WO2002063340A1 - Radiametre et element de detection de radiations - Google Patents

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WO2002063340A1
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radiation
thin film
film layer
radiation detector
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PCT/JP2002/000888
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French (fr)
Inventor
Josuke Nakata
Hidemasa Tomozawa
Tomoji Takamasa
Koji Okamoto
Original Assignee
Kyoto Semiconductor Corporation
Center For Advanced Science And Technology Incubation, Ltd.
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/26—Measuring radiation intensity with resistance detectors

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector, and more specifically, to a new finding that, when a thin film made of a semiconductor or an insulator is irradiated with radiation, the conductance of the thin film changes sufficiently to be extracted as an external signal.
  • the present invention relates to a radiation detector and a radiation detecting element configured based on the radiation detector.
  • ⁇ For example, when the energy of the radiation to be detected is 1 MeV or more, even if a telluride force dome with the largest absorption coefficient among the conventionally used semiconductor materials is used, a thickness of 1 mm or more is used. In addition to the need for semiconductors, complicated Pn junction structures must be used to suppress leakage current.
  • An object of the present invention is to provide a radiation detector capable of stably measuring radiation intensity over a wide radiation intensity range including a high intensity range, with a simple configuration. Disclosure of the invention
  • the technical means adopted by the present invention to solve such a problem includes an insulating substrate, a thin film layer made of a semiconductor or an insulator formed on the surface of the substrate, and at least one pair of electrodes provided on the thin film layer.
  • the phenomenon in which the conductance of an insulator or semiconductor irradiated with light increases when the insulator or semiconductor is irradiated with light is known as the photoconductive effect (internal photoelectric effect).
  • the inventors of the present application have conducted intensive studies and have found that even if an insulator or semiconductor is irradiated with radiation, the conductance of the irradiated insulator or semiconductor is not sufficient to take out as an external signal. It was found that there was a change, and that the change in radiation intensity and conductance had linearity. This is a completely new finding. When the change in conductance does not depend on the thickness of the object irradiated with radiation, it is considered that the carrier is mainly generated on the film surface.
  • the radiation irradiation modifies the surface irradiated with the radiation and induces a carrier on the surface and at or near the surface.
  • the radiation includes ⁇ rays, / 3 rays, ⁇ rays, X rays, and neutron rays. .
  • the insulating substrate is made of an insulating material with excellent radiation resistance (for example, alumina). It is desirable to carry out.
  • the thin film layer forming the radiation detection layer is composed of a semiconductor or an insulator whose conductance changes linearly with irradiation.
  • Such a thin film layer is preferably formed of a metal oxide.
  • the metal oxide includes an oxide semiconductor and an insulator. It is desirable that the metal oxide constituting the thin film layer be a material whose conductance changes linearly by irradiation with radiation and a material having excellent radiation resistance.
  • the metal oxide is titanium oxide (Ti0 2), alumina (A1 2 0 3), oxide Jirukoniu arm ( ⁇ ⁇ 0 2), iron oxide (Fe 2 0 3), zinc oxide (Zn0), oxide yttrium (Y 2 0 3), oxide manganese (Mn0 2), oxide Neojiumu (Nd 2 0 3), oxide Seriumu (CeO 2), tin oxide (Sn0 2), is selected from strontium titanate (SrTi0 3) It includes one type or any combination of two or more types.
  • the titanium oxide rutile-type titanium oxide and anatase-type titanium oxide can be adopted, but rutile-type titanium oxide is excellent in response characteristics.
  • Rutile-type titanium oxide is a semiconductor material with excellent radiation resistance.
  • the band gap (3.0 eV) of this titanium oxide is ⁇ -ray energy (in the case of cobalt 60, 1.1 lMeV and 1 lMeV). Less than 3 MeV).
  • the thickness of the thin film layer forming the radiation detection layer is, for example, ⁇ ⁇ ⁇ ! Although the range of ⁇ 2 mm can be adopted, it is revolutionary to be able to detect radiation in the order of 100 m or less. In a conventional semiconductor radiation detector, a semiconductor layer having a desired thickness is sandwiched between electrodes from both sides.
  • the thin film layer is made by a sputtering method.
  • radiation is detected by a thin film layer provided on one surface of a substrate, and radiation can be detected satisfactorily even if the thickness of the thin film layer is, for example, 1 m or less. Therefore, their principles are completely different.
  • the radiation detection layer may be formed from a thin film layer made of a semiconductor or an insulator. Therefore, a pn junction is not required for the semiconductor layer, a semiconductor layer having a large thickness is not required, and a semiconductor layer formed of a high-purity semiconductor is not required. Therefore, the configuration of the radiation detecting element is simplified, and an inexpensive radiation detector can be realized.
  • the voltage applied between the electrodes by the voltage applying means is determined according to the material of the radiation detection layer and the distance between the pair of electrodes, and is, for example, a DC voltage of about 5 to 100 V.
  • the current detecting means for example, a DC operational amplifier can be applied.
  • a carrier is generated near the surface of the radiation detection layer, and the generated carriers flow to one electrode. Therefore, radiation can be detected by detecting a change in conductance due to the generation of the carrier as an electric signal by the current detecting means.
  • the radiation dose can be detected.
  • An airtight shield may be provided to hermetically shield the surface of the radiation detection layer and the pair of electrodes so that the surfaces are not exposed to the outside. If the surface of the radiation detecting layer or the surface of the electrode is exposed, a weak ionization current generated by ionization of the gas in the atmosphere due to the radiation may flow to the electrode.
  • the semiconductor radiation detector may be provided with an alarm for notifying that radiation has been detected.
  • an alarm activates and issues an alarm, enabling quick evacuation from radiation.
  • FIG. 1 is a front view of a radiation detector according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a front view of a radiation detection element
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the radiation detection element
  • FIG. 4 is a control unit.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between ⁇ -ray intensity and generated current
  • FIG. 6 is a perspective view of a radiation detector according to another embodiment
  • FIG. 7 is a radiation diagram used in an experiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between ⁇ -ray intensity and generated current
  • FIG. 9 is a diagram showing the response and stability of radiation detection
  • FIG. 10 is a diagram of the radiation detection layer.
  • Fig. 11 is a graph showing the relationship between the film thickness and the generated current.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between ⁇ -ray intensity and generated current when the radiation detection layer is made of alumina.
  • the radiation detector 1 detects ⁇ -rays as ionizing radiation and measures the intensity thereof.
  • the radiation detector 1 includes a radiation detection element 10 for detecting radiation, a control unit 20, a coaxial cable 30, a display 31, and an alarm 32.
  • the radiation detecting element 10 is composed of a substrate 11 made of an insulating material and a rutile-type titanium oxide thin film (for example, having a thickness of 2 mm) formed on the front surface of the substrate 11. 50 nm), a pair of electrodes 13, 14 connected to the surface of the semiconductor layer 12, a hermetic shield 15, and covering these back side and outer side Includes a metal case 16.
  • the substrate 11 is made of an insulating material having excellent radiation resistance, for example, alumina, and has a thickness of, for example, about 3 to 5 mm.
  • the semiconductor forming the semiconductor layer 12 is a semiconductor having excellent radiation resistance and a band gap lower than the energy of gamma rays (about 0.5 to 3 MeV).
  • Semiconductors that generate carriers near the surface shall be applied. Examples of such a semiconductor, rutile titanium oxide (Ti0 2) (Pandokiyappu about 3. 0 e V) can be applied.
  • the semiconductor layer 12 can be formed on the surface of the substrate 11 by a well-known method such as Spack method or laser ablation vapor deposition.
  • a sputtering method using an argon gas using a material mixed with a dopant to form p-type or n-type titanium oxide is employed.
  • the semiconductor layer 12 is desirably formed as high as possible in resistivity and as thin as possible in order to reduce the current.
  • the pair of electrodes 13 and 14 provided on the surface of the semiconductor layer 12 are formed by, for example, electroless plating a metal thin film composed of a palladium thin film and a nickel thin film and then performing a heat treatment at about 400 ° C. It can be formed by ohmic contact.
  • the pair of electrodes 13 and 14 is connected to the control unit 20 via two lead-coated coaxial cables 30.
  • the type of metal forming the electrodes 13 and 14 is not limited as long as it has good conductivity.
  • An airtight shield 15 for airtightly shielding the surfaces of the semiconductor layer 12 and the electrodes 13 and 14 is also provided.
  • the hermetic shield 15 for example, an alumina coat-glass coat having a thickness of about 200 nm can be applied. However, it may be housed in a vacuum state in the package as an airtight shield.
  • the control unit 20 includes a microcomputer 21, an input / output interface 22 (I / O), and a predetermined voltage applied to electrodes 13 and 14 via a coaxial cable 30.
  • a voltage application circuit 23 for applying a DC voltage (for example, 5 V) and a current detector 24 connected to a cable 30a connected to one electrode 13 of the coaxial cable 30
  • An amplifier circuit 25 for amplifying the electric signal detected by the current detector 24; a driving circuit 26 for a display 31 composed of, for example, a liquid crystal display; and a driving circuit 2 for an alarm 32.
  • the voltage application circuit 23 is connected to an external power supply by a power supply cable 28.
  • the current detector 24 has, for example, a configuration in which an electric signal taken out from the electrode 13 is passed through a solenoid coil to detect a magnetic line of force generated through a Hall element, so that the electric signal can be detected with high accuracy. It is.
  • the signal detected by the current detector 24 is amplified by the amplifier circuit 25 and supplied to the input / output interface 22, where it is converted into a digital signal by the AZD converter inside and converted into a microcontroller. Input to pewter 21. Further, as the current detector 24, a device that detects an electric signal with an inexpensive current amplifier may be applied.
  • the microcomputer 21 has a CPU, a ROM, and an AM.
  • the ROM has a radiation detection control program for detecting radiation, a display control program for displaying on the display 31, and an adverse effect on the human body.
  • Fig. 5 shows the relationship between the y-ray intensity and the current generated in the semiconductor layer 12 by radiation irradiation near the surface of the semiconductor layer 12 when the semiconductor layer 12 made of rutile titanium oxide receives V-rays. It was obtained experimentally, and the relationship between the generated current and the / line intensity is almost linearly proportional, so that the intensity of ⁇ -rays can be detected from the current generated by irradiation.
  • the microcomputer 21 constantly processes the current value data stored in the RAM buffer while updating the current value data using a predetermined arithmetic expression, thereby detecting a small increase in current due to radiation irradiation, and detecting the increase in the current and the increase in the current shown in FIG.
  • the intensity of the ⁇ -ray incident on the semiconductor layer 12 is calculated based on the characteristic line (or a predetermined arithmetic expression instead of the characteristic line).
  • the detected intensity of the y-ray is displayed on the display 31 in the form of a numerical value and a graph. When the intensity of the 0 / line is higher than a predetermined level, the alarm 32 is activated and the alarm is activated. Information is issued.
  • This semiconductor radiation detector 1 is suitable for detecting and measuring y-rays in a nuclear power plant, a radioactive waste or a radioactive waste treatment facility, and the like. It can be installed and used as a control unit 20, a display 31 and an alarm 32 in a monitoring room or a control room.
  • the semiconductor layer 12 does not require a pn junction, does not require a thick semiconductor layer, and does not need to form a semiconductor layer with a high-purity semiconductor, the configuration of the semiconductor layer 12 is simplified. Therefore, the semiconductor layer 12 can be manufactured at low cost, and the semiconductor radiation detector 1 at low cost can be realized. Since rutile-type titanium oxide having excellent radiation resistance is used as a semiconductor constituting the semiconductor layer 12, a radiation detector excellent in operation stability, reliability, and durability can be realized.
  • the change in conductance of the semiconductor layer due to irradiation is considered to be mainly due to the carrier generated near the surface of the semiconductor layer.
  • the semiconductor layer is sufficient to be a thin film
  • the semiconductor layer 12 is formed by a thin film. It can be configured. Therefore, the size and weight of the semiconductor layer 12 can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the airtight shield 15 shields the surface of the semiconductor layer 12 and the pair of electrodes 13 and 14 in an airtight manner so that they are not exposed to the outside.
  • the weak ionization current generated by the ionization of the gas does not flow to the electrodes, and the weak current due to radiation irradiation can be reliably detected.
  • An alarm device 32 is provided to notify that radiation has been detected, and an alarm is issued when the radiation detection element 10 detects radiation. Can be evacuated.
  • Radiation detector 1 A is case 40, Indicator 41 mounted on the front side of case 40, radiation detection element 42 mounted near the front side of case 40, and alarm 4 mounted near the front side of case 40 3, a control unit (not shown) provided inside the case 40, an operation panel 44 provided on the surface of the case 40, and a power supply line 45 for connecting to a power supply.
  • the radiation detector 1A has the same configuration as the radiation detector 1 except that the radiation detector 1A is configured integrally, and has the same operation and effect. Since this radiation detector 1A is a small and portable type, it is appropriately transported to the vicinity of nuclear reactors, radioactive waste, radioactive waste treatment facilities, etc., and directly receives the high-intensity radiation generated at those locations. Because it can be easily detected, safety management for radiation can be improved.
  • the thin film layer for detecting radiation has been described as a preferred example based on rutile-type titanium oxide.
  • the thin-film layer employed in the present invention is not limited to rutile-type titanium oxide, and may be irradiated with radiation.
  • Other semiconductors or insulators whose conductance changes depending on the characteristics may be used.
  • strontium titanate can be used as a semiconductor for forming a semiconductor layer. This strontium titanate is a semiconductor material having excellent radiation resistance, and the band gap of the stonium titanate is smaller than the energy of the y-ray.
  • alumina is given as a preferable example of the insulator used for the thin film layer.
  • the substrate 11 may be made of glass or another insulating material. Further, the structure of the pair of electrodes 13 and 14 is not limited to the above. The number of electrodes is not limited to one pair, and a larger number of electrodes may be used.
  • the current detector 24 is an example, and a current detector having a different configuration and capable of detecting a weak current may be applied. Numerous current sensing means used in this type of detector are well known to those skilled in the art.
  • Semiconductor radiation detector 1 A is made even smaller, and a battery is used instead of the power supply line It is also possible to configure a semiconductor radiation detector with a small and lightweight structure that can be equipped for each worker as a power supply structure.
  • the present invention can be implemented by appropriately modifying the above embodiment without departing from the spirit of the present invention.
  • Fig. 7 is a perspective view of the radiation detection element used in the experiment.
  • the radiation detecting element includes a substrate 11 made of alumina, a thin semiconductor layer 12 for detecting radiation made of rutile titanium oxide provided on the surface of the substrate 11, and a semiconductor layer 12. It is composed of a pair of strip-shaped electrodes 13 and 14 provided facing each other at intervals. One of the pair of electrodes 13 and 14 constitutes a source and the other constitutes a drain, and the thin semiconductor layer 12 constitutes a gate for controlling a current flowing by radiation irradiation.
  • a rutile-type titanium oxide film is formed on an insulating substrate 11 made of alumina by sputtering, and counter electrodes 13, 14 are formed on the surface of the formed titanium oxide.
  • the film forming method will be described in more detail.
  • the film forming method is a helicon sputtering method, the film forming rate is on the order of 100 to 100 nm / h, and the film forming temperature is controlled to be constant. It is manufactured in the range of 80800 ° C. In Fig. 7, the thickness of the thin film constituting the radiation detection layer is t, and the distance between the pair of electrodes is! ), And the length of the electrode is A constant voltage was applied as a bias voltage to the electrodes 13 and 14 for measurement.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between ⁇ -ray intensity (horizontal axis) and generated current (vertical axis) when the thin film layer is made of rutile titanium oxide.
  • the current value (which may be replaced by conductance) changes linearly with respect to the ⁇ -ray intensity.
  • the current changes linearly in the high radiation intensity region of kGy / hr.
  • this radiation detection element can be used as a radiation detector in a wide intensity range from low intensity on the order of mGyZhr to high intensity on the order of kGy / hr or more.
  • Figure 9 is a graph showing the response characteristics and stability when the thin film layer is made of rutile titanium oxide. The horizontal axis is time, the vertical axis is current value, and the radiation intensity is 0.723 kGyZhr. From the figure, it can be seen that the response speed of the source to ON / OF is within 1 second. Furthermore, the error of the current value is stable within 2.4%.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the film thickness (horizontal axis), the current value (left vertical axis), and the current density (right vertical axis) when the thin film layer is made of rutile titanium oxide.
  • Current and current density were measured at three different thicknesses (20 ⁇ m, 250 nm, 750 nm). It can be seen that the current value increases as the thickness of the thin film layer increases, but that the current value is less dependent on the film thickness. It is considered that the change in the current value (conductance) due to irradiation is mainly due to the induction of carriers on the surface of the thin film layer.
  • Figure 1 when the thin film layer is alumina (A 1 2 0 3), is a graph showing the relationship between the current (vertical axis) generated a ⁇ -ray intensity (abscissa).
  • the gamma source is 6 .
  • the anoremina layer was formed on an alumina substrate by helicon sputtering. As is clear from the graph, the current value (conductance) changes linearly with the ⁇ -ray intensity.
  • the radiation detector according to the present invention can be configured as a small and portable type, it can directly and easily detect high-intensity radiation near a nuclear reactor, radioactive waste, a radioactive waste treatment facility, and the like. Safety management against radiation can be improved.

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Description

明 細 書 放射線検出器および放射線検出素子 技術分野
本発明は、 放射線検出器に係り、 詳しくは、 半導体あるいは絶縁体からな る薄膜に放射線を照射することにより該薄膜のコンダクタンスが外部信号と して取り出すのに十分な変化をするという新しい知見に基づいて構成された 放射線検出器およぴ放射線検出素子に関するものである。 背景技術
半導体を用いて放射線を検出する放射線検出器は実用化されている。 従来 の半導体放射線検出器では、 放射線を吸収するのに必要な大きな厚さの半導 体を装備する必要がある。 そのため、 その厚い半導体を空乏化させて大きな 漏れ電流が生じないようにする為に、 高純度の単結晶半導体を用いて： 'n接 合を形成しなければならなかった。
■ 例えば、 検出する放射線のエネルギーが 1 M e V以上の場合、 従来用いら れている半導体材料の中で吸収係数が最も大きいテルル化力ドミゥムを採用 する場合でも、 1 mm以上の厚さの半導体が必要となる上に、 漏れ電流を抑 制する為に複雑な P n接合構造にしなければならない。
しかも、 従来のシリコン半導体ゃ砒化ガリゥムゃテルル化力ドミゥムなど の化合物半導体を採用した放射線検出器は、 原子炉や放射線廃棄物やその処 理施設など 1 k G y / h以上の高エネルギーの放射線環境下では半導体素子 が電気的に壊れたり劣化したりし易く、 動作が不安定となり易く、 短期間の 使用で故障し耐久性に欠けるという問題点がある。 また、 鉄線量計などの放 射線検出器では、 その放射線発生場所で放射線の線量を計測できず、 即時性 がなく、 使用上の制約が大きいという問題もある。 本発明の目的は、 簡単な構成でありながら、 高強度の強度範囲を含む広い 放射線強度範囲にわたり安定して放射線の強度を測定できる放射線検出器を 提供することにある。 発明の開示
かかる課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、 絶縁性の基板 と、 該基板表面に形成した半導体あるいは絶縁体からなる薄膜層と、 該薄膜 層に設けた少なく とも一対の電極と、 該電極間に電圧を印加する電圧印加手 段と、 該電極から取り出される電流を検出する電流検出手段とを有し、 放射 線の照射によって該薄膜層のコンダクタンスが放射線強度に対して線形に変 化することを用いて、 放射線を検出することを特徴とするものである。
絶縁体、 半導体に光を照射したときに、 光が照射された絶縁体、 半導体の コンダクタンスが増加する現象は光導電効果 （内部光電効果） として知られ ている。 本出願に係る発明者らが鋭意研究したところ、 絶縁体や半導体に放 射線を照射することによつても、 放射線が照射された絶縁体、 半導体のコン ダクタンスが外部信号として取り出すのに十分な変化をすることが判り、 し かも放射線強度とコンダクタンスの変化が線形性を有することがわかった。 これは全く新しい知見である。 また、 コンダクタンスの変化が、 放射線が照 射された物体の膜厚に依存しないところを見ると、 主として膜表面において キヤリァが生成されているものと考えられる。 放射線の照射によりコンダク タンスが変化するという現象のみから見ると内部光電効果と類似するが、 /3 線 （電磁波ではない） の照射によってもコンダクタンスが変化することが確 認されており、 内部光電効果とは異なるものであるとも考えられる。 放射線 照射によって、 放射線が照射された表面の表面改質が行なわれ、 該表面およ ぴ Zあるいは表面近傍にキヤリァが誘起されるものと考えられる。 本発明に おいて、 放射線には、 γ線、 /3線、 α線、 X線、 中性子線が含まれる。.
絶縁性の基板は、 耐放射線性に優れる絶縁材料 （例えば、 アルミナ） で構 成することが望ましい。 放射線検出層を形成する薄膜層は、 放射線照射によ りコンダクタンスが線形的に変化するような半導体あるいは絶縁体から構成 される。 このような薄膜層は、好ましい例では、金属酸化物から構成される。 金属酸化物には酸化物半導体およぴ絶縁体が含まれる。 該薄膜層を構成する 金属酸化物は、 放射線照射によりコンダクタンスが線形的に変化するような 材料で且つ耐放射線性に優れた材料を適用することが望ましい。 好ましい例 では、 金属酸化物は、 酸化チタン（Ti02)、 アルミナ（A1203)、 酸化ジルコニゥ ム（Ζι·02)、 酸化鉄（Fe203)、 酸化亜鉛（Zn0)、 酸化イットリウム（Y203)、 酸化マ ンガン（Mn02)、酸化ネオジゥム（Nd203)、酸化セリゥム（Ce02)、酸化スズ（Sn02)、 チタン酸ストロンチウム（SrTi03)から選択される 1種類、 あるいは 2種類以 上の任意の組み合わせを含むものである。 酸化チタンとしてはルチル型酸化 チタン、 アナターゼ型酸化チタンを採用し得るが、 応答特性において、 ルチ ル型酸化チタンが優れる。 ルチル型酸化チタンは耐放射線性に優れた半導体 材料であり、 この酸化チタンのバンドギャップ （3 . 0 e V ) は γ線のエネ ルギー （コバルト 6 0の場合、 1 . l M e Vと 1 . 3 M e V ) よりも小さレヽ。 放射線検出層を形成する薄膜層の膜厚は、 例えば、 Ι Ο η π！〜 2 mmの範 囲を採用し得るが、 1 0 0 m以下のオーダにおいて放射線検出が可能であ ることは画期的である。 従来の半導体放射線検出器は、 所望の厚みを有する 半導体層を両面から電極で挟持するものであり、 通常、 半導体層の厚みは 1
Ο Ο μ ηιを超える。 一つの好ましい例では、 薄膜層はスパッタリング法によ つて作製される。 本発明は、 基板の一つの表面に設けた薄膜層で放射線を検 出するものであり、 しかも、 その薄膜層の膜厚は、 例えば 1 m以下でも、 良好に放射線を検出することができる。 したがって、 両者の原理は全く異な るものである。
本発明によれば、 放射線検出層を半導体あるいは絶縁体からなる薄膜層か ら形成すればよい。 したがって、 半導体層に; p n接合は不要であり、 厚さの 大ぎな半導体層も必要でなく、 高純度の半導体で半導体層を形成する必要も ないから、 放射線検出素子の構成が簡単となり、 安価な放射線検出器を実現 することができる。
電圧印加手段で電極間に印加する電圧は、 放射線検出層の材料や 1対の電 極間の距離に応じて決定されるが、 例えば、 約 5〜1 0 0 Vの直流電圧であ る。電流検出手段としては、例えば直流オペアンプを適用することができる。 電圧印加手段により 1対の電極に電圧を印加した状態で、 放射線検出層が放 射線を受けると、 放射線検出層の表面ノ表面近傍においてキヤリァが生成さ れ、 発生したキャリアが一方の電極へ流れるため、 そのキャリアの生成によ るコンダクタンスの変化を電気信号として電流検出手段により検出すること により、 放射線を検出することができる。 また、 電流検出手段により該電気 信号を測定することで、 放射線の線量も検出することも可能となる。
放射線検出層と 1対の電極の表面が外部に露出しないようにそれらの表面 を気密状に遮蔽する気密遮蔽体を設けてもよい。 放射線検出層の表面又は電 極の表面が露出状態になっていると、 放射線により大気中のガスが電離して 発生する微弱な電離電流が電極に流れ可能性がある。
半導体放射線検出器には、 放射線を検出したことを報知する警報器を設け てもよい。 半導体放射線検出器が放射線を検出した際には、 警報器が作動し て警報を発するため、 放射線から迅速に避難することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態に係る放射線検出器の正面図であり、 図 2は放 射線検出素子の正面図であり、 図 3は放射線検出素子の断面図であり、 図 4 は制御ュニットの構成図であり、 図 5は γ線強度と発生電流の関係を示す図 であり、 図 6は他の実施形態に係る放射線検出器の斜視図であり、 図 7は実 験に使用した放射線検出素子の斜視図であり、 図 8は γ線強度と発生電流の 関係を示す図であり、 図 9は放射線検出の応答性と安定性を示す図であり、 図 1 0は放射線検出層の膜厚と発生電流の関係を示す図であり、 図 1 1は放 射線検出層がアルミナの場合における、 γ線強度と発生電流の関係を示す図 である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施の形態について説明する。 図 1に示すように、 本実施の形態 に係る放射線検出器 1は、 電離性放射線である γ線を検出し且つその強度を 計測するものである。 放射線検出器 1は、 放射線を検出する放射線検出素子 1 0と、 制御ュニット 2 0と、 同軸ケーブル 3 0と、 表示器 3 1と、 警報器. 3 2を含んでいる。
図 2、 図 3に示すように、 放射線検出素子 1 0は、 絶縁材料製の基板 1 1 と、 この基板 1 1の表側の表面に形成されたルチル型酸化チタンの薄膜 （例 えば厚さ 2 5 0 n m) からなる半導体層 1 2と、 この半導体層 1 2の表面に 接続された 1対の電極 1 3， 1 4と、 気密遮蔽体 1 5と、 これらの背面側と 外周側を覆う金属製のケース 1 6を含んでいる。
基板 1 1は、 耐放射線性に優れた絶縁材料、 例えばアルミナ、 から構成さ れ、 例えば、 約 3〜 5 mm程度の厚さのものである。 半導体層 1 2を形成す る半導体としては、耐放射線性に優れパンドキャップが γ線のエネルギー（約 0 . 5〜3 M e V) よりも低い半導体であって、 γ線を受けたときに表面近 傍においてキヤリァが生成されるような半導体を適用するものとする。 この ような半導体の例として、ルチル型酸化チタン（Ti02) (パンドキヤップ約 3 . 0 e V) を適用することができる。
半導体層 1 2は、 周知のスパック法やレーザアブレーシヨン蒸着などの方 法で基板 1 1の表面に形成すること.ができる。 スバッタ法で半導体層 1 2を 例えば厚さ 2 5 0 n mの薄膜状に形成する場合、 p型又は n型の酸化チタン にするドーパントを混入した材料を用いて、 アルゴンガスによるスパッタ法 を採用する。 なお、 半導体層 1 2は、 喑電流を下げる為に可能な限り抵抗率 を高く、 膜厚を薄く形成することが望ましい。 半導体層 1 2の表面に設けられる 1対の電極 1 3 , 1 4は、 例えばパラジ ゥム薄膜とニッケル薄膜からなる金属薄膜を無電解メツキしてから約 4 0 0 °c程度で熱処理してォーミック接触させることで形成することができる。 この 1対の電極 1 3， 1 4は、 鉛被覆された 2本の同軸ケーブル 3 0を介し て制御ユニット 2 0に接続されている。 電極 1 3， 1 4を形成する金属の種 類は導電性が良好なものであれば限定されない。
半導体層 1 2の表面や電極 1 3， 1 4の表面が大気中に露出していると、 放射線により大気中のガスが電離して発生する微弱な電離電流が半導体層 1 2と電極 1 3 , 1 4に流れるおそれがある。 これを防ぐため。 半導体層 1 2 と電極 1 3， 1 4の表面を気密状に遮蔽する気密遮蔽体 1 5も設けられてい る。 この気密遮蔽体 1 5として、 例えば厚さ約 2 0 0 n m程度のアルミナコ ートゃガラスコートを適用することができる。 但し、 気密遮蔽体としてパッ ケージ内に真空状態にして収容してもよい。
次に制御ユニット 2 0の構造について説明する。 図 4に示すように、 制御 ユニット 2 0は、 マイクロコンピュータ 2 1 と、 入出力ィンターフェイス 2 2 ( I / O ) と、 同軸ケーブル 3 0を介して電極 1 3， 1 4に所定の電圧 （例 えば、 5 V ) の直流電圧を印加する電圧印加回路 2 3と、 同軸ケーブル 3 0 のうちの一方の電極 1 3へ接続されたケーブル 3 0 aに連結された電流検知 器 2 4と、 この電流検知器 2 4で検出した電気信号を増幅する増幅回路 2 5 と、 例えば液晶ディスプレイからなる表示器 3 1の為の駆動回路 2 6と、 警 報器 3 2の為の駆動回路 2 7を有している。 また、 電圧印加回路 2 3は給電 ケーブル 2 8により外部の電源に接続される。
電流検知器 2 4は、 例えば電極 1 3から取り出される電気信号をソレノィ ドコイルに流して発生させた磁力線をホール素子を介して検出する構成のも ので、 該電気信号を高精度に検出可能なものである。 電流検知器 2 4で検出 された信号は増幅回路 2 5で増幅されて入出力ィンターフェイス 2 2に供給 され、 その内部の AZ D変換器でディジタル信号に変換されてマイクロコン ピュータ 2 1へ入力される。 また、 電流検知器 2 4としては、 安価な電流ォ ぺアンプで電気信号を検出するようにしたものを適用してもよい。
マイクロコンピュータ 2 1は、 C P Uと R O Mと； AMを有し、 その R O Mには、 放射線検出の為の放射線検出制御プログラムと、 表示器 3 1に表示 を行う為の表示制御プログラムと、 人体に悪影響を及ぼす所定の強度以上の 電離性放射線 （γ線など、 電磁波からなる放射線） が検出された場合に警報 器 3 2を駆動する警報制御プログラムなどが予め入力格納されている。
ここで、 放射線検出制御プログラムにより放射線を検出する原理について 説明する。 図 5は、 ルチル型酸化チタンからなる半導体層 1 2が V線を受け たときに、 半導体層 1 2の表面近傍において放射線照射により半導体層 1 2 に発生する発生電流と y線強度の関係を実験的に求めたものであり、 発生電 流と /線強度の関係はほぼ直線的な比例関係にあるから、 放射線照射により 発生した電流から γ線の強度を検知することができる。
放射線の検出を行う際、 電圧印加回路 2 3から所定の電圧を 1対の電極 1 3 , 1 4に印加すると、 半導体層 1 2を通じて一方の電極 1 3から他方の電 極 1 4へほぼ一定の微弱電流が流れる。 電流検出器 2 4は常時その微弱電流 を検出し、 最新の所定短時間 （例えば、 1秒） 分の検出電流値がマイクロコ ンピュータ 2 1の R AMのバッファに更新されつつ格納されていく。 半導体 層 1 2が γ線を受けると、 γ線照射により半導体層 1 2の表面近傍にキヤリ ァが誘起され、 そのキャリアが電極 1 3に流れ、 取り出される電流が変化す る。 .
マイクロコンピュータ 2 1は R AMのバッファに更新しつつ格納される電 流値データを所定の演算式により常時データ処理することにより放射線照射 による微小な電流増加を検出し、 その電流増加と図 5の特性線 （又は特性線 の代わりの所定の演算式） に基づいて、 半導体層 1 2に入射した γ線の強度 を演算する。 この検出された y線の強度が表示器 3 1に数値とグラフの形で 表示され、 0 /線の強度が所定レベル以上の場合には警報器 3 2が駆動され警 報が発せられる。
この半導体放射線検出器 1は、 原子力発電所や放射性廃棄物や放射性廃棄 物処理施設などにおいて、 y線を検出し測定するのに好適のものであり、 放 射線検出素子 1 0を放射線測定場所に設置し、 制御ュニット 2 0と表示器 3 1と警報器 3 2のュ-ットを監視室やコントロール室に設置して使用するこ とができる。
半導体層 1 2に p n接合は不要であり、 厚さの大きな半導体層も必要でな く、 高純度の半導体で半導体層を形成する必要もないから、 半導体層 1 2の 構成が簡単となる。 よって、 半導体層 1 2を安価に製作でき、 もって、 安価 な半導体放射線検出器 1を実現することができる。 半導体層 1 2を構成する 半導体として、耐放射線性に優れるルチル型酸化チタンを適用しているため、 動作安定性、 信頼性、 耐久性に優れる放射線検出器を実現することも可能と なる。
放射線照射による半導体層のコンダクタンスの変化は、 主として半導体層 の表面近傍で生じるキヤリァに基づくものであると考えられ、 半導体層は薄 膜状のもので十分であるため、 半導体層 1 2を薄膜で構成することが可能と なる。 したがって、 半導体層 1 2の小型、 軽量化を図り、 製作費の低減を図 ることができる。
気密遮蔽体 1 5により、 半導体層 1 2と 1対の電極 1 3 , 1 4の表面が外 部に露出しないようにそれらの表面を気密状に遮蔽しているので、 放射線に より大気中のガスが電離して発生する微弱な電離電流が電極に流れることが なく、 放射線照射による微弱電流を確実に検出することができる。
放射線を検出したことを報知する警報器 3 2を設け、 放射線検出素子 1 0 が放射線を検出した際には警報を発するように構成したため、 放射線発生源 の付近にいる作業員を放射線から迅速に避難させることができる。
次に、 本発明に係る放射線検出器 1 Aを一体型の小型の可搬可能な検出器 に構成した実施形態について説明する。放射線検出器 1 Aは、ケース 4 0と、 ケース 4 0の表側部に装備された表示器 4 1と、 ケース 4 0の表側近傍部に 装備された放射線検出素子 4 2と、 ケース 4 0の表側近傍部に装備され.た警 報器 4 3と、 ケース 4 0の内部に装備された制御ユニット （図示せず） と、 ケース 4 0の表面部に設けられた操作パネル 4 4と、 電源に接続するための 給電線 4 5を有する。
放射線検出器 1 Aは、 一体型に構成してあることを除いては放射線検出器 1と同様の構成であり、 同様の作用、 効果を奏するものである。 この放射線 検出器 1 Aは、小型の可搬式のものであるため、原子炉付近、放射性廃棄物、 放射性廃棄物処理施設などに適宜搬送して行き、 それらの場所で発生する高 強度放射線を直接簡単に検出できるから、 放射線に対する安全管理の向上を 図ることができる。
放射線を検出する薄膜層を、 一つの好適な例としてルチル型酸化チタンに 基づいて説明したが、 本発明に採用される薄膜層はルチル型酸化チタンに限 定されるものではなく、 放射線の照射によってコンダクタンスが変化するよ うな他の半導体あるいは絶縁体であってもよい。 ルチル型酸化チタンの代わ りに、 半導体層を形成する半導体としてチタン酸ストロンチウムを適用可能 である。 このチタン酸ストロンチウムは耐放射線性に優れた半導体材料であ り、 このチタン酸スト口ンチウムのバンドギヤップは y線のエネルギーより も小さい。 また、 薄膜層に採用される絶縁体としては、 一つの好適な例では アルミナが挙げられる。
基板 1 1をガラス又はその他の絶縁材料で構成してもよい。 また、 1対の 電極 1 3 , 1 4の構造も前記のものに限定されるものではない。 電極の数も 一対に限定されず、 より多い数の電極を用いても良い。 前記電流検出器 2 4 は一例を示すものであり、 それ以外の構成の電流検出器であって微弱電流を 検出可能な電流検出器を適用してもよい。 この種の検出器に用いられる数々 の電流検出手段は当業者にとって周知である。
半導体放射線検出器 1 Aを一層小型化し、 給電線の代わりにバッテリにて 給電する構造とし、 作業者個々に装備可能な小型軽量の構造の半導体放射線 検出器に構成することも可能である。 その他、 本発明の趣旨を逸脱しない範 囲において、 前記実施形態に適宜変更を加えて実施可能である。
本発明に係る実験例について説明する。 図 7は実験に用いた放射線検出素 子の斜視図である。放射線検出素子は、アルミナから構成される基板 1 1と、 基板 1 1の表面に設けられたルチル型酸化チタンからなる放射線検出のため の薄膜の半導体層 1 2と、 半導体層 1 2の上に間隔を存して対向状に設けた 一対のストリップ状の電極 1 3， 1 4から構成される。 一対の電極 1 3， 1 4の一方がソース、 他方がドレインを構成し、 薄膜の半導体層 1 2が放射線 照射によって流れる電流を制御するゲートを構成する。
このような素子の作成法としては、 アルミナからなる絶縁基板 1 1上にル チル型酸化チタン膜をスパックリングにより形成し、 形成された酸化チタン 表面に対向電極 1 3, 1 4を形成する。 成膜法をより詳細に説明すると、 成 膜法はヘリ コンスパッタ法であって、 成膜レートは 1 0〜 1 0 0 nm/hの オーダであり、 成膜温度は一定に制御し、 20〜80 0°Cの範囲で作製する ものである。 図 7において、 放射線検出層を構成する薄膜の膜厚を t、 一対 の電極間の距離を！)、 電極の長さをし とする。 電極 1 3, 14にバイアス電 圧として一定の電圧を印加して、 測定を行なった。
図 8は、 薄膜層がルチル型酸化チタンの場合に、 γ線強度 （横軸） と生成 される電流 （縦軸） との関係を示したグラフである。 γ線源は 6 GCo であり、 t = 2 0 nm, D= 1 0 mm, L= 30mmである。 グラフから明らかなよ うに、 γ線強度に対して電流値 （コンダクタンスと置き換えてもよい） が線 形に変化していることがわかる。 さらに、 kGy/h r という強い放射線強度 領域において、 電流が線形に変化していることがわかる。 すなわち、 この放 射線検出素子は、 mGyZh rのオーダの低強度から k G y/h rオーダ以上 の高強度にわたる広い強度範囲で放射線検出器として用いることが可能であ る。 図 9は、 薄膜層がルチル型酸化チタンの場合の応答特性と安定性を示すグ ラフである。 横軸は時間、 縦軸は電流値であり、 放射線強度は、 0. 7 23 kGyZh rである。 図から、 線源の ON/OF Fに対する応答速度が 1 秒以内であることがわかる。 さらに、 電流値の誤差も 2. 4%以内であり安 定している。
図 1 0は、薄膜層がルチル型酸化チタンの場合の膜厚（横軸） と電流値（左 側縦軸）、 電流密度 （右側縦軸） との関係を示すグラフである。 3点 （20 η m, 2 50 nm, 750 n m) の異なる膜厚で電流および電流密度を測定し た。 薄膜層の膜厚の増加に伴い電流値も増加しているが、 電流値の膜厚依存 度は小さいことがわかる。 放射線照射に伴う電流値 (コンダクタンス) の変 化が主として薄膜層の表面におけるキヤリァの誘起に基づくものであると考 えられる。
図 1 1は、 薄膜層がアルミナ （A 1 203) の場合に、 γ線強度 （横軸） と 生成される電流 （縦軸） との関係を示したグラフである。 γ線源は6。 Coであ り、 t = 20 nm， D= 1 0 mm, L = 3 0 mmである。 ァノレミナ層はヘリ コンスパッタ法によってアルミナ基板上に作製した。 グラフから明らかなよ うに、 γ線強度に対して電流値 （コンダクタンス） が線形に変化しているこ とがわかる。
J3糸泉に対しても電流変化が観察された。 t=750nm， D=10mm, L=30匪 のルチ ル型酸化チタンに 740MBqの 9QSrを試料表面から 5cmの位置から照射すると 330pAの電流が発生する。 これをアルミフオイルで遮蔽すると 200pA に減少 する。 差し引き 130PA分が 線により発生する電流である。 また、 226Raの線 源に対しても 6QCoと同様な応答特性をもつことがわかった。 産業上の利用可能性
放射線検出層を形成する半導体あるいは絶縁体として耐放射線性に優れる 材料を適用することが可能で、 高放射線強度下であっても、 動作安定性、 信 頼性、 耐久性に優れる放射線検出器を実現することが可能となる。 また、 本 発明に係る放射線検出器は、 小型の可搬式のものに構成できるため、 原子炉 付近、 放射性廃棄物、 放射性廃棄物処理施設などにおける高強度放射線を直 接簡単に検出できるものとなり、 放射線に対する安全管理の向上を図ること ができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . ( a ) 絶縁性の基板と、
( b ) 該基板表面に形成した半導体あるいは絶縁体からなる薄膜層と、
( c ) 該薄膜層に設けた少なくとも一対の電極と、
( d ) 該電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
( e ) 該電極から取り出される電流を検出する電流検出手段とを有し、
( f ) 放射線の照射によって該薄膜層のコンダクタンスが放射線強度に対し て線形に変化することを用いて、 放射線を検出することを特徴とする放射線 検出器。
2 . 請求項 1において、 該薄膜層は、 金属酸化物からなることを特徴とする 放射線検出器。
3 . 請求項 2において、該金属酸化物は、 酸化チタン、酸化アルミニウム （ァ ルミナ）、 酸化ジルコニウム、 酸化鉄、 酸化亜鉛、 酸化ィットリゥム、 酸化マ ンガン、 酸化ネオジゥム、 酸化セリウム、 酸化スズ、 チタン酸ストロンチウ ムから選択された 1種類、 あるいは選択された 2種類以上の任意の組み合わ せを含むものであることを特徴とする放射線検出器。
4 . 請求項 3において、 該酸化チタンはルチル型酸化チタンであることを特 徴とする放射線検出器。
5 . 請求項 1ないし 4いずれかにおいて、 該層と該電極の表面が外部に露出 しないようにそれらの表面を気密状に遮蔽する気密遮蔽体を設けたことを特 徴とする放射線検出器。
6 . 請求項 1ないし 5いずれかにおいて、 該薄膜層はスパッタ法によって作 製されることを特徴とする放射線検出器。
7 . 請求項 1ないし 6いずれかにおいて、 該薄膜層の膜厚は 1 m以下であ ることを特徴とする放射線検出器。
8 . ( a ) 絶縁性の基板と、
( b ) 該基板表面に形成した半導体あるいは絶縁体からなる薄膜層と、 (c) 該薄膜層に設けた少なくとも一対の電極とを有する放射線検出素子。
9. 請求項 8において、 該薄膜層は金属酸化物からなることを特徴とする放 射線検出素子。
1 0. 請求項 9において、 該金属酸化物は、 酸化チタン、 酸化アルミニウム (アルミナ）、 酸化ジルコニウム、 酸化鉄、 酸化亜鉛、 酸化イットリウム、 酸 化マンガン、 酸化ネオジゥム、 酸化セリウム、 酸化スズ、 チタン酸ストロン チウムから選択された 1種類、 あるいは選択された 2種類以上の任意の組み 合わせを含むものであることを特徴とする放射線検出素子。
1 1. 請求項 1 0において、 該酸化チタンはルチル型酸化チタンであること を特徴とする放射線検出素子。
1 2. 請求項 8ないし 1 1いずれかにおいて、 該薄膜層はスパッタ法によつ て作製されることを特徴とする放射線検出素子。
1 3. 請求項 8ないし 1 2いずれかにおいて、 該薄膜層の膜厚は 1 πι以下 であることを特徴とする放射線検出器。 '
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