JP6558676B2 - Radiation detection element and radiation detection apparatus - Google Patents

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Description

この発明は、耐放射線強度が高い放射線検出素子及び放射線検出装置に関する。   The present invention relates to a radiation detecting element and a radiation detecting apparatus having high radiation resistance.

放射線は、医療、工業、農業など様々な分野で広く使用されるようになったほか、原子力発電所のような苛酷な放射線環境も存在し、安全性の確保あるいは事故対策のためには放射線検出器によって環境中の放射線情報を知る必要がある。   In addition to the widespread use of radiation in various fields such as medicine, industry, and agriculture, there are harsh radiation environments such as nuclear power plants, and radiation detection is necessary to ensure safety or to prevent accidents. It is necessary to know the radiation information in the environment by the vessel.

放射線検出器には放射線の電離作用を利用するものや放射線による発光作用を利用するものなどいくつかの方式があり、放射線によって発光する物質(シンチレータ)と光検出器(光センサ)を組み合わせたシンチレーション検出器も広く使用されている。多くの場合シンチレータの発光波長は可視光で、光検出器には光電子増倍管あるいは半導体フォトダイオードが使用されている。しかし、光電子増倍管は高い電圧が必要なほかその大きさを小さくしにくく、壊れやすいため取り扱いに難点がある。また、半導体フォトダイオードも感度を上げるため高い電圧で使用される。   There are several types of radiation detectors, such as those that use the ionizing action of radiation and those that use the luminescence action of radiation. Scintillation that combines a substance that emits radiation (scintillator) with a photodetector (light sensor). Detectors are also widely used. In many cases, the emission wavelength of the scintillator is visible light, and a photomultiplier tube or a semiconductor photodiode is used for the photodetector. However, the photomultiplier tube requires a high voltage, and it is difficult to reduce the size of the photomultiplier tube. Semiconductor photodiodes are also used at high voltages to increase sensitivity.

現在使用されているシンチレーション検出器の代表的なものは、タリウム(Tl)をドーピングしたヨウ化ナトリウム(NaI:Tl)シンチレータと光電子増倍管や半導体フォトダイオードと組み合わせたものである。NaI:Tlシンチレータは感度が高いものの潮解性があり取り扱いが難しいほか、耐放射線強度が低い。このため、小型軽量で取り扱いが容易で耐放射線強度が高いシンチレーション検出器が要求されている。   A typical scintillation detector currently used is a combination of a sodium iodide (NaI: Tl) scintillator doped with thallium (Tl), a photomultiplier tube and a semiconductor photodiode. NaI: Tl scintillators have high sensitivity but are deliquescent and difficult to handle and have low radiation resistance. For this reason, there is a demand for a scintillation detector that is small, light, easy to handle, and high in radiation resistance.

また、セリウム(Ce)をドーピングしたイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト(YAP:Ce)は、NaI:Tlに比べ感度は40%程度であるが、潮解性がなく耐放射線強度が10倍もあるので放射線検出器のシンチレータとして優れていると考えられる。 Also, yttrium aluminum perovskite (YAP: Ce) doped with cerium (Ce) has a sensitivity of about 40% compared to NaI: Tl, but has no deliquescence and has a radiation resistance strength of 10 3 times. It is considered excellent as a scintillator for detectors.

しかし、YAP:Ceシンチレータの発光波長は他の材料と異なって紫外線領域にあり、370−340nm(ナノメートル)付近にピークを持つ。そのため、このような発光波長を効率よく検出する光センサが必要である(非特許文献1参照)。   However, the emission wavelength of the YAP: Ce scintillator is in the ultraviolet region unlike other materials, and has a peak near 370-340 nm (nanometers). Therefore, an optical sensor that efficiently detects such a light emission wavelength is required (see Non-Patent Document 1).

また、耐放射線強度の大きな放射線検出器を実現するためには、耐放射線強度の大きなシンチレータと共に耐放射線強度の大きい光センサが必要である。   Further, in order to realize a radiation detector having a high radiation resistance, an optical sensor having a high radiation resistance is required together with a scintillator having a high radiation resistance.

酸化亜鉛はバンドギャップが室温で3.37eV(電子ボルト)のいわゆるワイドバンドギャップ半導体であるため本質的に可視光に感度がなく、およそ370nmから短波長領域の紫外線に感度を持つ。このため紫外線センサに最適な材料の1つである。酸化亜鉛を用いた紫外線センサはこれまでにも研究がなされ、特許文献1から4および非特許文献2に記されている。   Zinc oxide is a so-called wide band gap semiconductor having a band gap of 3.37 eV (electron volt) at room temperature, and therefore is essentially insensitive to visible light, and sensitive to ultraviolet light in the short wavelength region from about 370 nm. For this reason, it is one of the most suitable materials for an ultraviolet sensor. Ultraviolet sensors using zinc oxide have been studied so far and are described in Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Document 2.

これら酸化亜鉛を用いた紫外線センサの方式は、光導電型(特許文献1及び特許文献2参照)およびショットキー型(特許文献3及び特許文献4参照)に分類できる。ショットキー型は感度は小さいが応答時間が速いため、高速応答が求められる用途の紫外線センサに適している。一方、光導電型は感度が大きいが時間応答が遅いため、高感度な検出が求められる用途での紫外線センサに適している。また、光導電型はショットキー型に比べ、原理的に耐放射線強度、耐紫外線強度が高い。さらに光導電型は一対のオーミック電極を配置した構造のため、ショットキー接触を必要とするショットキー型に比べ、製作が容易である。   The ultraviolet sensor system using zinc oxide can be classified into a photoconductive type (see Patent Document 1 and Patent Document 2) and a Schottky type (see Patent Document 3 and Patent Document 4). The Schottky type has low sensitivity but has a fast response time, and is therefore suitable for an ultraviolet sensor for applications requiring a high-speed response. On the other hand, the photoconductive type has high sensitivity but has a slow time response, and is therefore suitable for an ultraviolet sensor in applications where high sensitivity detection is required. The photoconductive type is in principle higher in radiation resistance and ultraviolet resistance than the Schottky type. Further, since the photoconductive type has a structure in which a pair of ohmic electrodes are arranged, it is easier to manufacture than the Schottky type that requires Schottky contact.

紫外線発光シンチレータと光センサ素子の組み合わせによる放射線検出器はいくつか提案されている(特許文献5、特許文献6及び特許文献7参照)。これらの提案では光検出器としてPINダイオード(特許文献5)、ホトマル(光電子増倍管)及びフォトダイオード(特許文献7)、ガイガーモードのAPD(アバランシェフォトダイオード)(特許文献6)が使用されている。しかしこれらの素子は、小型堅牢、低い動作電圧、高感度、特性の安定性、耐放射線強度などの条件をすべて満たすには不安がある。   Several radiation detectors using a combination of an ultraviolet light emitting scintillator and an optical sensor element have been proposed (see Patent Document 5, Patent Document 6, and Patent Document 7). In these proposals, a PIN diode (Patent Document 5), a photomultiplier tube and a photodiode (Patent Document 7), and a Geiger mode APD (avalanche photodiode) (Patent Document 6) are used as photodetectors. Yes. However, these elements are uneasy to satisfy all the conditions such as small size and robustness, low operating voltage, high sensitivity, characteristic stability, and radiation resistance.

また、前述したように、酸化亜鉛はYAP:Ceシンチレータの発光波長領域に感度を持つ一方、窒化ガリウム(GaN)などの同じ紫外線領域に感度を持つ半導体に比べ、耐放射線強度が10倍以上大きいといわれている。   In addition, as described above, zinc oxide is sensitive to the emission wavelength region of YAP: Ce scintillator, but has a radiation resistance strength that is 10 times greater than that of a semiconductor sensitive to the same ultraviolet region such as gallium nitride (GaN). It is said that.

特開2006−278487号公報JP 2006-278487 A 特開平3−241777号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-241777 特開2007−201393号公報JP 2007-201393 A 特開2012−146705号公報JP 2012-146705 A 特開2008−24739号公報JP 2008-24739 A 特開2010−122166号公報JP 2010-122166 A 特開2012−149223号公報JP 2012-149223 A

“YAP:Ce (Yttrium Aluminum Perovskit, Ce+doped) crystals”、[online]、PROTEUS Inc.、[平成25年12月16日検索]、インターネット<URL:http://www.apace-science.com/proteus/yap.htm>“YAP: Ce (Yttrium Aluminum Perovskit, Ce + doped) crystals”, [online], PROTEUS Inc., [December 16, 2013 search], Internet <URL: http://www.apace-science.com /proteus/yap.htm> Jian Zhong and Yicheng Lu, ed. by C. W. Litton et al., “Zinc Oxide Materials for Electronic and Optoelectronic Device Applications (Chapter 11) ZnO-Based Ultraviolet Detectors”, John Wiley & Sons Ltd., 2011, pp.285-329Jian Zhong and Yicheng Lu, ed. By C. W. Litton et al., “Zinc Oxide Materials for Electronic and Optoelectronic Device Applications (Chapter 11) ZnO-Based Ultraviolet Detectors”, John Wiley & Sons Ltd., 2011, pp.285-329

以上の背景から、小型軽量で取り扱いが容易且つ耐放射線強度の高い高感度な放射線検出器が必要とされている。
この発明は、小型軽量、取り扱いが容易で耐放射線強度が高い放射線検出装置の提供を目的とする。
In view of the above background, there is a need for a highly sensitive radiation detector that is small, light, easy to handle, and high in radiation resistance.
An object of the present invention is to provide a radiation detection apparatus that is small and light, easy to handle, and high in radiation resistance.

この発明は、上記目的を達成するため、酸化亜鉛系材料の表面に所定の間隔をあけて形成した1対の電極を有する光導電型紫外線検出素子と放射線により紫外線を発光する発光物質との組み合わせを備える放射線検出素子であって、上記放射線により紫外線を発光する発光物質がセリウムドープのイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイトである放射線検出素子及び、このような放射線検出素子を備えた放射線検出装置を提供する。
上記組み合わせは、放射線により酸化亜鉛系材料が感度を持つ領域の紫外線を発光する物質(例えばYAP:Ceシンチレータ)と酸化亜鉛系紫外線センサの組み合わせとするとよい。
In order to achieve the above object, the present invention is a combination of a photoconductive ultraviolet detecting element having a pair of electrodes formed on the surface of a zinc oxide-based material at a predetermined interval and a luminescent substance that emits ultraviolet rays by radiation. There are provided a radiation detection element comprising: a radiation detection element in which a luminescent substance that emits ultraviolet rays by radiation is cerium-doped yttrium aluminum perovskite; and a radiation detection apparatus including such a radiation detection element.
The combination is preferably a combination of a substance that emits ultraviolet rays in a region where the zinc oxide-based material is sensitive to radiation (for example, YAP: Ce scintillator) and a zinc oxide-based ultraviolet sensor.

また、YAP:Ceシンチレータなどの弱い発光も検出するために、紫外線センサの形式は感度が高い光導電型とするとよい。光導電型センサは、光電流の流れる方向が光あるいは放射線の入射方向と直角なので、その構造上、ショットキー型やpn接合型のフォトダイオードに比べると放射線耐性が高いと考えられる。ショットキー型やpn接合型のフォトダイオードでは、広い金属−半導体の接触面あるいはpn接合面の一箇所でも導通が生じれば、使用不能になる。特に高い逆方向バイアス下で使用される場合には影響が大きい。   Further, in order to detect weak light emission such as YAP: Ce scintillator, the type of the ultraviolet sensor is preferably a photoconductive type with high sensitivity. The photoconductive sensor has a radiation resistance higher than that of a Schottky-type or pn-junction type photodiode because its photocurrent flow direction is perpendicular to the incident direction of light or radiation. A Schottky-type or pn junction type photodiode cannot be used if conduction occurs even at one location on a wide metal-semiconductor contact surface or pn junction surface. The effect is particularly large when used under a high reverse bias.

このように、耐放射線強度が高いYAP:Ceのようなシンチレータと、耐放射線強度が高い酸化亜鉛系材料を使用した構造的に耐放射線強度が高いと考えられる光導電型紫外線センサを組み合わせることによって、小型軽量、構造簡単、取り扱いが容易で耐放射線強度が高い放射線検出器を提供することができる。   In this way, by combining a scintillator such as YAP: Ce with high radiation resistance and a photoconductive ultraviolet sensor that is structurally considered to have high radiation resistance using a zinc oxide-based material with high radiation resistance. Therefore, it is possible to provide a radiation detector that is small, light, simple in structure, easy to handle and high in radiation resistance.

また、この発明は、素子あるいは装置として実現する他、方法、システム等、他の任意の形態で実現することができる。   Further, the present invention can be realized in any other form such as a method, a system, etc., in addition to being realized as an element or an apparatus.

この発明によれば、小型軽量、構造簡単、取り扱いが容易で耐放射線強度が高い放射線検出器を容易に作製でき、使用目的に応じた素子形状あるいは複数個の素子の組み合わせなども簡単に実現可能となる。酸化亜鉛系紫外線センサは可視光に感度を持たないので、可視光吸収フィルタ無しで明るい室内で使用できる。また、光導電型紫外線検出素子はpn接合型やショットキー型のフォトダイオードに比べて発生する電流レベルが高いので外部擾乱の影響をあまり受けない。そのため、検出素子部分で直ちに信号を増幅する必要もなく、電子回路を簡単にできる。   According to the present invention, a radiation detector having a small size and light weight, simple structure, easy handling, and high radiation resistance can be easily manufactured, and an element shape or a combination of a plurality of elements can be easily realized according to the purpose of use. It becomes. Since the zinc oxide-based ultraviolet sensor has no sensitivity to visible light, it can be used in a bright room without a visible light absorption filter. In addition, the photoconductive ultraviolet detection element is less affected by external disturbance because it has a higher current level than a pn junction or Schottky photodiode. Therefore, it is not necessary to amplify the signal immediately at the detection element portion, and the electronic circuit can be simplified.

この発明による放射線検出素子の一実施形態の構成を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the radiation detection element by this invention. 放射線検出素子の別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of a radiation detection element. 放射線検出素子のさらに別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of a radiation detection element. 図1に示した放射線検出素子を備える放射線検出装置の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of embodiment of a radiation detection apparatus provided with the radiation detection element shown in FIG. 放射線検出装置の別の実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another embodiment of a radiation detection apparatus. 本発明の放射線検出素子の具体的実施例の構造概略を示す図である。It is a figure which shows the structure outline of the specific Example of the radiation detection element of this invention. 図4の実施例で使用したYAP:CeシンチレータのX線照射による発光スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the emission spectrum by X-ray irradiation of the YAP: Ce scintillator used in the Example of FIG. 図4の実施例で使用したYAP:Ceシンチレータにおける、X線管入力電力(X線強度)とYAP:Ceシンチレータの発光強度の関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the X-ray tube input power (X-ray intensity) and the emission intensity of the YAP: Ce scintillator in the YAP: Ce scintillator used in the example of FIG. 4. 図4の実施例で使用した紫外線センサの光電流のスペクトル特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral characteristic of the photocurrent of the ultraviolet sensor used in the Example of FIG. 図4の実施例で得られた、光電流と照射X線強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a photocurrent and irradiation X-ray intensity which were obtained in the Example of FIG. 図4の実施例で使用したYAP:Ceシンチレータの発光スペクトルと紫外線センサの光電流スペクトルを重ね合わせて示す図である。It is a figure which superimposes and shows the emission spectrum of the YAP: Ce scintillator used in the Example of FIG. 4, and the photocurrent spectrum of an ultraviolet sensor.

以下この発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1は、この発明による放射線検出素子の一実施形態の構成を示す模式的な断面図である。この放射線検出素子1は、放射線によって紫外線を発光する発光物質であるシンチレータ11とその発光を受けて光電流を発生する光導電型紫外線検出素子である紫外線センサ13とを備える。シンチレータ11は例えばセリウムドープのイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト(YAP:Ce)などで、発光波長は紫外線領域にある。紫外線センサ13は酸化亜鉛系単結晶あるいは薄膜を使用する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a radiation detection element according to the present invention. The radiation detection element 1 includes a scintillator 11 that is a light-emitting substance that emits ultraviolet rays by radiation, and an ultraviolet sensor 13 that is a photoconductive ultraviolet detection element that receives the light emission to generate a photocurrent. The scintillator 11 is, for example, cerium-doped yttrium / aluminum / perovskite (YAP: Ce), and the emission wavelength is in the ultraviolet region. The ultraviolet sensor 13 uses a zinc oxide single crystal or a thin film.

シンチレータ11をYAP:Ceにより構成する場合は、シンチレータ11による発光の自己吸収がほとんどないので、放射線を十分吸収する厚さを利用できる。
また、YAP:Ceの放射線入射側表面には、内部で発光した紫外線を反射して紫外線センサに向けるための反射手段として反射膜12を付けるのが良い。
When the scintillator 11 is composed of YAP: Ce, there is almost no self-absorption of light emission by the scintillator 11, so that a thickness that sufficiently absorbs radiation can be used.
Further, a reflection film 12 is preferably attached to the radiation incident side surface of YAP: Ce as a reflection means for reflecting the ultraviolet light emitted inside and directing it toward the ultraviolet sensor.

紫外線センサ13は酸化亜鉛系単結晶基板14(酸化亜鉛系単結晶薄膜でもよいが、ここでは基板として説明する)の表面に所定の間隔を持つ電極15を形成して作製する。電極の一方が+、他方が−端子となる。電極の形状は自由で、YAP:Ceの発光を効率よく受光できる形状が良い。   The ultraviolet sensor 13 is manufactured by forming electrodes 15 having a predetermined interval on the surface of a zinc oxide single crystal substrate 14 (which may be a zinc oxide single crystal thin film, but will be described here as a substrate). One of the electrodes is a + and the other is a-terminal. The shape of the electrode is arbitrary, and a shape capable of efficiently receiving YAP: Ce light emission is preferable.

電極間の間隔の大きさはセンサの特性と密接に関係するので、使用目的に応じて十分検討する必要がある。光導電素子の利得(G)は、G=τμV/lにより得られる。ここで、Gは光導電素子の利得、τはキャリアの寿命、Vは電極間に加える電圧、lは電極間の間隔である。
電極間の間隔が小さいと得られるGは大きくなるが、0.01mmよりも小さくなると電界強度が大きくなり、電極材料のマイグレーションが生じる恐れがあるほか、暗電流も増加するため、0.01mmよりも大きいほうがよい。また、電極間の間隔が大きいと得られるGは小さくなるため、大きくとも1.0mm以下であるとよい。
Since the size of the distance between the electrodes is closely related to the characteristics of the sensor, it is necessary to fully examine it according to the purpose of use. The gain (G) of the photoconductive element is obtained by G = τμV / l 2 . Here, G is the gain of the photoconductive element, τ is the carrier lifetime, V is the voltage applied between the electrodes, and l is the distance between the electrodes.
If the distance between the electrodes is small, the obtained G will be large. However, if the distance is smaller than 0.01 mm, the electric field strength will increase, and migration of the electrode material may occur, and dark current will also increase. Is better. Moreover, since G obtained when the space | interval between electrodes is large becomes small, it is good that it is 1.0 mm or less at most.

電極材料は、酸化亜鉛系材料とオーミック接触するものが良く、n形の酸化亜鉛系材料ではAl,ITO(酸化インジウムスズ),In,Ga,Znなどやこれらの合金でも良い。電極の付着は、真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリングなどで行われる。   The electrode material is preferably in ohmic contact with the zinc oxide-based material. For the n-type zinc oxide-based material, Al, ITO (indium tin oxide), In, Ga, Zn, or an alloy thereof may be used. The electrode is attached by vacuum deposition, electron beam deposition, sputtering, or the like.

酸化亜鉛系単結晶基板14に用いる酸化亜鉛系単結晶は、欠陥が少なく移動度の高い高品質のものが望ましい。特に抵抗率に関しては、暗電流を低くするために暗抵抗率の高いものが良い。暗抵抗率は10Ω・cm以上であることが望ましく、結晶では10Ω・cm以上、薄膜では10Ω・cm以上のものがより望ましい。酸化亜鉛は通常n形であるので、リチウム(Li)や銅(Cu)などのI族元素や窒素(N)やリン(P)などのV族元素をアクセプタ不純物としてドーピングすることによって抵抗率を調整できる。特にNは酸化亜鉛中の酸素(O)と原子半径が近く、ドーピングに適していると考えられる。 The zinc oxide single crystal used for the zinc oxide single crystal substrate 14 is desirably a high quality with few defects and high mobility. In particular, the resistivity is preferably high in order to reduce the dark current. The dark resistivity is preferably 10 4 Ω · cm or more, more preferably 10 8 Ω · cm or more for crystals and 10 6 Ω · cm or more for thin films. Since zinc oxide is usually n-type, resistivity can be increased by doping group I elements such as lithium (Li) and copper (Cu) and group V elements such as nitrogen (N) and phosphorus (P) as acceptor impurities. Can be adjusted. In particular, N has an atomic radius close to that of oxygen (O) in zinc oxide, and is considered suitable for doping.

欠陥が少なく移動度が高い高品質酸化亜鉛系単結晶は水熱合成法などの方法で育成できる。抵抗率制御のために育成中にアクセプタ不純物をドーピングすることもできる。
単結晶は切断後に研磨されて紫外線センサ基板として提供される。酸化亜鉛系薄膜を用いる場合、この単結晶基板上にエピタキシャル成長させても良く、あるいはサファイア基板や石英基板上に成長されても良い。しかし、エピタキシャル成長した単結晶薄膜が最も品質が高く、センサに望ましい。
High quality zinc oxide single crystals with few defects and high mobility can be grown by methods such as hydrothermal synthesis. Acceptor impurities can also be doped during growth for resistivity control.
The single crystal is polished after cutting and provided as an ultraviolet sensor substrate. When a zinc oxide thin film is used, it may be epitaxially grown on this single crystal substrate, or may be grown on a sapphire substrate or a quartz substrate. However, epitaxially grown single crystal thin films have the highest quality and are desirable for sensors.

紫外線センサ13の表面は特性の安定化のために、安定化処理、反射防止膜あるいは表面保護膜16などが施されることが望ましい。
放射線検出素子1は、YAP:Ceシンチレータ11の発光が紫外線センサ13に入射するようにこれらが対向する配置として組み立てる。この場合、シンチレータ11と紫外線センサ13の間は、図1の例のように空間を持たせてもよい。また、図2Aに示す別例のように、シンチレータ11と紫外線センサ13を密着させてもよい。
The surface of the ultraviolet sensor 13 is preferably subjected to stabilization treatment, an antireflection film or a surface protective film 16 in order to stabilize the characteristics.
The radiation detection element 1 is assembled as an arrangement in which the YAP: Ce scintillator 11 faces each other so that light emitted from the YAP: Ce scintillator 11 enters the ultraviolet sensor 13. In this case, a space may be provided between the scintillator 11 and the ultraviolet sensor 13 as in the example of FIG. Further, as in another example shown in FIG. 2A, the scintillator 11 and the ultraviolet sensor 13 may be brought into close contact with each other.

さらに、図2Bに示す別例のように、シンチレータ11において発生した紫外線を有効に集めるためのレンズ17のような集光手段を設けてもよい。YAPの形状を板状でなく凸状に変えて集光させても、同様の効果が得られる。これらのように集光することによって、放射線の検出感度を上げることが出来る。密着の場合には、YAPの発光面積に相当する大きさのセンサ受光部を用意し、効率を高めるようにする。
電源18は、電極15へ駆動電圧を印加するためのものである。電流計19は、酸化亜鉛系単結晶基板14が紫外線を受けた場合に生成する光電流を計測するためのものである。
Further, as another example shown in FIG. 2B, a condensing unit such as a lens 17 for effectively collecting ultraviolet rays generated in the scintillator 11 may be provided. Even if the shape of YAP is changed to a convex shape instead of a plate shape, the same effect can be obtained. Condensing light like this can increase the detection sensitivity of radiation. In the case of close contact, a sensor light-receiving portion having a size corresponding to the YAP light-emitting area is prepared to increase efficiency.
The power source 18 is for applying a driving voltage to the electrode 15. The ammeter 19 is for measuring the photocurrent generated when the zinc oxide single crystal substrate 14 receives ultraviolet rays.

図3Aに、以上の放射線検出素子1を用いた放射線検出装置の実施形態の構成を示す。
図3Aに示す放射線検出装置30は、放射線検出素子1中の紫外線センサ13による紫外線の検出結果(電流計19の計測値)を計測制御回路31に入力して処理することにより、放射線量を計測する機能を備える。また、その計測結果を、表示器32により任意の形式で出力表示することができる。
1つの放射線検出装置30に放射線検出素子1は1個である必要はなく、図3Bに示すように複数個の放射線検出素子1を接続してシステムとして使用することで環境情報を取得して、信頼性をさらに高めることが出来る。
FIG. 3A shows a configuration of an embodiment of a radiation detection apparatus using the radiation detection element 1 described above.
The radiation detection apparatus 30 shown in FIG. 3A measures the radiation dose by inputting the ultraviolet detection result (measurement value of the ammeter 19) by the ultraviolet sensor 13 in the radiation detection element 1 to the measurement control circuit 31 and processing it. It has a function to do. The measurement result can be output and displayed in an arbitrary format by the display 32.
It is not necessary for one radiation detection device 30 to have one radiation detection element 1, and as shown in FIG. 3B, a plurality of radiation detection elements 1 are connected and used as a system to obtain environmental information. Reliability can be further increased.

〔実施例〕
図4は上述した本発明の放射線検出素子の具体的実施例の構造概略を示したものである。本発明はこのような構造や作製方法に限定されるものではないが、以下にこの具体的実施例を図4に沿って、図5乃至図8のデータも参照しつつ詳細に説明する。なお、図1に示したものと対応する構成要素には、図1と同じ符号を用いる。
11はYAP:Ceシンチレータで、10mm×10mm×0.5mmの大きさである。本実施例では実験の都合上、反射膜を付着していないが、反射膜を付着していることが望ましい。本実施例では放射線源としてCuのKα−X線を用いた。
〔Example〕
FIG. 4 shows a schematic structure of a specific embodiment of the above-described radiation detection element of the present invention. Although the present invention is not limited to such a structure and manufacturing method, the specific embodiment will be described in detail below with reference to FIG. 4 and with reference to the data of FIGS. The same reference numerals as those in FIG. 1 are used for components corresponding to those shown in FIG.
Reference numeral 11 denotes a YAP: Ce scintillator having a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mm. In this embodiment, a reflective film is not attached for the sake of experimentation, but it is desirable to have a reflective film attached. In this embodiment, Cu Kα-X rays were used as the radiation source.

図5は、本実施例で使用したYAP:Ceシンチレータ11のX線照射による発光スペクトルを示している。また、図6は、X線管入力電力(X線強度)とYAP:Ceシンチレータ11の発光強度の関係を示している。測定器の制限で350nm(ナノメートル)より短波長側の測定はできなかった。   FIG. 5 shows an emission spectrum of the YAP: Ce scintillator 11 used in this example by X-ray irradiation. FIG. 6 shows the relationship between the X-ray tube input power (X-ray intensity) and the emission intensity of the YAP: Ce scintillator 11. Measurement on the shorter wavelength side than 350 nm (nanometer) was not possible due to limitations of the measuring instrument.

図5のグラフによると、発光スペクトルのピーク波長はおよそ370nmで、紫外線領域にある。X線管に印加する電圧を40kVで一定にし、電流値を変えてX線管入力電力を変えることによってX線強度を変えた。X線強度が入力電力(電流)に比例することは知られている。
図6のグラフによると、YAP:Ceシンチレータ11の発光ピーク強度はX線管入力に比例している。YAP:Ceの透過率は、360nm付近の波長で90%程度であった。
According to the graph of FIG. 5, the peak wavelength of the emission spectrum is about 370 nm, which is in the ultraviolet region. The voltage applied to the X-ray tube was made constant at 40 kV, and the X-ray intensity was changed by changing the current value by changing the X-ray tube input power. It is known that X-ray intensity is proportional to input power (current).
According to the graph of FIG. 6, the emission peak intensity of the YAP: Ce scintillator 11 is proportional to the X-ray tube input. The transmittance of YAP: Ce was about 90% at a wavelength near 360 nm.

酸化亜鉛単結晶を用いた紫外線センサ13は以下のようにして作製した。酸化亜鉛単結晶は水熱合成法によって育成されたものを用いた。暗抵抗率を高くするため、育成時に窒素(N)がドーピングされている。暗抵抗率はおよそ10Ω・cmであった。鏡面研磨された大きさ5mm×5mm×0.5mmのc面酸化亜鉛単結晶基板14のZn面上に、大きさ1mm×1mmのアルミニウム(Al)電極15を2個、1mmの間隔をあけて蒸着した。電極それぞれにリード線が接着されて、紫外線センサ13が出来上がる。表面処理や反射防止膜の付着などは施されていない。
この電極15間の電流−電圧(I−V)特性が直線関係であったことから、Al電極と酸化亜鉛単結晶基板13とはオーム接触をしていると解釈できる。
The ultraviolet sensor 13 using a zinc oxide single crystal was produced as follows. A zinc oxide single crystal grown by a hydrothermal synthesis method was used. In order to increase the dark resistivity, nitrogen (N) is doped during growth. The dark resistivity was approximately 10 9 Ω · cm. On the Zn surface of the c-plane zinc oxide single crystal substrate 14 having a size of 5 mm × 5 mm × 0.5 mm which has been mirror-polished, two aluminum (Al) electrodes 15 having a size of 1 mm × 1 mm are provided with an interval of 1 mm. Vapor deposited. A lead wire is bonded to each electrode, and the ultraviolet sensor 13 is completed. No surface treatment or anti-reflection coating is applied.
Since the current-voltage (IV) characteristics between the electrodes 15 were linear, it can be interpreted that the Al electrode and the zinc oxide single crystal substrate 13 are in ohmic contact.

図7は電源18として1.5Vの直流電源を接続し、電流計19で測定された酸化亜鉛単結晶による紫外線センサ13の光電流のスペクトル特性を示す。このグラフから、酸化亜鉛単結晶による紫外線センサ13は、およそ370nmよりも短波長の紫外線に対して感度を持つが、可視光には感度を持たないことが分かる。   FIG. 7 shows the spectral characteristics of the photocurrent of the ultraviolet sensor 13 using a zinc oxide single crystal measured by an ammeter 19 when a DC power supply of 1.5 V is connected as the power source 18. From this graph, it can be seen that the ultraviolet sensor 13 made of zinc oxide single crystal is sensitive to ultraviolet light having a wavelength shorter than about 370 nm, but not sensitive to visible light.

図4のように、YAP:Ceシンチレータ11と酸化亜鉛単結晶を用いた紫外線センサ13を配置し、放射線検出素子を作製した。図に示したように構造は極めて単純・簡単である。シンチレータ11と紫外線センサ13との空隙は1mmで、通常の空気層のみである。また、シンチレータ11で発生する紫外線以外の外部からの紫外線が紫外線センサ13に入り込まないようにするための光遮蔽体21を有している。   As shown in FIG. 4, an ultraviolet sensor 13 using a YAP: Ce scintillator 11 and a zinc oxide single crystal was arranged to produce a radiation detection element. As shown in the figure, the structure is extremely simple and easy. The gap between the scintillator 11 and the ultraviolet sensor 13 is 1 mm, which is only a normal air layer. In addition, a light shield 21 is provided for preventing ultraviolet rays from the outside other than the ultraviolet rays generated by the scintillator 11 from entering the ultraviolet sensor 13.

〔実施例の機能評価〕
上記の条件で作製した放射線検出素子1の評価を行った。作製した放射線検出素子1とX線照射源とを図4のように配置し、YAP:CeシンチレータにX線を照射し、センサ印加電圧1.5Vのもとで測定した照射X線強度(X線管入力電力)と光電流の関係を図8に示した。
X線管に40kV(キロボルト)を印加し、管電流を45mAまで5mAステップで変えてX線管入力電力を変えた。図8に示すように、照射X線強度の増加と共に光電流も比例関係を持って増加している。ここで、光電流はX線が直接酸化亜鉛に入射したことによるものではないことは確認されている。
[Functional Evaluation of Examples]
Evaluation of the radiation detection element 1 produced on said conditions was performed. The produced radiation detection element 1 and the X-ray irradiation source are arranged as shown in FIG. 4, the X-ray is irradiated to the YAP: Ce scintillator, and the measured X-ray intensity (X The relationship between the tube input power) and the photocurrent is shown in FIG.
The X-ray tube input power was changed by applying 40 kV (kilovolts) to the X-ray tube and changing the tube current up to 45 mA in 5 mA steps. As shown in FIG. 8, as the irradiation X-ray intensity increases, the photocurrent also increases proportionally. Here, it has been confirmed that the photocurrent is not caused by the direct incidence of X-rays on zinc oxide.

以上のことから放射線検出素子1によって放射線検出が可能であることがわかる。本実施例で使用されたYAP:Ceシンチレータの発光スペクトルと紫外線センサの光電流スペクトルを重ね合わせると、図9のようになって、シンチレータ発光のすべてを光電流に変換することができなかった。発光スペクトルが短波長側にシフトしているシンチレータを使用すれば検出感度は増加すると考える。   From the above, it can be seen that the radiation detection element 1 can detect radiation. When the emission spectrum of the YAP: Ce scintillator used in this example and the photocurrent spectrum of the ultraviolet sensor were superimposed, as shown in FIG. 9, it was not possible to convert all of the scintillator emission into a photocurrent. If a scintillator whose emission spectrum is shifted to the short wavelength side is used, the detection sensitivity is considered to increase.

以上で実施形態の説明を終了するが、素子及び装置の具体的な構成や、各部の材質や特性等は、ここまでの説明で具体的に述べたものには限られない。
例えば、光導電型紫外線検出素子は、任意の酸化亜鉛系材料を用いて形成することができ、酸化亜鉛系単結晶基板あるいは酸化亜鉛系単結晶薄膜には限られない。酸化亜鉛系材料にドープするアクセプタも、窒素には限られない。
放射線により紫外線を発光する発光物質も、YAP:Ceに限られない。放射線を受けた場合に光導電型紫外線検出素子が感度を持つ波長で発光する発光物質であれば、任意のものを用いることができる。
また、以上の実施形態あるいはその変形として述べた構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて適用可能であることは、もちろんである。
Although the description of the embodiment is completed as described above, the specific configuration of elements and devices, the material and characteristics of each part, and the like are not limited to those specifically described in the above description.
For example, the photoconductive ultraviolet detection element can be formed using any zinc oxide-based material, and is not limited to a zinc oxide-based single crystal substrate or a zinc oxide-based single crystal thin film. The acceptor doped into the zinc oxide-based material is not limited to nitrogen.
The luminescent substance that emits ultraviolet rays by radiation is not limited to YAP: Ce. Any material can be used as long as it is a luminescent substance that emits light at a wavelength with which the photoconductive ultraviolet detection element has sensitivity when receiving radiation.
Further, it goes without saying that the configurations described as the above embodiments or modifications thereof can be applied in any combination as long as they do not contradict each other.

以上の放射線検出素子及び放射線検出装置によれば、小型軽量、構造簡単、取り扱いが容易で耐放射線強度が高い放射線検出器を容易に作製でき、使用目的に応じた素子形状あるいは複数個の素子の組み合わせなども簡単に実現可能とする。使用する電圧も低く、計測制御回路も簡単である。そのため通常環境中のみならず、放射線の強い環境中での使用も可能にする。   According to the above radiation detection element and radiation detection apparatus, a radiation detector having a small size and light weight, simple structure, easy handling, and high radiation resistance strength can be easily manufactured. Combinations can be easily realized. The voltage used is low and the measurement control circuit is simple. Therefore, it can be used not only in a normal environment but also in an environment with strong radiation.

1…放射線検出素子、11…シンチレータ、12…反射膜、13…紫外線センサ、14…酸化亜鉛系単結晶基板、15…電極、16…表面保護膜、17…レンズ、18…電源、19…電流計、21…光遮蔽体、30…放射線検出装置、31…計測制御回路、32…表示器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Radiation detection element, 11 ... Scintillator, 12 ... Reflective film, 13 ... Ultraviolet sensor, 14 ... Zinc oxide system single crystal substrate, 15 ... Electrode, 16 ... Surface protective film, 17 ... Lens, 18 ... Power supply, 19 ... Current Total: 21 ... Light shield, 30 ... Radiation detection device, 31 ... Measurement control circuit, 32 ... Display

Claims (8)

酸化亜鉛系材料の表面に所定の間隔をあけて形成した1対の電極を有する光導電型紫外線検出素子と放射線により紫外線を発光する発光物質との組み合わせを備える放射線検出素子であって、
前記放射線により紫外線を発光する発光物質がセリウムドープのイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイトであることを特徴とする放射線検出素子。
A radiation detection element comprising a combination of a photoconductive ultraviolet detection element having a pair of electrodes formed at a predetermined interval on the surface of a zinc oxide-based material and a luminescent substance that emits ultraviolet light by radiation,
A radiation detecting element, wherein the luminescent substance that emits ultraviolet rays by radiation is cerium-doped yttrium aluminum perovskite .
請求項1に記載の放射線検出素子において、前記酸化亜鉛系材料は酸化亜鉛系単結晶基板あるいは酸化亜鉛系単結晶薄膜であることを特徴とする放射線検出素子。   2. The radiation detection element according to claim 1, wherein the zinc oxide-based material is a zinc oxide-based single crystal substrate or a zinc oxide-based single crystal thin film. 請求項1又は2に記載の放射線検出素子において、前記酸化亜鉛系材料の暗抵抗率が、10Ω・cm以上であることを特徴とする放射線検出素子。 3. The radiation detection element according to claim 1, wherein the zinc oxide-based material has a dark resistivity of 10 4 Ω · cm or more. 請求項1又は2に記載の放射線検出素子において、前記酸化亜鉛系材料にはアクセプタがドーピングされていることを特徴とする放射線検出素子。   3. The radiation detection element according to claim 1, wherein the zinc oxide material is doped with an acceptor. 請求項1に記載の放射線検出素子において、前記酸化亜鉛系材料に形成する1対の電極の所定の間隔は0.01mm〜1.0mmであることを特徴とする放射線検出素子。   2. The radiation detection element according to claim 1, wherein a predetermined interval between the pair of electrodes formed on the zinc oxide-based material is 0.01 mm to 1.0 mm. 請求項1に記載の放射線検出素子において、前記光導電型紫外線検出素子と前記発光物質とが対向して配置されることを特徴とする放射線検出素子。   The radiation detection element according to claim 1, wherein the photoconductive ultraviolet detection element and the luminescent material are disposed to face each other. 請求項1に記載の放射線検出素子において、前記発光物質が発光した紫外線を前記発光物質と前記光導電型紫外線検出素子との間で集光する集光手段を備えることを特徴とする放射線検出素子。   2. The radiation detection element according to claim 1, further comprising condensing means for condensing ultraviolet rays emitted from the luminescent substance between the luminescent substance and the photoconductive ultraviolet detection element. . 請求項1乃至のいずれか一項に記載の放射線検出素子を備えた放射線検出装置。 The radiation detection apparatus provided with the radiation detection element as described in any one of Claims 1 thru | or 7 .
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