JP6723806B2

JP6723806B2 - 放射線検出器及び放射線検出装置

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Publication number: JP6723806B2
Application number: JP2016083921A
Authority: JP
Inventors: 健吾安井; 岡本　一隆; 一隆岡本; 高田　秀次; 秀次高田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: JP2016206191A

Description

本発明は、半導体製の放射線検出素子を用いた放射線検出器、及び放射線検出装置に関する。

Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器には、半導体製の放射線検出素子を用いて放射線を検出するものがある。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では、金属製のベースにペルチェ素子の放熱部分が接合され、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ている。放射線検出器は、ベースに接合した金属製のカバーを備え、密封されている。放射線検出素子の熱は、ペルチェ素子からベースへ伝導し、ベースから外部へ放出される。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２００７−１４７５９５号公報

従来の放射線検出器では、主にベースは鉄で構成されている。鉄の熱伝導率は比較的低いので、放射線検出素子の放熱性は低い。また、ベースを通して外部の熱が放射線検出器内へ伝わることがあり、この場合にはペルチェ素子の放熱部分の温度が上昇し、放熱性が低下する。放熱性が低い場合は、放射線検出素子の温度が上昇し、放射線の検出感度が低下する。放熱性が低い状態で放射線検出素子を十分に冷却しようとした場合は、ペルチェ素子の消費電力が大きくなる。

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、放射線検出素子の放熱を効率的に行うことができる放射線検出器及び放射線検出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、放射線検出素子と、該放射線検出素子を冷却するための電子冷却部と、前記放射線検出素子及び前記電子冷却部を収納したハウジングとを備える放射線検出器において、前記電子冷却部の放熱部分に熱的接触しており、熱を伝導させる熱伝導部材を備え、該熱伝導部材は、前記ハウジングよりも熱伝導率が高い材料で一体に形成されており、前記ハウジングを貫通して一部が前記ハウジングの外側へ突出しており、前記熱伝導部材は、前記放熱部分に熱的接触している接触部と、該接触部からの熱を当該放射線検出器外の部品へ伝熱すべく前記部品に連結されるための連結部とを含んでおり、前記熱伝導部材が前記ハウジングを貫通する方向に交差する方向に沿って、前記接触部は前記連結部よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、前記ハウジングと前記熱伝導部材との間に、前記ハウジングよりも熱伝導率が低い低熱伝導材を配置してあることを特徴とする。

本発明に係る放射線検出器は、前記ハウジングの前記熱伝導部材に接触する部分は、鉄よりも熱伝導率が低い材料で形成されてい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。

本発明においては、放射線検出器は、放射線検出素子を冷却するための電子冷却部の放熱部分に熱的接触した熱伝導部材を備える。熱伝導部材は放射線検出器のハウジングよりも熱伝導率が高い材料で形成されており、ハウジングを貫通している。放射線検出素子の熱は、電子冷却部の放熱部分から熱伝導部材へ伝導し、熱伝導部材から放射線検出器の外部へ放出される。熱伝導部材の熱伝導率が高いので、放射線検出素子の放熱性が高い。

また、本発明においては、放射線検出器は、熱伝導部材とハウジングとの間に低熱伝導材を配置してある。低熱伝導材のため、ハウジングから熱伝導部材へは熱が伝導し難い。このため、放射線検出器の外部の熱がハウジングを通して放射線検出器の内部へ伝わることが抑制される。

また、本発明においては、ハウジングの熱伝導部材に接触する部分は鉄よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。このため、ハウジングから熱伝導部材へは熱が伝導し難く、放射線検出器の外部の熱がハウジングを通して放射線検出器の内部へ伝わることが抑制される。

本発明にあっては、放射線検出器は、放射線検出素子の放熱性が高いので、放射線検出素子は十分に冷却される。このため、放射線検出素子のリーク電流が低くなり、放射線検出のエネルギー分解能が高くなって、放射線検出装置は高い検出感度で放射線検出を行うことが可能となり、また放射線検出素子の冷却に必要な電力を抑制することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

放射線検出装置の構成を示すブロック図である。実施形態１に係る放射線検出器の模式的断面図である。実施形態２に係る放射線検出器の模式的断面図である。実施形態３に係る放射線検出器の模式的断面図である。実施形態４に係る放射線検出器の模式的断面図である。

以下本発明をその実施形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
図１は、放射線検出装置の構成を示すブロック図である。放射線検出装置は、例えば蛍光Ｘ線分析装置である。放射線検出装置は、試料６に電子線又はＸ線等の放射線を照射する線源４と、試料６が載置される試料台５と、放射線検出器１とを備えている。線源４から試料６へ放射線が照射され、試料６では蛍光Ｘ線等の放射線が発生し、放射線検出器１は試料６から発生した放射線を検出する。図中には、放射線を矢印で示している。放射線検出器１は、検出した放射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１には、出力した信号を処理する信号処理部２が接続されている。信号処理部２は、放射線検出器１が出力した各値の信号をカウントし、放射線のエネルギーとカウント数との関係、即ち放射線のスペクトルを生成する処理を行う。信号処理部２及び線源４は、放射線検出装置全体を制御する制御部３に接続されている。制御部３は、信号処理部２及び線源４の動作を制御する。

図２は、実施形態１に係る放射線検出器１の模式的断面図である。放射線検出器１は、板状のベース１６を備えている。ベース１６の一面側には、キャップ状のカバー１７が被さっている。カバー１７は、円筒の一端に切頭錐体が連結した形状になっており、円筒の他端はベース１６に接合している。ベース１６及びカバー１７は溶接されている。ベース１６及びカバー１７は、抵抗溶接によって容易に溶接されるようにするために、鉄、ニッケル又はコバールを材料として構成されている。カバー１７の先端の切頭部分には、ベリリウム等の放射線を通過させる材料で形成された窓部１８が設けられている。カバー１７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。ベース１６及びカバー１７は、本発明におけるハウジングに相当する。

カバー１７の内側には、半導体製の放射線検出素子１１と、配線基板１２と、ペルチェ素子（電子冷却部）１３とが配置されている。放射線検出素子１１は、例えばＳＤＤ（Silicon Drift Detector）である。放射線検出素子１１は、配線基板１２の表面に実装されており、窓部１８に対向する位置に配置されている。配線基板１２の裏面には、ペルチェ素子１３の吸熱部分が熱的接触している。即ち、配線基板１２の裏面からペルチェ素子１３の吸熱部分へ熱が伝導するようになっている。配線基板１２及びペルチェ素子１３の吸熱部分は直接接触していてもよく、間に熱伝導材を介在させていてもよい。ペルチェ素子１３の放熱部分は、ベース１６の内面に対向している。

放射線検出器１は、更に、ペルチェ素子１３の放熱部分に熱的接触したコールドフィンガー（熱伝導部材）１４を備えている。コールドフィンガー１４は、銅等、ベース１６よりも熱伝導率が高い材料で形成されている。コールドフィンガー１４は、ペルチェ素子１３の放熱部分に熱的接触した板状部分と、板状部分からベース１６へ向けて突出したボルト状部分とを含んで構成されている。コールドフィンガー１４のボルト状部分は、ベース１６を貫通しており、ベース１６の外面から突出している。コールドフィンガー１４の板状部分は、ペルチェ素子１３の放熱部分以上の大きさとなっている。このため、ペルチェ素子１３の放熱性が良く、また、放射線検出器１の製造時にペルチェ素子１３の位置決めが容易になっている。ペルチェ素子１３の放熱部分及びコールドフィンガー１４の板状部分は、直接接触していてもよく、間に熱伝導材を介在させていてもよい。ベース１６の外面から突出したコールドフィンガー１４のボルト状部分は、放射線検出器１１外の放熱部に連結される。放熱部は例えば放熱板である。

ベース１６とコールドフィンガー１４との間には、低熱伝導部１５が配置されている。低熱伝導部１５は、セラミック等、ベース１６よりも熱伝導率が低い低熱伝導材で形成されている。低熱伝導部１５は、例えば環状に形成されている。低熱伝導部１５が設けられていることによって、ベース１６はコールドフィンガー１４に接触していない。また、ベース１６を貫通して、電圧の印加及び信号の入出力のための複数のリードピン１９が設けられている。

放射線検出素子１１は、配線基板１２を通してペルチェ素子１３によって冷却される。放射線検出素子１１の熱は、ペルチェ素子１３の放熱部分に熱的接触しているコールドフィンガー１４の板状部分へ伝導し、コールドフィンガー１４を伝導し、コールドフィンガー１４のボルト状部分に連結されている放熱部へ伝導し、放熱部から放熱される。即ち、放射線検出素子１１の熱は、コールドフィンガー１４を通じて放射線検出器１の外部へ放出される。コールドフィンガー１４は熱伝導率が高いので、放射線検出素子１１の放熱性が高い。特に、ベースを通して放熱をしていた従来の放射線検出器に比べて、放熱性が向上している。また、ベース１６とコールドフィンガー１４との間に低熱伝導部１５が配置されているので、ベース１６からコールドフィンガー１４へは熱が伝導し難い。このため、放射線検出器１の外部の熱がカバー１７及びベース１６を通して放射線検出器１の内部へ伝わることが抑制される。従って、外部の熱が伝わることでペルチェ素子１３の放熱部分の温度が上昇して放熱性が低下することが防止される。

また、ベース１６とコールドフィンガー１４との間に低熱伝導部１５が配置されていることによって、コールドフィンガー１４からベース１６へは熱が伝導し難い。このため、熱がコールドフィンガー１４からベース１６及びカバー１７を経由して放射線検出素子１１へ伝わることが抑制される。従って、コールドフィンガー１４を通じた放射線検出素子１１の放熱が効率的に行われる。

以上のように、本実施形態では、放射線検出素子１１の放熱性が高い。放熱性が高いことにより、放射線検出素子１１は十分に冷却され、リーク電流が低くなる。従って、放射線検出器１は高いエネルギー分解能で放射線を検出することができ、放射線検出装置は高感度で放射線検出を行うことが可能となる。また、放熱性が高いので、放射線検出素子１１を冷却するためのペルチェ素子１３に必要な電力を抑制することができ、放射線検出装置は消費電力を抑制することが可能となる。

（実施形態２）
図３は、実施形態２に係る放射線検出器１の模式的断面図である。コールドフィンガー１４の板状部分は、ベース１６を貫通しており、ベース１６の外面から突出している。コールドフィンガー１４のボルト状部分は、板状部分から放射線検出器１の外部へ向けて突出している。このため、実施形態１に比べて、コールドフィンガー１４がベース１６を貫通する部分が太くなっている。ベース１６とコールドフィンガー１４との間には、低熱伝導部１５が配置されている。放射線検出器１のその他の構成は実施形態１と同様である。また、放射線検出装置のその他の構成は、実施形態１と同様である。本実施形態においても、放射線検出素子１１の熱はペルチェ素子１３の放熱部分からコールドフィンガー１４へ伝導し、コールドフィンガー１４から放射線検出器１の外部へ放熱される。実施形態１に比べて、コールドフィンガー１４内を熱が伝導する経路が多くなり、放射線検出素子１１の放熱性がより高くなる。

本実施形態でも、放射線検出素子１１の放熱性が高く、放射線検出素子１１でのリーク電流が低くなる。従って、放射線検出器１は高いエネルギー分解能で放射線を検出することができ、放射線検出装置は高感度で放射線検出を行うことが可能となる。また、ペルチェ素子１３に必要な電力を抑制することができ、放射線検出装置は消費電力を抑制することが可能となる。

（実施形態３）
図４は、実施形態３に係る放射線検出器１の模式的断面図である。本実施形態においては、放射線検出器１は、低熱伝導部１５を備えていない。ベース１６は、鉄よりも熱伝導率が低い材料で形成されており、コールドフィンガー１４に接触している。ベース１６とコールドフィンガー１４との間には介在物があってもよい。放射線検出器１のその他の構成は実施形態１と同様である。また、放射線検出装置のその他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても、放射線検出素子１１は、配線基板１２を通してペルチェ素子１３によって冷却され、放射線検出素子１１の熱はペルチェ素子１３の放熱部分からコールドフィンガー１４へ伝導し、コールドフィンガー１４から放射線検出器１の外部へ放熱される。コールドフィンガー１４は熱伝導率が高いので、放射線検出素子１１の放熱性が高い。また、ベース１６は熱伝導率が低いので、ベース１６からコールドフィンガー１４へは熱が伝導し難い。このため、放射線検出器１の外部の熱がカバー１７及びベース１６を通して放射線検出器１の内部へ伝わることが抑制される。従って、放熱性が低下することが防止される。

また、ベース１６は熱伝導率が低いので、コールドフィンガー１４からベース１６へは熱が伝導し難い。このため、熱がコールドフィンガー１４からベース１６及びカバー１７を経由して放射線検出素子１１へ伝わることが抑制される。従って、コールドフィンガー１４を通じた放射線検出素子１１の放熱が効率的に行われる。

以上のように、本実施形態でも、放射線検出素子１１の放熱性が高く、放射線検出素子１１でのリーク電流が低くなる。従って、放射線検出器１は高いエネルギー分解能で放射線を検出することができ、放射線検出装置は高感度で放射線検出を行うことが可能となる。また、ペルチェ素子１３に必要な電力を抑制することができ、放射線検出装置は消費電力を抑制することが可能となる。

（実施形態４）
図５は、実施形態４に係る放射線検出器１の模式的断面図である。コールドフィンガー１４の板状部分は、ベース１６を貫通しており、ベース１６の外面から突出している。コールドフィンガー１４のボルト状部分は、板状部分から放射線検出器１の外部へ向けて突出している。このため、実施形態３に比べて、コールドフィンガー１４がベース１６を貫通する部分が太くなっている。放射線検出器１のその他の構成は実施形態３と同様である。また、放射線検出装置のその他の構成は、実施形態１と同様である。実施形態３に比べて、コールドフィンガー１４内を熱が伝導する経路が多くなり、放射線検出素子１１の放熱性がより高くなる。

なお、放射線検出装置は、線源４からの放射線で試料６の表面を走査し、放射線スペクトルの試料６上の分布を得る形態であってもよい。また、放射線検出装置は、孔を形成した試料台５に試料６が載置され、試料台５の下側から試料６へ放射線を照射し、試料６からの放射線を検出する形態であってもよい。また、放射線検出装置は、放射線を照射する機能を有しておらず、外部から入射された放射線を放射線検出器１を用いて検出する形態であってもよい。

１放射線検出器
１１放射線検出素子
１２配線基板
１３ペルチェ素子（電子冷却部）
１４コールドフィンガー（熱伝導部材）
１５低熱伝導部（低熱伝導材）
１６ベース
１７カバー
１８窓部
２信号処理部
３制御部
４線源
５試料台
６試料

Claims

放射線検出素子と、該放射線検出素子を冷却するための電子冷却部と、前記放射線検出素子及び前記電子冷却部を収納したハウジングとを備える放射線検出器において、
前記電子冷却部の放熱部分に熱的接触しており、熱を伝導させる熱伝導部材を備え、
該熱伝導部材は、前記ハウジングよりも熱伝導率が高い材料で一体に形成されており、前記ハウジングを貫通して一部が前記ハウジングの外側へ突出しており、
前記熱伝導部材は、前記放熱部分に熱的接触している接触部と、該接触部からの熱を当該放射線検出器外の部品へ伝熱すべく前記部品に連結されるための連結部とを含んでおり、
前記熱伝導部材が前記ハウジングを貫通する方向に交差する方向に沿って、前記接触部は前記連結部よりも大きい
ことを特徴とする放射線検出器。
前記ハウジングと前記熱伝導部材との間に、前記ハウジングよりも熱伝導率が低い低熱伝導材を配置してあること
を特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
前記ハウジングの前記熱伝導部材に接触する部分は、鉄よりも熱伝導率が低い材料で形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
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３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。