(57)【要約】  シリコンカーバイド製ショットキーダイオード型固体放射線検出器のショットキー接点の上方に離隔して設けた白金等の電子ドナー層が、高エネルギーのコンプトン電子および光電子を白金層から検出器の活性領域に供給することによって、収集される入射ガンマ線由来の荷電粒子を増加させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体活性領域（１６）と、該半導体活性領域の少なくとも一部の上に設けられたショットキー接点（１８）とを有するショットキーダイオード（１０）と、
ショットキー接点（１８）の上方で支持されたコンプトン電子および光電子のソース物質（２０）の層と、
ショットキー接点（１８）とコンプトン電子および光電子のソース物質（２０）の層との間に介在する流体（２４）の層とから成り、
コンプトン電子および光電子のソース物質（２０）の層が入射ガンマ線と反応すると、入射ガンマ線がソース物質のソース原子を取り囲む電子と相互作用することによって、ショットキーダイオードの活性領域（１６）に入り込む高エネルギーのコンプトン電子および光電子を発生させる、固体放射線検出器（２２）。
【請求項２】
コンプトン電子および光電子のソース物質は、白金または原子番号が実質的に白金と等しいかもしくは白金より大きい別の物質から選択される、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項３】
コンプトン電子および光電子のソース物質は白金である、請求項２に記載の放射線固体検出器（２２）。
【請求項４】
ショットキー接点（１８）の層がシリコンカーバイドから成る活性領域（１６）の上に重ねられている、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項５】
コンプトン電子および光電子のソース物質（２０）の層の厚さは、ガンマ線輸送法を用いて、ショットキーダイオード（１０）の活性領域（１６）にエネルギーを付与する所望のエネルギーの入射ガンマ線に由来する光電子の数を増やすように決定される、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項６】
流体（２４）の層の厚さはユーザにより可変である、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項７】
所与の時間に亘って半導体活性領域（１６）に付与される電荷は、コンプトン電子および光電子のソース物質（２０）の層に入射するガンマ線のエネルギーに比例し、検出器の電気出力はガンマ線のエネルギーと強度の両方を表わす、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項８】
光電子ドナー層（２０）とショットキー接点（１８）との間のギャップ内の流体（２４）は、空気または実効原子番号および導電率が実質的に空気と等しいかもしくは空気より小さい別の物質から成る、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。
【請求項９】
ギャップ内の流体（２４）の厚さにより検出対象の放射線エネルギーに対する検出器の感度が決まる、請求項１に記載の固体放射線検出器（２２）。 
【請求項１０】
光電子ドナー層（２０）とショットキー接点（１８）との間のギャップ内の流体（２４）の厚さを調節することにより、検出器の感度を変化させることが可能である、請求項９に記載の固体放射線検出器（２２）。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照 
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  Ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｇａｍｍａ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」と題する２０１２年４月２５日に提出された米国仮特許出願番号第６１／６３７９９４号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は放射線検出器に関し、より具体的にはガンマ線に対する感度を高めた固体放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
従来の典型的な中性子検出器は電離箱や比例計数管として動作するデバイスを含んでおり、どちらのデバイスもＢＦ３やＨｅ等の中性子活性ガスを使用する。中性子を吸収すると、これらのガスはエネルギーを有する反応粒子を放出する。その粒子が周囲のガスを電離することによって生成されたイオンが、適当にバイアスされた電極によって検出される。他の検出器には電離箱の壁を６Ｌｉ、１０Ｂまたは２３５Ｕ等の固体中性子活性物質でコーティングしているものがある。これらの物質もまた、中性子を吸収すると電離作用を及ぼす粒子を放出する。
【０００４】
さらに最近では、半導体接合を横切る電子−正孔対を検出する固体中性子検出器が用いられる。検出器内に組み込まれた中性子活性物質の薄膜またはドーパントへ中性子が吸収されると形成される反応粒子がその電子−正孔対を生成する。また、荷電粒子電離放射線を測定する放射線固体検出器としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）製ショットキーダイオードを用いると、特に高温かつ高ガンマ線環境下で、他種の放射線検出器（電離箱、ＧｅＬｉ検出器等）を上回る利点が得られることが知られている。シリコンカーバイド製検出器は非常に小型であるため、他種の検出器ならば収まらない場所に取り付けたり挿入したりすることができる。しかしながら、シリコンカーバイド製検出器の現存する実施形態は入射ガンマ線に比例する信号を発生させるが、その信号応答はデバイスの活性領域への荷電粒子の衝突に対する応答に比べて非常に小さい。
【０００５】
高温、またはアクセスが制限された場所でのガンマ線場の強度とエネルギースペクトルが重要となる場合がある。このような状況の一例が、福島の損傷した原子炉内部及びその周囲の放射線場を特徴付けるのに必要な、放射線の監視である。本発明は、現存するショットキーダイオード型固体放射線検出器に付随するすべての利点が得られる一方、原子力発電において重要性が高い放射性同位元素からの入射ガンマ線のエネルギーを検出し、特徴付ける検出器の能力を高めるように改造した改良型シリコンカーバイド製放射線検出器を提供する。
【発明の概要】
【０００６】
ガンマ線に対する感度の改善は、半導体活性領域と、該半導体活性領域の少なくとも一部の上のショットキー接点とを有するショットキーダイオードを用いて達成される。層状のコンプトン電子および光電子のソース物質が入射ガンマ線と反応すると、入射ガンマ線はソース物質のソース原子を取り囲む電子と相互作用することによって、ショットキーダイオードの活性領域に入り込む高エネルギーのコンプトン電子および光電子を生成する。コンプトン電子および光電子ソース物質の層は、ショットキー接点の上方で、幅が可変かつ制御可能なギャップを隔てて支持されている。ソース物質とショットキー接点表面の間の当該ギャップには流体が挿入されるが、該流体は空気等のように、実効原子番号が小さく、無視できる導電率を有する。必要に応じて流体ギャップの組成とソース層のショットキー接点からの距離とを調節することによって、検出対象である特定のガンマ線エネルギーについて検出器の活性領域の電荷担持率が最大となるようにする。放射線検出・測定技術分野の当業者がこのデバイスを用いれば、原子炉中の核分裂片に固有の同位体等の特定の放射性同位体の分布および相対的な量を突き止めることが可能となる。
【０００７】
好ましくは、コンプトン電子および光電子のソース物質は、検出器の活性領域に入り込んで電離を引き起こす電子を発生させる白金または原子番号が白金と等しいか白金より大きい別の物質から選択される。望ましくは、ショットキー接点はシリコンカーバイドから成る活性領域の上方に位置し、また、コンプトン電子および光電子ソース物質の層の厚さとギャップに用いる物質は、ショットキー接点の方へ進み、検出器の活性領域にエネルギーを付与する光電子の数が最大になるように、例えばコードパッケージＭＣＮＰ（Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣ，Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙからライセンスを取得できる）の形で入手可能なガンマ線輸送法を用いて決定される。
【０００８】
一実施形態において、所与の時間に亘って固体放射線検出器の半導体活性領域に付与される電荷は、コンプトン電子および光電子のソース物質の層に入射するガンマ線のエネルギーに比例し、検出器の出力は検出器に入射したガンマ線のエネルギーと強度の両方を表わす。好ましくは、ソース層とのギャップおよびギャップ層の厚さにより、検出対象の入射放射線のエネルギーに対する検出器の感度が決まる。また、検出器の感度を変化させるように、ギャップ層の厚さを調節できることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
添付の図面と併せて以下の実施態様の説明を読めば、本発明のさらなる理解を得ることができよう。
【００１０】
【図１】従来のシリコンカーバイド製ショットキーダイオード型放射線検出器の概略図である。
【００１１】
【図２】ガンマ線によって生成され検出器の空乏層領域に付与される電子を増やすべく、ショットキー接点の上方に白金層が付加されたシリコンカーバイド製ショットキーダイオード型放射線検出器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前述のように、荷電粒子電離放射線を測定する放射線固体検出器としてシリコンカーバイド製ショットキーダイオードを用いると、特に高温かつ高ガンマ線環境下で、他種の放射線検出器を上回る利点が得られることが知られている。また、シリコンカーバイド製検出器は非常に小型であるため、他種の検出器ならば収まらない場所に取り付けたり挿入したりすることができる。しかしながら、シリコンカーバイド製検出器の現存する実施形態は入射ガンマ線に比例する信号を発生させるが、その信号応答はデバイスの活性領域へ入り込む荷電粒子に対する応答に比べて非常に小さい。
【００１３】
図１は、ショットキー型放射線検出器１０の従来例を略示する。背面オーム接点１２が、シリコンカーバイド製の導電性基板１４の一方の表面に形成されている。シリコンカーバイド製導電性基板１４の厚さは約３００ミクロンであり、反対表面がエピタキシャル・シリコンカーバイド層１６によって覆われている。エピタキシャル・シリコンカーバイド層１６は検出器の活性領域を形成し、その反対表面は白金または金等の任意の高導電性金属によって形成することができるショットキー接点１８によって覆われている。逆バイアスをかけると活性領域１６が電子空乏状態となり、電離放射線がこの空乏領域に電子−正孔対を発生させる。電荷は、接点間に印加した電圧の作用により収集される。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、入射ガンマ線に応答して活性領域１４に入り込み、活性領域における荷電電粒子の収集に寄与する電子を放出する、白金または他の適当な高原子番号ドナー物質のようなコンプトン電子および光電子ソース物質の薄い層を付加することにより、ガンマ線に対する感度が、図１に示された従来技術のショットキーダイオード型放射線検出器による場合よりも増加する。図２に示すように、白金等のコンプトン電子および光電子ソース物質２０の薄い層を、活性領域の外側表面の上方でさらにショットキー接点１８の上方に配置する。ショットキー接点と、付加するソース層の間の距離は調節可能であり、電子ドナー層２０と、ショットキー接点１８の間には、７０°Ｆ（２１℃）において相対湿度が２０％以下で１気圧の空気の特性がそうであるように、実効原子番号が小さく、導電率を無視できる流体２４を含めることが好ましい。ショットキー接点１８と付加するソース層２０の間の距離は調節可能であり、また、ユーザの検出目標であるガンマ線のエネルギー範囲に基づいて、ソース層に使用する物質とその厚さを選択することができる。厚さとショットキー接点からの距離が調節可能な電子ドナー層（層２４を囲む入れ子スリーブにより象徴的に表示する）を付加したため、ガンマ線がドナー物質中のソース原子を取り囲む電子と相互作用して、シリコンカーバイド製デバイスの活性領域に入り込む高エネルギーのコンプトン電子および光電子をドナー層内部に発生させることができる。白金層とショットキー接点との間に介在する流体２４の厚さによりドナー電子のエネルギーを制御して、該ドナー電子が活性領域で収集されるようにする。これらの特徴により、高エネルギーのコンプトン電子および光電子の収集にドナー層２０の寄与がない場合に比べて多量の電荷を検出器の活性領域に付与することができる。一定の時間に亘って付与される電荷は、層２０に入射するガンマ線のエネルギーに比例するので、シリコンカーバイド製デバイスからの出力を適当に分析することにより、ガンマ線のエネルギーと強度の両方を突き止めることができる。
【００１５】
このように、図２に一実施形態を示した、後述する請求項に係るデバイスは、標準的なシリコンカーバイド製放射線検出器が持つすべての利点を保持しつつ、ユーザが決めたガンマ線エネルギーのスペクトルに対して非常に高い感度を有する。かくして、この機器の使用範囲は、現在の設計によるものより広がる。このデバイスは、通常運転時と事故後の状況の両方において、原子力施設において最も懸念される放射線を検出するのに有用である。この検出器によれば、ユーザは関心や懸念のある特定の同位体から放出されるガンマ線のエネルギーにターゲットを絞ることができる。これらのデバイスはサイズを小さくできるので、狭いスペースを介して環境的または物理的に好ましくない環境に検出器を挿入しなければならないような用途にとって理想的である。また、このように設計された検出器は、燃料が使用済燃料プールまたは他のより永続的な貯蔵場所にある状態で特定の核分裂生成物同位体からのガンマ線の強度を測定できるので、使用済燃料のモニタリング及びその他の運転後の監視を行う高い能力を有する。このようにして、事故後の環境で、燃料内部及びその周囲にある特殊な核物質の量を突き止めることができる。
【００１６】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
2015521372.tif 000003
【図２】
2015521372.tif 000004
【国際調査報告】
2015521372.tif 000005