JPH07333343A - 高エネルギー粒子線用積算線量モニター - Google Patents

高エネルギー粒子線用積算線量モニター

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JPH07333343A
JPH07333343A JP6150593A JP15059394A JPH07333343A JP H07333343 A JPH07333343 A JP H07333343A JP 6150593 A JP6150593 A JP 6150593A JP 15059394 A JP15059394 A JP 15059394A JP H07333343 A JPH07333343 A JP H07333343A
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Naoki Kishimoto
直樹 岸本
Hiroshi Amekura
宏 雨倉
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National Research Institute for Metals
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体シリコン中にエネルギー的に浅い不純
物が1015〜1017/cm3添加された積算線量モニターであっ
て、不純物から供給された自由電荷が、高エネルギー放
射線により生成した照射欠陥を補償することにより、そ
の照射欠陥の自由電荷捕獲能力を減殺して、電気伝導度
を臨界線量まで一定値に保ち、電気伝導度をその臨界線
量以上において急激に変化させる。 【効果】 高エネルギー粒子線の照射により電気伝導度
がある臨界線量値を境に大きく変化することから、小さ
な試験片により、テスター等の簡便な方法で線量を決定
することができる。また、その大きな変化を利用して、
放射線環境のアラーム等に用いることができる。そし
て、この発明の高エネルギー粒子線用線量モニターは、
原子炉等過酷な放射線環境の新しい積算線量モニターと
して広く応用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、高エネルギー粒子線
用積算線量モニターに関するものである。さらに詳しく
は、この発明は、原子炉、宇宙環境、あるいは加速器等
の高エネルギー粒子線環境下において、ドシメトリ(線
量の空間分布測定)や環境モニタリングのための積算線
量の計測等に有用な高エネルギー粒子線用積算線量モニ
ターに関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来から、原子炉、加速器、
あるいはガンマー線等の利用施設において、それらの放
射線量を各種機器により測定することは、機器の性能評
価および安全性の点検等から必要不可欠となっており、
そのための計測方法が種々工夫されてきているが、放射
線量の空間分布を計測しそれを評価することは、現在に
至っても、それほど容易なことではない。
【0003】例えば従来は、原子炉内の放射線量を測定
する場合、材料のスウェリング(膨れ)等物性変化や核
反応生成物の測定から、間接的に積算線量を推定し、炉
物理計算からの推定値と比較して、放射線量の分布を決
めている。また、例えば、加速器内の放射線量を測定す
る場合では、イオン種とエネルギーが既知の場合は、電
流(電荷量)等から粒子線量が決められるが、ターゲッ
トから2次的に出る放射線等の空間分布の正確なモニタ
ーは現状の技術では非常に困難である。
【0004】このような従来の放射線測定方法に対し
て、例えば、金属や半導体材料の電気伝導度が、高エネ
ルギー粒子線照射で生成する点欠陥により増大すること
を利用して、小さな体積の素子により線量測定を行うこ
とが可能ではあるとの指摘もなされている。しかしなが
ら、こような方法においては、変化が連続的かつ緩やか
であり、その結果、正確な線量の測定は未だに可能では
ない。
【0005】一方、線量の測定が簡便でかつ、明瞭な変
化を示す材料の例として、色中心を生成するイオン結晶
が知られている。このイオン結晶は、高エネルギー放射
線の照射が一定線量に達すると色中心(欠陥の一種)が
発生して着色するものであり、さらに、このイオン結晶
を用いた線量の測定方法では、小さな体積の試料で済む
ので高空間分解能の測定も可能である。
【0006】しかしながら、この方法においては、着色
現象を電気的にモニターすることは簡便ではなく、さら
に、色中心が発生する臨界線量は材料固有であり制御す
ることはできないという欠点もある。この発明は、以上
の通りの従来技術の欠点を解消し、高エネルギー粒子線
環境下においても正確に線量を測定することが可能な、
新しい高エネルギー粒子線積算線量モニターを提供する
ことを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、半導体シリコン中にエネルギー
的に浅い不純物が1015〜1017/cm3添加された積算線量モ
ニターであって、その不純物から供給された自由電荷
が、高エネルギー放射線により生成した照射欠陥を補償
することにより、その照射欠陥の自由電荷捕獲能力を減
殺して電気伝導度を臨界線量まで一定値に保ち、電気伝
導度をその臨界線量以上において急激に変化させ、さら
にその臨界線量を不純物添加によって制御できることを
特徴とする高エネルギー粒子線用積算線量モニターを提
供する。
【0008】
【作用】この発明は、以上の通りの構成を有するもので
あるが、「エネルギー的に浅い」との規定は、電子を供
給するn型不純物に対しては伝導帯に近いエネルギー準
位であることを意味し、正孔を供給するp型不純物に対
しては価電子帯に近いエネルギー準位であることを意味
している。反対に、「エネルギー的に深い」とは、電子
を供給するn型電子状態に対しては伝導体から離れたエ
ネルギー準位であることを意味し、正孔を供給するp型
電子状態に対しては価電子帯から離れたエネルギー凖
位、すなわち、禁制体の中央に近いエネルギー凖位であ
ることを意味している。
【0009】すなわち、この発明は、エネルギー的に浅
い不純物を添加した半導体シリコンを電気伝導型素子と
して採用することによって、これまで困難であった高エ
ネルギー粒子線環境下における線量計測に、最適な臨界
的電気特性を与え、簡便な線量検知を可能としている。
そして、この発明においては、n型またはp型のエネル
ギー的に浅い不純物を1015〜1017/cm3 添加した半導体
シリコンを用いる。不純物が1015/cm3 未満の場合に
は、照射欠陥の補償効果は不充分であって、また、1017
/cm3 を超える場合には、かえって線量検出性能におい
て低下するので好ましくない。また、この発明では、半
導体材料にオーミック特性を持つ平行(プラナー)型電
極を備えることが望ましく、この素子に直流電場を印加
し、高エネルギー粒子線照射中あるいは照射後に電気伝
導度を測定することができる。この時、一定線量を越え
ると電気伝導度が急激に減少し、臨界線量を越えたこと
が分かり、また、その大きな感度係数により、線量を比
較的高精度に評価することができる。
【0010】この発明の高エネルギー粒子線用積算線量
モニターでは、前記の通り、電気伝導素子中にエネルギ
ー的に浅い不純物を添加して自由電荷を供給し、高エネ
ルギー放射線により生成した照射欠陥を、その自由電荷
で補償することにより照射欠陥の自由電荷捕獲能力を減
殺して、ある一定量の粒子線量(照射欠陥数が不純物濃
度と拮抗する臨界線量)まで一定の電気伝導度を保つ。
そして、その線量以上に対して、急激な電気伝導度の低
下を発生させる。
【0011】このため、照射欠陥が導入された状態で
は、自由電荷が欠陥を埋める(補償する)ため電気伝導
特性が急激には劣化せず、臨界線量まではほぼ一定の電
気伝導度を示し、照射欠陥数が不純物濃度を充分越える
と急に自由電荷が枯渇して臨界的変化を呈することにな
る。より具体的には、この発明においては、n型のPお
よびSb等のエネルギー的に浅い不純物、または、p型
のBおよびGa等のエネルギー的に浅い不純物を、1015
〜1017/cm3 添加した電気伝導素子を室温から−73℃
程度で用いることが望ましい。
【0012】図1は、この発明の高エネルギー粒子線用
積算線量モニターの動作原理を示したものである。すな
わち、この図1にも示したように、高エネルギー放射線
が生成する照射欠陥は、一般的に、半導体材料中にエネ
ルギー的に深い準位を作り、熱励起された電荷等を直ち
に捕獲し電気伝導度を減少させてしまう。一方、この発
明の高エネルギー粒子線用積算線量モニターでは、エネ
ルギー的に浅い不純物を比較的多く添加して自由電荷を
供給し、高エネルギー放射線により生成した照射欠陥を
補償して、照射欠陥の捕獲能力を減殺する。 このた
め、照射欠陥が導入された状態では、自由電荷が欠陥を
補償するため、電気伝導特性が急激には劣化せず、従来
の無添加である電気伝導素子と比べて、優れた臨界的な
電気伝導特性を示すことになる。
【0013】なお、この発明を構成する電気伝導素子
は、直流または交流電気伝導方法を用いることが望まし
く、その電気伝導素子は、オーミック特性を持つ平行
(プラナー)型電極をもち、電極以外の部分に、エッチ
ング処理を施してもよく、電極部にマニキュア等のエッ
チング保護剤を塗布した後、乾燥させ、CP4等のフッ
酸系エッチング液により表面エッチングを施してもよ
い。
【0014】この発明の高エネルギー粒子線用積算線量
モニターについては、従来公知の電極作製技術を適宜に
使用してよく、電極用金属材料としては、Au、およ
び、Al等を基本として、不純物を添加するために、n
型シリコンに対してはSb、および、P等を添加物とし
て含み、p型シリコンに対しては,B、および、Ga等
を0.1 〜1%程度含んだ材料を蒸着源に用いて、真空蒸
着装置により約50nm〜1μm程度蒸着することができ
る。
【0015】次いで拡数処理することで不純物の添加が
可能とされる。 またさらに、この発明の積算線量モニ
ターにおいては、素子冷却技術、直流電源、電位差計、
および、電流計等については、従来公知のものをはじめ
として、適宜なものを使用してもよい。以下、実施例を
示し、さらに詳しくこの発明の高エネルギー粒子線用積
算線量モニターについて説明する。
【0016】
【実施例】はじめに、p型不純物としてのBを約1 ×10
15/cm3(試料番号:P1E15 )含む半導体シリコンのウェ
ハー(厚さ約200 ミクロン)と、n型不純物としてPを
約4 ×1015/cm3(試料番号:N4E15 )含む半導体シリコ
ンのウェハー(厚さ約200 ミクロン)を、幅約4mm ×長
さ約7 mm程度の短冊形状に切り出した。
【0017】その短冊形状のシリコンウェハーの中央の
幅約1mm の部分を被測定部とし、残りの部分にプラナー
型オーミック電極を形成して、電気伝導素子とした。こ
のオーミック電極は、p型試料に対してはGa添加A
u、n型試料にはSb添加Auを蒸着し、熱拡散処理
(500 ℃×10分)により作製した。図2に示すように、
電極間には約1 〜10Vの電界を印可し、室温または零下
73℃に冷却される。素子の電流と電圧降下を測定するこ
とにより電気伝導度が評価される。高エネルギー粒子線
については、17MeV プロトンを照射して、電気伝導特性
への影響を検査した。
【0018】図3に示すように、この発明線量モニター
を構成する素子の電気伝導度は、ほとんど不純物を添加
されていない標準材P1E13 (p型不純物1 ×1013/cm3
に比べて、粒子線に対して変化が少ない。すなわち、標
準材の電気伝導度が照射開始直後から急激に低下するの
に対し、P1E15 、および、N4E15 の電気伝導度は、それ
ぞれ、2.5 ×1013ion/cm2 (1.3 ×10-7dpa )、およ
び、8 ×1013ion/cm2(4 ×10-7dpa )の線量に至るま
で、ほぼ一定の値が得られる。一方、その間、標準材P1
E13 の電気伝導度は5桁程度低下した。このようにP1E1
5 、および、N4E15 の電気伝導度は臨界線量までは安定
しており、臨界線量を越えると急激に低下する。この臨
界線量は、不純物濃度と一定の比率になっており、不純
物量を制御することにより、臨界線量を制御することが
できる。
【0019】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
り、高エネルギー粒子線の照射により電気伝導度の17
MeVプロトン照射線量依存性がある臨界線量値を境に
大きく変化することから、小さな試験片により、テスタ
ー等の簡便な方法で線量を決定することができる。ま
た、その大きな変化を利用して、放射線環境のアラーム
等に用いることができる。そして、この発明の高エネル
ギー粒子線用線量モニターは、原子炉等過酷な放射線環
境の新しい積算線量モニターとして広く応用することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の原理を示した概念図である。
【図2】この発明を示した構成模式図である。
【図3】この発明と従来の積算線量モニターの電気伝導
度の17MeVプロトン照射線量依存性を示した関係図
である。ここで横軸(上)の単位dpaとはイオン密度
(ion/cm2 )に対応する照射欠陥生成量(比濃度)を意
味する。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体シリコン中にエネルギー的に浅い
    不純物が1015〜1017/cm3添加された積算線量モニターで
    あって、不純物から供給された自由電荷が、高エネルギ
    ー放射線により生成した照射欠陥を補償することによ
    り、その照射欠陥の自由電荷捕獲能力を減殺して電気伝
    導度を臨界線量まで一定値に保ち、電気伝導度をその臨
    界線量以上において急激に変化させることを特徴とする
    高エネルギー粒子線用積算線量モニター。
JP6150593A 1994-06-09 1994-06-09 高エネルギ―粒子線用積算線量モニタ― Expired - Lifetime JP2535786B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108345022A (zh) * 2017-01-22 2018-07-31 中国科学院国家空间科学中心 一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108345022A (zh) * 2017-01-22 2018-07-31 中国科学院国家空间科学中心 一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法
CN108345022B (zh) * 2017-01-22 2019-08-20 中国科学院国家空间科学中心 一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法

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