーで密封したパッケージ状に構成されている。パッケージの内部は、減圧されているか又は不活性ガスが充填されている。放射線検出器は、信号を入出力するための複数のリードピンを備えており、夫々のリードピンの先端と配線基板とがワイヤボンディングで接続されている。このような構成の放射線検出器は、特許文献１に記載されている。

特開２０００−１３８３９３号公報

従来の放射線検出器では、複数のリードピンの先端と配線基板とをワイヤボンディングで接続する作業が困難であり、生産性が低く、また接続の信頼性が低いという問題があった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、配線基板とリードピンとの接続方法を改善することにより、生産性及び信頼性が向上し、多くの部品の搭載が可能とした上で小型化が可能になった放射線検出器、放射線検出装置、及びＸ線分析装置を提供することにある。

本発明に係る放射線検出器は、半導体放射線検出素子と、該半導体放射線検出素子を冷却するための電子冷却部と、前記半導体放射線検出素子を外部と接続するための複数のリードピンとを備える放射線検出器において、前記半導体放射線検出素子を実装しており、前記電子冷却部の吸熱側に熱的接触している第１配線基板と、前記電子冷却部に熱的接触しておらず、前記第１配線基板から離隔した第２配線基板とを備え、前記第２配線基板に前記複数のリードピンが接合しており、前記第１配線基板及び前記第２配線基板は電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、前記第２配線基板は、前記第１配線基板の面を含む平面から離隔しており、前記平面を境にして前記半導体放射線検出素子とは反対側に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、前記第２配線基板の一面に前記複数のリードピンの先端が接合していることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、前記第２配線基板はキャパシタを搭載してあることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出装置は、検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する本発明に係る放射線検出器と、該放射線検出器が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成する手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係るＸ線分析装置は、試料へ放射線を照射する手段と、試料から発生した特性Ｘ線を検出する本発明に係る放射線検出装置とを備えることを特徴とする。

本発明においては、放射線検出装置及び蛍光Ｘ線分析装置に用いられる放射線検出器は、半導体放射線検出素子を実装して電子冷却部で冷却される第１配線基板と、第１配線基板から離隔した第２配線基板とを備える。第２配線基板には複数のリードピンが接合され、第１配線基板及び第２配線基板はワイヤボンディングされている。リードピンの第２配線基板への接合と第１配線基板及び第２配線基板の間のワイヤボンディングとにより、半導体放射線検出素子が外部に接続される。

また、本発明においては、放射線検出器は、第１配線基板の面を含む平面よりも離隔して、当該平面に対して半導体放射線検出素子とは反対側に第２配線基板を配置してある。半導体放射線検出素子が他の部分よりも測定対象物へ近づいた構成となっている。

また、本発明においては、第２配線基板の一面に複数のリードピンの先端が電気的・物理的に接合されている。接合の作業が容易であり、複数のリードピンが第２配線基板に固定される。

また、本発明においては、第１配線基板から離隔した第２配線基板がキャパシタを搭載することにより、システムピークの原因になり得るキャパシタが半導体放射線検出素子から離隔される。

本発明にあっては、従来よりも接続の作業が容易であり、生産性及び信頼性の高い放射線検出器が実現される。また、放射線検出器の小型化が可能であり、放射線の測定対象へ放射線検出器を近づけて放射線の検出効率を向上させることができる等、本発明は優れた効果を奏する。

蛍光Ｘ線分析装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る放射線検出器の模式的斜視図である。実施の形態１に係る放射線検出器の模式的分解斜視図である。カバーを外した実施の形態１に係る放射線検出器の模式的正面図である。カバーを外した実施の形態１に係る放射線検出器の模式的平面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線の模式的断面図である。カバーを外した実施の形態２に係る放射線検出器の模式的平面図である。実施の形態２に係る放射線検出器の模式的分解正面図である。カバーを外した実施の形態３に係る放射線検出器の模式的平面図である。実施の形態３に係る放射線検出器の模式的分解正面図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、蛍光Ｘ線分析装置の構成を示すブロック図である。蛍光Ｘ線分析装置は、試料ＳにＸ線を照射するＸ線源１２と、試料Ｓが載置される試料台１３と、本実施の形態に係る放射線検出器１１とを備えている。図１中には、試料台１３及び試料Ｓの断面を示している。Ｘ線源１２、試料台１３及び放射線検出器１１は、Ｘ線を遮断するための図示しない筐体内に配置されている。Ｘ線源１２は例えばＸ線管である。Ｘ線源１２から試料ＳへＸ線が照射され、試料Ｓでは蛍光Ｘ線が発生し、放射線検出器１１は試料Ｓから発生した蛍光Ｘ線を検出する。図１中には、Ｘ線源１２から試料Ｓへ照射されるＸ線、及び試料Ｓで発生して放射線検出器１１に検出される蛍光Ｘ線を矢印で示している。放射線検出器１１は、検出した蛍光Ｘ線のエネルギーに比例した信号を出力する。放射線検出器１１には、出力した信号を処理する信号処理部１４が接続されている。信号処理部１４は、放射線検出器１１が出力した各値の信号をカウントし、蛍光Ｘ線のエネルギーとカウント数との関係、即ち蛍光Ｘ線のスペクトルを取得する処理を行う。放射線検出器１１及び信号処理部１４の組み合わせは、本発明における放射線検出装置に対応する。蛍光Ｘ線分析装置は、本発明におけるＸ線分析装置に対応し、放射線検出装置は特性Ｘ線として蛍光Ｘ線を検出する。信号処理部１４は、分析部１５に接続されている。分析部１５は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータで構成されており、信号処理部１４が生成した蛍光Ｘ線のスペクトルに基づき、試料Ｓの組成の定性分析又は定量分析を実行する。

図２は、実施の形態１に係る放射線検出器１１の模式的斜視図であり、図３は、実施の形態１に係る放射線検出器１１の模式的分解斜視図である。放射線検出器１１の大部分の部品は、円盤状のステムベース２１の表面側に設けられている。ステムベース２１は、放射線検出器１１の基礎となる部材であり、金属で形成されている。ステムベース２１の表面には、ペルチェ素子（電子冷却部）５が配置され、ペルチェ素子５には第１配線基板４１が接触している。第１配線基板４１の表面には半導体放射線検出素子４４が実装されており、半導体放射線検出素子４４の表面にはコリメータ４５が配置されている。半導体放射線検出素子４４は、例えばＳＤＤである。また、ペルチェ素子５には接触しない位置に、第２配線基板４２が配置されている。ステムベース２１の裏側には、ボルト２２が突出している。ボルト２２には、図示しないねじ溝が形成されており、放射線検出器１１を固定するために利用される。例えば、ボルト２２は、放射線検出器１１外の放熱板に連結される。また、ステムベース２１を貫通して、電力の供給及び信号の入出力のための複数のリードピン２３が設けられている。

ステムベース２１の表面側には、カバー３１が被さっている。ステムベース２１の表面、リードピン２３のステムベース２１の表面側に突出した部分、ペルチェ素子５、第１配線基板４１、第２配線基板４２、半導体放射線検出素子４４及びコリメータ４５は、カバー３１に覆われている。カバー３１は、円筒の一端に切頭円錐が連結した形状になっており、円筒の他端はステムベース２１に接触して密封されている。カバー３１の先端の切頭部分には、ベリリウム等のＸ線を通過させる材料で形成された窓部３２が設けられている。窓部３２は、放射線検出器１１及びコリメータ４５に対向している。カバー３１の内側は、密閉されており、減圧されているか、又は不活性ガスが充填されている。

図４は、カバー３１を外した実施の形態１に係る放射線検出器１１の模式的正面図、図５は、カバー３１を外した実施の形態１に係る放射線検出器１１の模式的平面図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線の模式的断面図である。ステムベース２１の表面には、ペルチェ素子５の放熱部分５２が熱的接触している。例えば、放熱部分５２は、はんだ等の熱伝導性接着剤でステムベース２１の表面に接合されている。ステムベース２１の表面と放熱部分５２との間には、その他の伝熱性部材が設けられてあってもよい。ペルチェ素子５の吸熱部分５１には、第１配線基板４１の裏面が熱的接触している。例えば、第１配線基板４１の裏面は、吸熱部分５１に熱伝導線接着剤で接着されている。第１配線基板４１の裏面と吸熱部分５１との間には、その他の伝熱性部材が設けられてあってもよい。第１配線基板４１は、ステムベース２１の表面にほぼ平行になっている。

第１配線基板４１の表面には、半導体放射線検出素子４４が実装されている。第１配線基板４１には、半導体放射線検出素子４４以外の部品の内、冷却が必要な部品が設けられている。例えば、プリアンプが第１配線基板４１に設けられている。半導体放射線検出素子４４は、第１配線基板４１を通じて、ペルチェ素子５によって冷却される。熱はペルチェ素子５の放熱部分５２からステムベース２１へ伝わり、ステムベース２１を通じてボルト２２から外部へ放熱される。半導体放射線検出素子４４の表面に配置されたコリメータ４５には、貫通孔が形成されている。窓部３２を通過した蛍光Ｘ線は、コリメータ４５の貫通孔を通って半導体放射線検出素子４４へ入射する。

ペルチェ素子５の周囲には、ペルチェ素子５から離隔して、ステムベース２１を貫通した複数のリードピン２３が立設されている。複数のリードピン２３は、ほぼ平行になっており、ステムベース２１からは電気的・熱的に絶縁されている。また、ペルチェ素子５を囲むように、平面視で環状の第２配線基板４２が配置されている。第２配線基板４２は、表面に平行な方向にペルチェ素子５及び第１配線基板４１から離隔しており、第１配線基板４１の表面に直行する方向に重ならない位置に配置されている。ペルチェ素子５から離隔しているので、第２配線基板４２はペルチェ素子５によって冷却されない。第２配線基板４２には、冷却の必要が無い部品が設けられている。例えば、静電気対策用のキャパシタが第２配線基板４２に設けられている。また、図４及び図６に示すように、第２配線基板４２は第１配線基板４１よりもステムベース２１の表面に近い位置に配置されており、第１配線基板４１はステムベース２１の表面から第２配線基板４２よりも突出している。このため、第１配線基板４１と第２配線基板４２との位置関係は、第１配線基板４１の表面を含む平面から第２配線基板４２が離隔しており、第１配線基板４１の表面を含む平面を境にして第２配線基板４２と半導体放射線検出素子４４とが互いに反対側に配置された位置関係となっている。

第２配線基板４２には、複数のリードピン２３が接合されている。より詳しくは、第２配線基板４２に形成された配線とリードピン２３とが導通できるように、はんだ付け等の方法により、複数のリードピン２３の先端が第２配線基板４２の裏面に接合している。このようにして、複数のリードピン２３が第２配線基板４２に物理的に連結されると共に、複数のリードピン２３及び第２配線基板４２が電気的に接続されている。なお、複数のリードピン２３は、先端が第２配線基板４２を突き抜けるようにして第２配線基板４２に接合されていてもよい。

また、第１配線基板４１と第２配線基板４２との間は、複数のワイヤ４３を介したワイヤボンディング等により接続されている。このため、半導体放射線検出素子４４は、第１配線基板４１、複数のワイヤ４３、及び第２配線基板４２を通じて、複数のリードピン２３に接続されている。複数のリードピン２３は、放射線検出器１１外の図示しない電源及び信号処理部１４等に接続されている。半導体放射線検出素子４４には、複数のリードピン２３を介して、動作に必要な電圧が放射線検出器１１外から印加される。また、半導体放射線検出素子４４は、入射した蛍光Ｘ線のエネルギーに応じた信号を出力する。半導体放射線検出素子４４が出力した信号は、第１配線基板４１に実装されたプリアンプによって増幅され、複数のリードピン２３から信号処理部１４へ出力される。

また、ステムベース２１の表面には、ゲッター４６が設けられている。ゲッター４６は、二つのリードピン２３に接続されている。ゲッター４６は、リードピン２３を通じて電流を供給された場合に、カバー３１に密封された気体に含まれる水分などの不純物ガスを吸着させる。ゲッター４６が気体中の不純物を吸着させるので、ペルチェ素子５によって効率的に半導体放射線検出素子４４が冷却される。

以上詳述した如く、本実施の形態においては、放射線検出器１１は、半導体放射線検出素子４４を実装してペルチェ素子５で冷却される第１配線基板４１と、第１配線基板４１から離隔した第２配線基板４２とを備える。第２配線基板４２には複数のリードピン２３が接合されており、第１配線基板４１及び第２配線基板４２はワイヤボンディングされている。複数のリードピン２３と第２配線基板４２との接合による接続、並びに第１配線基板４１と第２配線基板４２とのワイヤボンディングは、従来のリードピンの先端へのワイヤボンディングに比べて、接続の作業が容易であり、生産性が高い。また、複数のリードピン２３が接合した第２配線基板４２に対してワイヤボンディングを行うので、個々のリードピンに対してワイヤボンディングを行う従来の技術に比べて、ワイヤボンディングの作業の際に超音波の逃げが無く、信頼性の高い接続が可能となる。また、冷却の必要が無い部品を実装した第２配線基板４２を第１配線基板４１とは別に設けたので、半導体放射線検出素子４４を含む冷却が必要な部品を設けた第１配線基板４１を集中してペルチェ素子５で冷却することができ、ペルチェ素子５を小型化することも可能となる。第２配線基板４２に冷却の必要が無い多くの部品を搭載することが可能である一方で、第１配線基板４１は従来の配線基板よりも小さく、ペルチェ素子５を小型化することもできるので、従来よりも放射線検出器１１を小型化することが可能となる。放射線検出器１１が小型化したことで、放射線検出器１１を試料Ｓへ従来よりも近づけることが可能となり、放射線検出装置での放射線の検出効率が向上し、蛍光Ｘ線分析装置での分析の精度が向上する。

また、本実施の形態においては、第１配線基板４１は、ステムベース２１の表面から第２配線基板４２よりも突出して配置されている。第１配線基板４１と第２配線基板４２とを分離してあるので、第１配線基板４１を突出させることが可能である。半導体放射線検出素子４４を含む最小限の部品を設けた第１配線基板４１を突出させることで、半導体放射線検出素子４４をほとんどの他の部分よりも突出させて、半導体放射線検出素子４４がより試料Ｓに近づくような構成とすることができる。半導体放射線検出素子４４が試料Ｓに近づくことにより、放射線検出装置での放射線の検出効率が向上し、蛍光Ｘ線分析装置での分析の精度が向上する。また、本実施の形態においては、キャパシタ等の冷却の必要が無い部品を実装した第２配線基板４２が第１配線基板４１から離隔されているので、第２配線基板４２自体又は第２配線基板４２に実装された部品で発生した蛍光Ｘ線が半導体放射線検出素子４４へ入射してシステムピークが発生する可能性が低下する。このため、高い精度での蛍光Ｘ線の検出が可能である。

（実施の形態２）
図７は、カバー３１を外した実施の形態２に係る放射線検出器１１の模式的平面図、図８は、実施の形態２に係る放射線検出器１１の模式的分解正面図である。ステムベース２１は、方形平板状になっている。ステムベース２１の表面にペルチェ素子５の放熱部分５２が熱的接触し、半導体放射線検出素子４４を実装した第１配線基板４１がペルチェ素子５の吸熱部分５１に熱的接触している。第２配線基板４２は、平面視でＵ字状に形成されており、平面視で第１配線基板４１の三方を囲う位置に配置されている。ペルチェ素子５の周囲には、ステムベース２１を貫通した複数のリードピン２３が立設されており、複数のリードピン２３が第２配線基板４２に接合している。第１配線基板４１と第２配線基板４２との間は、複数のワイヤ４３を介してワイヤボンディングされている。平面視で第１配線基板４１の周囲の内、第２配線基板４２に囲われていない部分には、ゲッター４６が配置されている。ゲッター４６は、二つのリードピン２３に接続されている。ステムベース２１の表面、リードピン２３のステムベース２１の表面側に突出した部分、ペルチェ素子５、第１配線基板４１、第２配線基板４２、半導体放射線検出素子４４、コリメータ４５及びゲッター４６は、カバー３１に覆われている。カバー３１は、四角筒の一端に切頭四角錐が連結した形状になっており、四角筒の他端はステムベース２１に接触して密封されている。カバー３１の先端には、窓部３２が設けられている。

本実施の形態においても、第２配線基板４２には複数のリードピン２３が接合されており、第１配線基板４１及び第２配線基板４２はワイヤボンディングされている。このため、実施の形態１と同様に、従来に比べて、ワイヤボンディングのための作業が容易であり、生産性が高く、また、接続の信頼性が高い。また、同様に、従来よりも放射線検出器１１を小型化することが可能となる。

（実施の形態３）
図９は、カバー３１を外した実施の形態３に係る放射線検出器１１の模式的平面図、図１０は、実施の形態３に係る放射線検出器１１の模式的分解正面図である。ステムベース２１は、平面視で長方形の平板状になっている。第２配線基板４２は平面視で矩形に形成されており、第１配線基板４１及び第２配線基板４２は、平面視でステムベース２１の長手方向に並んで配置されている。ステムベース２１の表面の一部にペルチェ素子５の放熱部分５２が熱的接触し、半導体放射線検出素子４４を実装した第１配線基板４１がペルチェ素子５の吸熱部分５１に熱的接触している。ステムベース２１を貫通した複数のリードピン２３がステムベース２１の長手方向に複数列で並んで立設されており、複数のリードピン２３が第２配線基板４２に接合されている。第１配線基板４１と第２配線基板４２との間は、複数のワイヤ４３を介してワイヤボンディングされている。第１配線基板４１は、ステムベース２１の表面から第２配線基板４２よりも突出している。ステムベース２１の表面の内、平面視で第２配線基板４２の隣に位置する部分には、ゲッター４６が配置されている。ゲッター４６は、二つのリードピン２３に接続されている。ステムベース２１の表面、リードピン２３のステムベース２１の表面側に突出した部分、ペルチェ素子５、第１配線基板４１、第２配線基板４２、半導体放射線検出素子４４、コリメータ４５及びゲッター４６は、カバー３１に覆われている。カバー３１の端はステムベース２１に接触して密封されている。カバー３１の第１配線基板４１に対向する部分は、切頭錐状になっており、先端に窓部３２が設けられている。

本実施の形態においても、第２配線基板４２には複数のリードピン２３が接合されており、第１配線基板４１及び第２配線基板４２はワイヤボンディングされている。このため、実施の形態１と同様に、従来に比べて、ワイヤボンディングのための作業が容易であり、生産性が高く、また、接続の信頼性が高い。また、同様に、半導体放射線検出素子４４がより試料Ｓに近づくような構成とすることができる。

なお、以上の実施の形態１〜３においては、電子冷却部が単一のペルチェ素子５で構成された例を示したが、放射線検出器１１は、複数のペルチェ素子を含んだ電子冷却部を備えた形態であってもよい。また、実施の形態１〜３においては、放射線検出装置が蛍光Ｘ線分析装置に内蔵された形態を示したが、放射線検出装置は蛍光Ｘ線分析装置の他の部分から分離した形態であってもよい。また、実施の形態１〜３においては、Ｘ線分析装置が蛍光Ｘ線分析装置である形態を示したが、Ｘ線分析装置は、電子線等のＸ線以外の放射線を試料へ照射し、試料から発生する特性Ｘ線を放射線検出装置で検出する形態であってもよい。また、実施の形態１〜３においては、放射線検出装置がＸ線を検出する形態を示したが、放射線検出装置は、Ｘ線以外の放射線を検出する形態であってもよい。

１１放射線検出器
１２Ｘ線源
１４信号処理部
２１ステムベース
２３リードピン
３１カバー
４１第１配線基板
４２第２配線基板
４３ワイヤ
４４半導体放射線検出素子
４６ゲッター
５ペルチェ素子（電子冷却部）
５１吸熱部分
５２放熱部分

Claims

半導体放射線検出素子と、該半導体放射線検出素子を冷却するための電子冷却部と、前記半導体放射線検出素子を外部と接続するための複数のリードピンとを備える放射線検出器において、
前記半導体放射線検出素子を実装しており、前記電子冷却部の吸熱側に熱的接触している第１配線基板と、
前記電子冷却部に熱的接触しておらず、前記第１配線基板から離隔した第２配線基板とを備え、
前記第２配線基板に前記複数のリードピンが接合しており、
前記第１配線基板及び前記第２配線基板は電気的に接続されていること
を特徴とする放射線検出器。
前記第２配線基板は、前記第１配線基板の面を含む平面から離隔しており、前記平面を境にして前記半導体放射線検出素子とは反対側に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
前記第２配線基板の一面に前記複数のリードピンの先端が接合していること
を特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出器。
前記第２配線基板はキャパシタを搭載してあること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の放射線検出器。
検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する請求項１乃至４の何れか一つに記載の放射線検出器と、
該放射線検出器が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成する手段と
を備えることを特徴とする放射線検出装置。
試料へ放射線を照射する手段と、
試料から発生した特性Ｘ線を検出する請求項５に記載の放射線検出装置と
を備えることを特徴とするＸ線分析装置。