JP7846586B2 - 耐放射線マルチプレクサ - Google Patents

Description

本発明は、耐放射線マルチプレクサに関する。

放射線の環境下における回路装置の保全を図る必要があるものとして、例えば原子力プラントがある。
原子力プラントなどの放射線にさらされる環境では、計測器の電子回路に含まれる半導体素子が放射線の電離作用により劣化するため、特に高放射線環境においては電子回路を用いることが難しい。

例えば、プラント内の膨大なケーブルの集約には、半導体を用いた電子回路であるマルチプレクサを用いて省配線化することが有効であるが、上記の理由により原子力プラントでの適用が困難である。

これら電子回路の放射線による故障要因の一つとして、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の特性劣化があり、放射線照射によって電荷が蓄積することで、リーク電流の増加等でＭＯＳＦＥＴの特性が劣化し、電子回路の故障の主要因となる。

放射線環境で電子回路を正常動作させる方法としては、ＭＯＳＦＥＴを従来のＳｉ（ケイ素）を用いたＳｉ半導体から、放射線耐性に優れるＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化ケイ素）素子に変更する手法が有効である。

複数のＭＯＳＦＥＴで構成されるマルチプレクサも、上記したようにＳｉＣで構成することで、特許文献１に述べられているように耐放射線性能を向上させることが可能である。

特許文献１の請求項３には、「前記アナログスイッチ回路のｐＭＯＳとｎＭＯＳは、シリコンカーバイドによる半導体を有して構成される、ことを特徴とする耐放射線回路。」と記載されている。

特開２０２２－３２３９６号公報

上述したＳｉＣのＭＯＳＦＥＴを用いることで、耐放射線性を従来のＳｉ素子よりも格段に向上させることが可能である。しかし、放射線を照射し続けるとＳｉＣ素子でも特性が劣化していくことがある。特に、原子力プラントの過酷事故のような急激に放射線量が大きく増加するような環境では、素子の劣化により安定した動作を提供できなくなる可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐放射線性に優れ、かつ簡易な構成の耐放射線マルチプレクサを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の耐放射線マルチプレクサは、シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴで構成されたアナログスイッチ回路と、前記アナログスイッチ回路を出力段に有するマルチプレクサ回路と、前記マルチプレクサ回路の全チャネルをＯＦＦにするゲート信号を印加する動作モードを有するゲート信号制御部と、を備え、前記マルチプレクサ回路は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネルとし、前記ゲート信号制御部は、前記ダミーチャネルに所定のＯＮ時間を設けることを特徴とする。
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。

本発明によれば、耐放射線性に優れ、かつ簡易な構成の耐放射線マルチプレクサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのアナログスイッチ回路の構成の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのマルチプレクサ回路の入力信号の切替順の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのマルチプレクサ回路の制御信号の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの耐放射線マルチプレクサの全チャネルＯＦＦ機能の線量率に応じた動作を表にして示す図である。 比較例の４入力１出力のマルチプレクサの構成を示す図である。 図６の比較例の４入力１出力のマルチプレクサの放射線照射影響を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのマルチプレクサ回路の入力信号の切替順の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのマルチプレクサ回路の制御信号の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサのマルチプレクサ回路の制御信号の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限らず、例えば複数の実施形態を組み合わせたり、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で任意に変形したりできる。
また、本明細書において、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図示の内容は、図示の都合上、本発明の趣旨を損なわない範囲で実際の構成から変更することがある。

（原理説明）
上述したように、放射線を照射し続けるとＳｉＣ素子でも特性が劣化していくことがある。発明者らは、開発したＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを出力段に用いたマルチプレクサに対して、γ線を用いて通電状態での放射線劣化特性を実験的に確認した。

図６は、比較例の４入力１出力のマルチプレクサ（ＭＵＸ）１の構成を示す図である。
図６に示すように、比較例の４入力１出力のマルチプレクサ１は、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴを用いたマルチプレクサ回路１０を備える。マルチプレクサ回路１０は、４個のアナログスイッチ回路１１～１４を備え、それぞれの第１端子にチャネル信号ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４を入力している。チャネル信号ＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３，ＣＨ４は、図示しない前段の各マルチプレクサ回路の出力信号、または、ＰＣＶ（Primary Containment Vessel：原子力発電プラントの格納容器）内部に設置された計測機器の出力信号である。また、アナログスイッチ回路１１～１４のそれぞれの第２端子は、互い接続され、マルチプレクサ回路１０の出力端子となっている。この出力端子から出力信号ＯＵＴが出力する。
また、マルチプレクサ回路１０は、図示しないデコーダ回路の制御信号Ａ１，Ａ２，Ｇが入力している。マルチプレクサ１０には正電源ＶＤＤ（不図示）と負電源ＶＳＳ（不図示）が供給されている。

図７は、図６の比較例の４入力１出力のマルチプレクサ１の放射線照射影響を示す図である。図７の横軸は、積算線量[kGy］を示し、図７の縦軸は、リーク電流を示す。
図７は、４入力１出力のマルチプレクサ１のチャネル信号ＣＨ１をＯＮ（アナログスイッチ回路１１をＯＮ）にし、チャネル信号ＣＨ２，３，４をＯＦＦ（アナログスイッチ回路１２，１３，１４をＯＦＦ）にした場合の例である。

試験結果では、ＳｉＣ製のマルチプレクサ回路１０は、ＯＮにしたチャネルＣＨ１のみリーク電流が増加していき、ＯＦＦにしているチャネルＣＨ２，３，４はリーク電流がほとんど増加しない特性があることを新たに発見した。
本発明は、この新知見を利用し、ＳｉＣ製のマルチプレクサ回路に全チャネルのＯＦＦ時間を設けることで耐放射線性を向上させる。

ＳｉＣおよびマルチプレクサ（ＭＵＸ）について補足して説明する。
<ＳｉとＳｉＣの違い>
Ｓｉは、界面近傍の酸化膜がクリーンなので、欠陥が少ない。
ＳｉＣは、界面近傍の酸化膜中に欠陥が存在する。ＳｉＣは、窒素終端などで欠陥を低減させているものの、Ｓｉよりは多い。

<マルチプレクサ（ＭＵＸ）の放射線影響>
マルチプレクサは、デジタル素子のため、アナログ素子よりも集積度が約１桁多く、また複数のＭＯＳＦＥＴが実装されるため放射線に弱い。
マルチプレクサを構成するアナログスイッチ回路を、ＳｉからワイドバンドギャップのＳｉＣにすることで、放射線による電荷の蓄積影響を低減できる。これにより、放射線による劣化を大幅に低減できることが実験で確認済である。
マルチプレクサを構成するアナログスイッチ回路を、ＳｉＣにすることで、積算線量500 [kGy］まで動作可能であることを確認した。ただし、ＯＮしたチャネルは、図７に示すように、リーク電流増加が確認された。測定対象やケーブル長によるが、ＰＣＶ内の長距離敷設した熱電対では数％の誤差が生じる可能性がある。

（第１の実施形態）
図１は、上記基本原理に基づく、本発明の第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）の構成を示す図である。４入力１出力のマルチプレクサを例に説明する。また、放射線は、γ線を例として説明する。
［耐放射線マルチプレクサ１００］
図１に示すように、耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００は、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ）で構成されたマルチプレクサ回路１１０と、マルチプレクサ回路１１０の全チャネルのゲート電圧をオフにする動作モードを有するゲート信号制御部１２０と、を備える。

<マルチプレクサ回路１１０>
マルチプレクサ回路１１０は、４個のアナログスイッチ回路１０１（ＳＷ１～ＳＷ４）を備え、それぞれの第１端子に入力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を入力している（ＳＷ１～ＳＷ４を総称する場合は、ＳＷという）。入力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、ＰＣＶ内部に設置された計測機器の出力信号である。また、耐放射線マルチプレクサ１００が複数段のマルチプレクサ回路の組合せからなる場合、入力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、前段の各マルチプレクサ回路の出力信号である。

また、アナログスイッチ回路１０１（ＳＷ１～ＳＷ４）は、第２端子に出力信号Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を出力する。アナログスイッチ回路１０１（ＳＷ１～ＳＷ４）のそれぞれの第２端子は、互い接続され、マルチプレクサ回路１１０の出力端子となっている。この出力端子から出力信号ＯＵＴが出力する。
また、マルチプレクサ回路１１０は、アナログスイッチ回路１０１（ＳＷ１～ＳＷ４）を切替えるための制御信号Ａ１，Ａ２，７Ｇが入力している。アナログスイッチ回路１１０には、正電源ＶＤＤと負電源ＶＳＳが供給されている。

図１では、４入力１出力のマルチプレクサ回路１１０は、入力信号Ｓ１～Ｓ４に対応して、出力信号Ｘ１～Ｘ４のアナログスイッチ回路１０１が設けられる。そのスイッチを切り替えるための制御信号はＡ１、Ａ２、Ｇの３か所から入力される。出力信号はＯＵＴから出力される。

マルチプレクサ回路１１０は、従来のＳｉではなくＳｉＣのＭＯＳＦＥＴで構成することにより、耐放射線性能を格段に向上させることができる。しかし、ＳｉＣで構成したマルチプレクサにおいても、放射線をＭＧｙオーダ以上に照射することでリーク電流が増加し、入力信号の計測誤差に影響を与える可能性があることが実験的に明らかになった（後記比較例の図７参照）。

<アナログスイッチ回路１０１の構成>
図２は、アナログスイッチ回路１０１の構成の一例を示す図である。
アナログスイッチ回路１０１は、ｐ型のＭＯＳＦＥＴであるｐＭＯＳ１１１と、ｎ型のＭＯＳＦＥＴであるｎＭＯＳ１１２が並列に接続されて構成されている。ｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２は、Ｓｉよりもバンドギャップの広い（高い）半導体である、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化ケイ素）を用いて構成される。

ｐＭＯＳ１１１のゲート電極１００１には、切替信号Ａが入力している。
ｎＭＯＳ１１２のゲート電極１００２には、切替信号Ａ￣（「￣」は、反転信号を表記する）が入力している。
アナログスイッチ回路１０１は、切替信号Ａと切替信号Ａ￣によって、導通（ＯＮ）、もしくは、遮断（ＯＦＦ）される。なお、アナログスイッチ回路１０１を導通（ＯＮ）する場合には、切替信号Ａを低電位（負電位、Ｌ）とし、切替信号Ａ￣を高電位（正電位、Ｈ）として、ｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２を併せて導通（ＯＮ）とする。また、アナログスイッチ回路１０１を遮断（ＯＦＦ）する場合には、切替信号Ａを高電位（正電位、Ｈ）とし、切替信号Ａ￣を低電位（負電位、Ｌ）として、ｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２を併せて遮断（ＯＦＦ）する。

アナログスイッチ回路１０１は、放射線の線量が高い放射線領域、例えば原子力発電プラントの格納容器（ＰＣＶ）内部に設置されている。

<アナログスイッチ回路１０１の放射線の影響>
次に、アナログスイッチ回路１０１の放射線の影響について説明する。
アナログスイッチ回路１０１は、放射線が照射される環境にあるので、アナログスイッチ回路１０１を構成するｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２の半導体素子は、放射線による劣化が起こることがある。この放射線による劣化は、半導体のバンドギャップが低いほど顕著である。そのため、バンドギャップが比較的に低いＳｉ（シリコン）を用いたｐＭＯＳとｎＭＯＳの半導体素子は、放射線による劣化が起きやすい。
この放射線による劣化を低減するために、半導体のバンドギャップがＳｉよりも高いＳｉＣを図２のｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２に用いている。しかしながら、バンドギャップが相対的に高いＳｉＣを用いたｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２でも、ＯＮにしたチャネルＣＨのみリーク電流が増加していき、放射線による劣化が起こる可能性がある。

ＳｉＣを用いたｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２においては、放射線が照射され続けると、ｎＭＯＳ（１１２）よりも先にｐＭＯＳ（１１１）の劣化が起こる。具体的には、放射線による電離作用によりリーク電流が増加する。

<ゲート信号制御部１２０>
ゲート信号制御部１２０は、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成したマルチプレクサ回路１１０に対して、全チャネルをＯＦＦにするゲート信号制御を行う。

図３は、マルチプレクサ回路１１０の入力信号の切替順の一例を示す図である。
図３の横軸は時間、図３の縦に並べたＳ１～Ｓ４は４入力１出力マルチプレクサ回路１１０の各入力信号を示している。図３のＯＦＦは、全チャネルをＯＦＦしていることを示している。図３の双方向矢印ａ～ｅは、各モードの動作時間を表している。

マルチプレクサ回路１１０は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用する有効チャネルとし、ゲート信号制御部１２０は、マルチプレクサ回路１１０の全チャネルのＯＦＦの時間を、有効チャネルのＯＮ時間よりも長くする。

図３では、各チャネル（有効チャネル）のＯＮ時間（図３の双方向矢印ａ～ｄ）に加えて、全チャネルＯＦＦの時間（図３の双方向矢印ｅ）を設けることで、放射線環境でも劣化の速度を低減でき、長時間安定して使用することが可能となる。

全チャネルＯＦＦ機能を動作させている動作モードでは、入力信号の観測が困難である。このため、全チャネルＯＦＦ機能を実行している「動作モード」中に、入力信号に急峻な変化があると観測できない可能性がある。そのため、例えば圧力計や温度計などのように急峻は計測値の変化が起こらず、計測間隔がミリ秒、秒オーダでも問題がない計測器への適用のほうがＯＦＦ時の影響が少ないことからより適している。しかしながら、上記「動作モード」を制御することにより、常時監視が必要な安全系統や変化が急峻な計測器への適用も可能である。

図３では、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、全チャネルＯＦＦの順序でマルチプレクサ回路１１０の切り替えを行っているが、この順序は用途に応じて任意に変えることが可能である。

ここで、全チャネルＯＦＦの時間（図３の双方向矢印ｅ）は長くするほど耐放射線性能を向上させることが可能である。一方で、放射線が低い環境では、全チャネルＯＦＦの時間（図３の双方向矢印ｅ）を０もしくは極力短くすることで各チャネルの計測精度を向上させることができる。全チャネルＯＦＦの時間はマルチプレクサ周囲の放射線量で任意に変えることが望ましい（図５の通常運転、ＤＢＡ、ＬＯＣＡ、ＳＡ参照）。

図４は、マルチプレクサ回路１１０の制御信号の一例を示す図である。
マルチプレクサは、一般的に１，０のデジタル信号で制御することが多い。このため、本実施形態でも１，０の制御信号を用いて切替動作を説明する。図４のＡ１、Ａ２は、マルチプレクサ回路１１０のスイッチを切り替えるための制御信号である。図４のＧは、全チャネルＯＦＦ機能を動作させるための制御信号である。

図４の最左列は、どのスイッチがＯＮ状態かを示しており、ＯＦＦは全チャネルがＯＦＦの状態を示している。例えば、（Ａ１、Ａ２、Ｇ）＝（０、０、０）のときＸ１がＯＮ、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４がＯＦＦということを表している。Ｇ＝１のときは、Ａ１、Ａ２の信号に関わらず、全チャネルをＯＦＦとする。

ゲート信号制御部１２０（図１）は、図４のＧ＝１に示すように、マルチプレクサ回路１１０の全チャネルをＯＦＦにするゲート信号を印加する動作モードを有する。

上記の制御方法は、全チャネルＯＦＦ機能動作の一例を示すものであり、制御信号レベルや切替順序、制御信号と切替動作の対応は自由に選択できる。

図５は、耐放射線マルチプレクサ１００の全チャネルＯＦＦ機能の線量率に応じた動作を表にして示す図である。
図５に示すように、「全チャネルＯＦＦ機能」は、通常運転、ＤＢＡ（Design Basis Accident：設計基準事故）、ＬＯＣＡ（Loss of Coolant Accident：冷却材喪失事故)、ＳＡ（Severe Accident：過酷事故）のそれぞれにおいて、「全チャネルＯＦＦ機能」をＯＦＦまたはＯＮさせる。
ＤＢＡは、発電用原子炉施設の特性を表す想定上の事故であって、従業員および近隣の公衆に対する放射線の影響の観点からみて十分典型的とみなされるものである。
ＬＯＣＡは、原子炉につながる配管などが破損し、原子炉冷却材が流出する事故である。
ＳＡは、設計基準事象を大幅に超える事象であって、炉心の重大な損傷に至るものである。
なお、図５のＤＢＡの※は、基本は「全チャネルＯＦＦ機能」をＯＦＦだが、線量率が通常運転時よりも増加した場合には「全チャネルＯＦＦ機能」をＯＮとすることが望ましい、ことを示す。

このように、ゲート信号制御部１２０（図１）は、「全チャネルＯＦＦ機能」の動作モード」を、通常運転、ＤＢＡ、ＬＯＣＡ、ＳＡのそれぞれにおいて、ＯＦＦまたはＯＮさせる。

以下、上述のように構成された耐放射線マルチプレクサ１００の動作について説明する。
耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００は、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成されたマルチプレクサ回路１１０と、マルチプレクサ回路１１０に入力される入力信号の全チャネルのゲート電圧をオフにする動作モードを有するゲート信号制御部１２０と、を備える。

ゲート信号制御部１２０は、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成したマルチプレクサ回路１１０に対して、全チャネルをＯＦＦにするゲート信号制御を行う。例えば、ゲート信号制御部１２０は、図３に示すように、各チャネルのＯＮ時間に加えて、全チャネルＯＦＦの時間を設ける。

［第１の実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ１００（図１）は、シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ（本実施形態では、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）で構成されたアナログスイッチ回路１０１と、アナログスイッチ回路１０１を出力段に有するマルチプレクサ回路１１０と、マルチプレクサ回路１１０の全チャネルをＯＦＦにするゲート信号を印加する動作モードを有するゲート信号制御部１２０と、を備える。

この構成により、ＳｉＣ製のマルチプレクサ回路１１０に全チャネルのＯＦＦ時間を設けることで、全チャネルＯＦＦにより、アナログスイッチ回路１０１におけるリーク電流の増加を抑制して放射線劣化の進行を遅延させることができる。放射線環境でも劣化の速度を低減でき、長時間安定して使用することが可能となる。その結果、耐放射線性に優れ、過酷な放射線環境下でも正常なマルチプレクサの切替動作を簡易な構成で実現できる。

原子力プラントなど高放射線環境において、本実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ１００（図１）は、高い放射線耐性と動作安定性を両立することができる。プラント運転の信頼性向上に寄与できる。

耐放射線マルチプレクサ１００Ａ（図１）において、マルチプレクサ回路１１０は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用する有効チャネルとし、ゲート信号制御部１２０は、マルチプレクサ回路１１０の全チャネルのＯＦＦの時間（図３の双方向矢印ｅ）を、有効チャネルのＯＮ時間（図３の双方向矢印ａ～ｄ）よりも長くする。

こうすることにより、全チャネルＯＦＦにより放射線劣化の進行を遅延させる効果の実効を図ることができ、耐放射線性をより向上させることができる。なお、全チャネルＯＦＦ機能を動作させる時間を、短くすることで常時監視が必要な安全系統や変化が急峻な計測器への適用も可能である。

また、シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴが望ましいが、ｎ型、ｐ型ＭＯＳＦＥＴを製作でき、かつＳｉよりもワイドバンドギャップ半導体であれば、どの半導体で構成してもよい。

また、本実施形態では、４入力１出力のマルチプレクサ（ＭＵＸ）を例にとり説明したが、１６入力１出力や３２入力１出力などのように入力数が増えた場合でも同様である。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの構成を示す図である。図１と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図８に示すように、耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００Ａは、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成され、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネルとするマルチプレクサ回路１１０と、マルチプレクサ回路１１０のダミーチャネルに所定のＯＮ時間を設ける動作モードを有するゲート信号制御部１２０Ａと、を備える。
図８に示す耐放射線マルチプレクサ１００Ａが、図１に示す耐放射線マルチプレクサ１００と異なるのは、制御信号がＡ１、Ａ２の２本のみである点と、入力信号の１つをダミーチャネル（ＧＮＤ）としている点の２点である。

耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００Ａは、マルチプレクサ回路１１０は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネル（ＧＮＤ）とし、ゲート信号制御部１２０Ａは、ダミーチャネル（ＧＮＤ）に所定のＯＮ時間を設ける動作モードを有する。

ゲート信号制御部１２０Ａは、ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間を、有効チャネルのＯＮ時間よりも長くする動作モードを有する。

<ダミーチャネル（ＧＮＤ）の目的>
（１）
マルチプレクサ回路１１０の入力信号のＧＮＤは、使っていないチャネルであり劣化等があっても影響はないチャネルである。そこでＧＮＤをダミーチャネル（ＧＮＤ）とし、劣化による影響をダミーチャネル（ＧＮＤ）側で担うことで、入力信号Ｓ１～Ｓ３が入力される有効なチャネル（有効チャネル）の放射線劣化の進行を遅延させる。ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間を長くすることで、耐放射線性能を向上させることが可能である。ただし、ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間を長くすると、その分、有効チャネルのＯＮ時間が減るのでチャネルの計測精度に影響する。

（２）
耐放射線マルチプレクサ１００Ａは、ダミーチャネル（ＧＮＤ）をパイロット信号とし、放射線によるリーク電流の変化を計測する。パイロット信号は、既知の信号（例えば、固定のＤＣ電圧）である。
ダミーチャネル（ＧＮＤ）に、パイロット信号を入力し、アナログスイッチ回路１０１は、このパイロット信号を伝達する。
ＳｉＣにおいては、ｐＭＯＳの方がｎＭＯＳよりも放射線劣化が速い。この放射線劣化はｐＭＯＳ１１１に流れる電流とｎＭＯＳ１１２に流れる電流に異なる影響を与える。パイロット信号を入力し、ｐＭＯＳ１１１とｎＭＯＳ１１２の劣化の差により生じる信号歪みを検出する（「劣化度モニタリング」）ことで、アナログスイッチ回路１０１の放射線による劣化の状態を診断することができる。

図９は、マルチプレクサ回路１１０の入力信号の切替順の一例を示す図である。図３と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図９に示すように、耐放射線マルチプレクサ１００Ａは、マルチプレクサ回路１１０が、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネル（ＧＮＤ）とし、ゲート信号制御部１２０が、ダミーチャネル（ＧＮＤ）にＯＮ時間（図９の双方向矢印ｆ）を設けることで、有効チャネル（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）（図９の双方向矢印ａ～ｃ）の放射線劣化を低減させることが可能である。

また、耐放射線マルチプレクサ１００Ａは、有効チャネル（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）に加えて、ダミーチャネル（ＧＮＤ）を順に切り替えて使用する。この順序は用途に応じて任意に変えることが可能である。

ここで、ダミーチャネルのＯＮ時間（図５の双方向矢印ｄ）は、長くするほど耐放射線性能を向上させることが可能である。一方で、放射線が低い環境では、ダミーチャネルのＯＮ時間（図９の双方向矢印ｄ）を０もしくは極力短くすることで各チャネルの計測精度を向上させることができる。このダミーチャネルのＯＮ時間は、マルチプレクサ周囲の放射線量で任意に変えることが望ましい。

図１０は、マルチプレクサ回路１１０の制御信号の一例を示す図である。図４と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図４と同様に、１、０の制御信号を用いて切替動作を説明する。Ａ１、Ａ２はマルチプレクサのスイッチを切り替えるための制御信号である。
図１０の最左列はどのスイッチがＯＮ状態かを示しており、例えば、（Ａ１、Ａ２）＝（０、０）のときＸ１がＯＮ、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４がＯＦＦということを表している。

上記の制御方法は、全チャネルＯＦＦ機能動作の一例を示すものであり、制御信号レベルや切替順序、制御信号と切替動作の対応は自由に選択できる。

以上の構成において、耐放射線マルチプレクサ１００Ａは、ゲート信号制御部１２０Ａがダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間を設ける。有効チャネル（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の劣化を低減させることが可能である。有効チャネルのＯＮ時間に対してダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間をより長くすることで、さらなる耐放射線性能の向上が可能となる。

［第２の実施形態の効果］
本発明の第２の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ１００Ａ（図８）は、マルチプレクサ回路１１０が、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネル（ＧＮＤ）とし、ゲート信号制御部１２０Ａは、ダミーチャネル（ＧＮＤ）にＯＮ時間を設ける

マルチプレクサ回路１１０の入力信号のＧＮＤは、使っていないチャネルであり劣化等があっても影響はないチャネルである。劣化による影響をダミーチャネル（ＧＮＤ）側で担うことで、有効チャネル（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の放射線劣化を低減させることができる。
また、第１の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ１００（図１）よりも簡易的な構成でマルチプレクサの耐放射線性能を向上させることができる。

耐放射線マルチプレクサ１００Ａ（図８）において、マルチプレクサ回路１１０は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用する有効チャネルとし、有効チャネルとダミーチャネル（ＧＮＤ）とを順に切り替えて使用する。

このように、有効チャネルとダミーチャネル（ＧＮＤ）とを順に切り替えて使用することで、蓄積的に作用する放射線劣化を、各チャネルにおいて分散させることができる。その結果、放射線劣化の進行を装置全体として遅延させることができ、長時間安定して使用することが可能となる。

耐放射線マルチプレクサ１００Ａ（図８）において、ゲート信号制御部１２０Ａは、ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間（図５の双方向矢印ｄ）を有効チャネルのＯＮ時間（図５の双方向矢印ａ～ｃ）よりも長くする。

このようにすることにより、有効チャネルのＯＮ時間に対してＧＮＤのＯＮ時間をより長くすることで、さらなる耐放射線性能の向上が可能となる。ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間は、長くするほど耐放射線性能を向上させることが可能である。放射線が低い環境では、ダミーチャネル（ＧＮＤ）のＯＮ時間を０もしくは極力短くすることで各チャネルの計測精度を向上させることができる。

耐放射線マルチプレクサ１００Ａ（図８）において、ダミーチャネル（ＧＮＤ）にパイロット信号（例えば、固定のＤＣ電圧などの既知の信号）を入力し、放射線によるアナログスイッチ回路１０１のリーク電流の変化を計測する。

このようにすることにより、簡易的な構成でマルチプレクサの耐放射線性能を向上させるとともに、放射線照射の影響による劣化を診断（マルチプレクサの劣化度を診断）することができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサの構成を示す図である。図１と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図１１に示すように、耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００Ｂは、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴで構成されたマルチプレクサ回路１１０Ｂと、マルチプレクサ回路１１０Ｂに入力される入力信号の全チャネルのゲート電圧をオフにする動作モードを有するゲート信号制御部１２０Ｂと、を備える。
図１１に示す耐放射線マルチプレクサ１００Ｂが、図１に示す耐放射線マルチプレクサ１００と異なるのは、各信号線に対応するアナログスイッチ回路が並列で２倍となっている点である。
耐放射線マルチプレクサ１００Ｂは、マルチプレクサ回路１１０Ｂが、各チャネルに対応するアナログスイッチ回路ＳＷを２つ以上並列で備える。

マルチプレクサ回路１１０Ｂは、８個のアナログスイッチ回路（ＳＷ１１とＳＷ２１、ＳＷ１２とＳＷ２２、ＳＷ１３とＳＷ２３、ＳＷ１４とＳＷ２４）を備え、それぞれの第１端子に入力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を入力している。
アナログスイッチ回路（ＳＷ１１とＳＷ２１、ＳＷ１２とＳＷ２２、ＳＷ１３とＳＷ２３、ＳＷ１４とＳＷ２４）の回路構成は、例えば、図２に示すアナログスイッチ回路１０１と同様である。

また、アナログスイッチ回路（ＳＷ１１とＳＷ２１、ＳＷ１２とＳＷ２２、ＳＷ１３とＳＷ２３、ＳＷ１４とＳＷ２４）は、第２端子に出力信号Ｘ１とＹ１，Ｘ２とＹ２，Ｘ３とＹ３，Ｘ４とＹ４を出力する。アナログスイッチ回路（ＳＷ１１とＳＷ２１、ＳＷ１２とＳＷ２２、ＳＷ１３とＳＷ２３、ＳＷ１４とＳＷ２４）のそれぞれの第２端子は、互い接続され、マルチプレクサ回路１１０Ｂの出力端子となっている。この出力端子から出力信号ＯＵＴが出力する。
また、マルチプレクサ回路１１０は、アナログスイッチ回路（ＳＷ１１とＳＷ２１、ＳＷ１２とＳＷ２２、ＳＷ１３とＳＷ２３、ＳＷ１４とＳＷ２４）を切替えるための制御信号Ａ１，Ａ２，Ａ３が入力している。

図１１では、４入力１出力のマルチプレクサ回路１１０Ｂは、入力信号Ｓ１～Ｓ４に対応して、出力信号Ｘ１～Ｘ４，Ｙ１～Ｙ４のアナログスイッチ回路が設けられる。そのアナログスイッチ回路１０１を切り替えるための制御信号はＡ１、Ａ２、Ａ３の３か所から入力される。出力信号はＯＵＴから出力される。

以上の構成において、耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）１００Ｂは、放射線の線量率が低い環境においては、ゲート信号制御部１２０Ｂが、スイッチＸ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）を用いるようスイッチＸ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）に切り替える。また、ゲート信号制御部１２０Ｂは、スイッチＸ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）が放射線によって劣化した場合には、スイッチＹ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）に切り替える。このように、アナログスイッチ回路１１０Ｂに冗長性を持たせることで、耐放射線性能を向上させることが可能となる。

なお、スイッチＸ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）からスイッチＹ（アナログスイッチ回路ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３、ＳＷ１４）への切り替えは、一定積算線量を超えた場合に自動で切り替えてもよいし、手動で任意のタイミングで切り替えてもよい。

また、第２の実施形態の耐放射線マルチプレクサ１００Ｂのように、入力信号の１つをＧＮＤもしくはパイロット信号（図８および図９参照）として劣化度をモニタリングし、一定の劣化度を超えたところでスイッチＹに切り替える仕組みとしてもよい。

図１２は、マルチプレクサ回路１１０Ｂの制御信号の一例を示す図である。図４と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。

図４と同様に、１、０の制御信号を用いて切替動作を説明する。Ａ１、Ａ２、Ａ３はマルチプレクサのスイッチを切り替えるための制御信号である。

図１２の最左列はどのスイッチがＯＮ状態かを示しており、例えば、（Ａ１、Ａ２、Ａ３）＝（０、０、０）のときＸ１がＯＮ、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４がＯＦＦということを表している。

上記の制御方法は、全チャネルＯＦＦ機能動作の一例を示すものであり、制御信号レベルや切替順序、制御信号と切替動作の対応は選択できる。

［第３の実施形態の効果］
本発明の第３の実施形態に係る耐放射線マルチプレクサ１００Ｂ（図１１）は、マルチプレクサ回路１１０Ｂが、各チャネルに対応するアナログスイッチ回路ＳＷを２つ以上並列で備える。

このようにすることにより、アナログスイッチ回路１１０Ｂに冗長性を持たせることで、耐放射線性能を向上させることが可能となる。すなわち、（１）放射線によって一方のスイッチ群が劣化した場合には、他方のスイッチ群に切り替えることができる。あるいは、（２）一方のスイッチ群と他方のスイッチ群とを順次切り替えることで、蓄積的に作用する放射線劣化を、アナログスイッチ回路において分散させることができる。上記（１）および（２）のいずれの場合でも、放射線劣化の進行を装置全体として遅延させることができ、長時間安定して使用することが可能となる。

なお、本発明は、上記各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜その構成を変更することができる。ＳｉＣは、種々のタイプのものがあるが、どのタイプのものも適用可能である。

上記した各実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００，１００Ａ，１００Ｂ 耐放射線マルチプレクサ（ＭＵＸ）
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ マルチプレクサ回路
１０１ アナログスイッチ回路
１１１ ｐＭＯＳ（シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ）
１１２ ｎＭＯＳ（シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ）
１２０ ゲート信号制御部
ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ
ＳＷ１～ＳＷ４ アナログスイッチ回路
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 入力信号
ＧＮＤ ダミーチャネル

Claims (7)

1. シリコンのバンドギャップより広いバンドギャップを有するＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）で構成されたアナログスイッチ回路と、
   前記アナログスイッチ回路を出力段に有するマルチプレクサ回路と、
   前記マルチプレクサ回路の全チャネルをＯＦＦにするゲート信号を印加する動作モードを有するゲート信号制御部と、を備え、
   前記マルチプレクサ回路は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用しないダミーチャネルとし、
   前記ゲート信号制御部は、前記ダミーチャネルに所定のＯＮ時間を設ける
   ことを特徴とする耐放射線マルチプレクサ。
2. 前記アナログスイッチ回路のＭＯＳＦＥＴは、シリコンカーバイドによる半導体を有して構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐放射線マルチプレクサ。
3. 前記マルチプレクサ回路は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用する有効チャネルとし、
   前記ゲート信号制御部は、前記マルチプレクサ回路の全チャネルのＯＦＦの時間を、前記有効チャネルのＯＮ時間よりも長くする
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐放射線マルチプレクサ。
4. 前記マルチプレクサ回路は、複数の入力チャネルの１つ以上を、入力信号を使用する有効チャネルとし、
   前記有効チャネルと前記ダミーチャネルとを順に切り替えて使用する
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐放射線マルチプレクサ。
5. 前記ゲート信号制御部は、前記ダミーチャネルのＯＮ時間を前記有効チャネルのＯＮ時間よりも長くする
   ことを特徴とする請求項４に記載の耐放射線マルチプレクサ。
6. 前記ダミーチャネルにパイロット信号を入力し、放射線による前記アナログスイッチ回路のリーク電流の変化を計測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐放射線マルチプレクサ。
7. 前記マルチプレクサ回路は、各チャネルに対応する前記アナログスイッチ回路を２つ以上並列で備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐放射線マルチプレクサ。