(57)【要約】【課題】高い気密性で容器内部が密閉されるように容器と入射窓を接合できる光検出器を提供する。【解決手段】内部の空洞に検出用部品が格納され、入射口が開口された容器と、入射口を覆って容器に配置された入射窓と、入射口の周囲を囲むように環形状に配置され、容器と入射窓とを接合する第１の接合材と、容器の内部及び容器の外部のいずれからも遮蔽された空隙を容器と入射窓との間に構成するように第１の接合材の周囲を囲んで環形状に容器に配置され、第１の接合材と共に空隙を挟む第２の接合材とを備え、容器と入射窓との接合部分を気体が通過しないように第１の接合材と第２の接合材とによって空隙が気密封止されている。【選択図】図１
2017011230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部の空洞に検出用部品が格納され、入射口が開口された容器と、
前記入射口を覆って前記容器に配置された入射窓と、
前記入射口の周囲を囲むように環形状に配置され、前記容器と前記入射窓とを接合する第１の接合材と、
前記容器の前記内部及び前記容器の外部のいずれからも遮蔽された空隙を前記容器と前記入射窓との間に構成するように前記第１の接合材の周囲を囲んで環形状に前記容器に配置され、前記第１の接合材と共に前記空隙を挟む第２の接合材と
を備え、前記容器と前記入射窓との接合部分を気体が通過しないように前記第１の接合材と前記第２の接合材とによって前記空隙が気密封止されていることを特徴とする光検出器。
【請求項２】
前記第１の接合材と前記第２の接合材が、前記容器の前記入射口の周囲と前記入射窓の外縁部とが対向する対向領域に離間して二重に配置され、前記第１の接合材と前記第２の接合材によって前記容器と前記入射窓とが接着されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記入射口及び前記入射窓と重なる位置に開口部が位置するように配置され、前記入射窓の外側において前記第２の接合材で前記容器と接合された環形状の支持体と、
前記入射窓の外縁部と前記支持体の前記開口部の周囲とを接合する第３の接合材と
を更に備え、前記空隙が前記第１の接合材、前記第２の接合材及び前記第３の接合材によって囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項４】
前記空隙に所定の気体が前記容器の外部よりも高い圧力で充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項５】
前記空隙に真空グリースが充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項６】
前記容器の前記内部に、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンのいずれかの不活性ガスを成分に含む気体が封入されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項７】
前記容器の前記内部が真空であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項８】
前記入射窓がベリリウム膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項９】
前記入射窓の一部に、有機物質膜若しくは窒化シリコン膜を使用していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光検出器。
【請求項１０】
前記第１の接合材及び前記第２の接合材が樹脂系接着剤であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部が気密封止された光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線検出器や赤外線検出器などの光検出器は、検出対象の光が透過する薄い膜状の入射窓が金属製の容器（筐体）に接続された構造である。光検出器では、容器の内部を真空状態に保ったり特定のガスを容器内に封入したりするために、容器の内部を気密封止することが一般的に行われる。
【０００３】
例えば、光検出器の容器の内部に搭載されて光検出に使用される検出用部品の温度調整のために、容器内部を真空に保つことがある（例えば、特許文献１参照。）。また、Ｘ線・ガンマ線検出器（比例計数管）などでは、検出用部品におけるリーク電流を抑制するために容器内部を乾燥窒素などの気体で満たしたり、気体の電離作用を利用して信号増幅を行うために容器内部に不活性ガスを満たしたりする（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６３９７９４号公報
【特許文献２】特許第４１３９９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光検出器の容器と入射窓との接合部分の気密性については対策が十分ではなかった。この接合部分の気密性が低いことによって、容器内部を真空に保つことが不十分で検出用部品を冷却する能力が劣化したり、容器内部に封入するガスによる信号増幅率などが徐々に低下したりする問題があった。
【０００６】
上記問題点を鑑み、本発明は、高い気密性で容器内部が密閉されるように容器と入射窓を接合できる光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、（ア）内部の空洞に検出用部品が格納され、入射口が開口された容器と、（イ）入射口を覆って容器に配置された入射窓と、（ウ）入射口の周囲を囲むように環形状に配置され、容器と入射窓とを接合する第１の接合材と、（エ）容器の内部及び容器の外部のいずれからも遮蔽された空隙を容器と入射窓との間に構成するように第１の接合材の周囲を囲んで環形状に容器に配置され、第１の接合材と共に空隙を挟む第２の接合材とを備え、容器と入射窓との接合部分を気体が通過しないように第１の接合材と第２の接合材とによって空隙が気密封止されている光検出器が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高い気密性で容器内部が密閉されるように容器と入射窓を接合できる光検出器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出器の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出器の第１の接合材と第２の接合材の配置例を示す模式的な平面図である。
【図３】ガスのパラメータを示す表である。
【図４】Ｈｅガスの透過漏洩現象を検討した結果を示すグラフである。
【図５】Ｈｅガスの透過漏洩現象を検討した他の結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る光検出器の他の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光検出器の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
【００１１】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る光検出器１は、図１に示すように、入射口１１が開口された容器１０と、入射口１１を覆って容器１０に配置された入射窓２０と、入射口１１の周囲を囲むように環形状に配置され、容器１０と入射窓２０とを接合する第１の接合材３０と、第１の接合材３０の周囲を囲むように環形状に容器１０に配置された第２の接合材４０とを備える。
【００１３】
第２の接合材４０は、容器１０の内部及び容器１０の外部のいずれからも遮蔽された空隙５０を容器１０と入射窓２０との間に構成するように、第１の接合材３０の外側で入射口１１の周囲を囲んで配置されている。つまり、図２に示すように、第２の接合材４０は、第１の接合材３０と共に空隙５０を両側から挟み込んでいる。光検出器１では、第１の接合材３０と第２の接合材４０とによって空隙５０が気密封止されている。
【００１４】
空隙５０には、容器１０の外部よりも高い圧力で所定の気体が充填されている。空隙５０に充填される気体は、例えば空気や窒素ガスなどである。これにより、容器１０と入射窓２０との接合部分を気体が通過しないように第１の接合材３０と第２の接合材４０とによって空隙５０が気密封止される。即ち、詳細は後述するが、容器１０の内部の圧力が外部よりも低い場合に、容器１０と入射窓２０との接合部分を透過して外部から気体が容器１０の内部に侵入することが抑制される。また、気体が容器１０の内部に気体が封入されている場合に、容器１０と入射窓２０との接合部分を透過して容器１０の内部の気体が外部に放出されることが抑制される。
【００１５】
図１に示した光検出器１では、容器１０の入射口１１の周囲と入射窓２０の外縁部とが重なるように、入射窓２０が容器１０に設置されている。第１の接合材３０と第２の接合材４０は、入射口１１の周囲と入射窓２０の外縁部とが対向する対向領域に互いに離間して配置されている。つまり、第２の接合材４０は、第１の接合材３０よりも外側の容器１０の外部に近い対向領域で環形状に配置されている。このように第１の接合材３０と第２の接合材４０が入射口１１の周囲を囲んで二重に配置されているため、上下を容器１０と入射窓２０に挟まれ、左右を第１の接合材３０と第２の接合材４０に挟まれて、空隙５０が構成されている。なお、図１に示した例では、第２の接合材４０が入射窓２０の外縁部の下面、側面及び上面に渡って連続して配置されている。
【００１６】
第１の接合材３０と第２の接合材４０には、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂系接着剤などを使用可能である。第１の接合材３０と第２の接合材４０によって、容器１０と入射窓２０とが接着される。
【００１７】
なお、容器１０は、平板形状のステム１３の主面上にキャップ１２をかぶせた構造である。キャップ１２の開口部がステム１３で塞がれ、容器１０に空洞が構成される。キャップ１２の入射口１１に配置された入射窓２０から入射する検出対象の光Ｌが、容器１０の内部に格納された検出用部品６０に照射される。
【００１８】
検出用部品６０には、例えば照射された光Ｌのエネルギーを電気信号に変換する光検出素子が使用される。光検出素子の例としては、半導体基板を用いたＰ−Ｉ−Ｎ接合を有する半導体素子や、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）素子などである。
【００１９】
例えばＰ−Ｉ−Ｎ接合を有する光検出素子では、光検出素子のＩ層に入射した光Ｌにより光検出素子内に電子と正孔が生じ、外部に電流パルスとして検出される。光検出素子を構成する半導体基板は、Ｘ線、γ線、紫外線、赤外線、可視光線などの検出対象の光Ｌの種類に合わせて選択される。つまり、光Ｌが吸収されてキャリアを発生する材料の基板が選択される。例えばＸ線を検出する場合には、シリコン（Ｓｉ）基板が選択される。光検出素子から出力される電気信号は、図示を省略する初段ＦＥＴ回路などによって光Ｌのエネルギーに比例した電圧に変換・増幅され、リード線７０を伝播して検出信号として出力される。
【００２０】
例えば光ＬがＸ線である場合には、入射窓２０には膜厚数μｍ〜２０μｍ程度のベリリウム（Ｂｅ）膜などを採用可能である。または、シリコン製或いはカーボン製のフレームに有機物質膜若しくは窒化シリコン膜を貼り付けて入射窓２０を構成してもよい。
【００２１】
なお、熱雑音や暗電流を抑制して微弱な光を検出する場合などでは、例えば−７０℃〜−２０℃程度の低温で検出用部品６０を動作させることが好ましい。このため、図１に示した光検出器１では、ステム１３に配置されたサーモモジュール８０上に検出用部品６０が搭載されている。サーモモジュール８０には、例えばペルチェ素子を複数実装したものが用いられる。
【００２２】
検出用部品６０を低温で動作させる場合などには、容器１０の内部を真空に保ち、検出用部品６０を真空環境下に置くことが有効である。これにより、外部からの熱の影響（熱伝導）が抑制され、検出用部品６０の温度調整が容易である。
【００２３】
また、Ｘ線・ガンマ線検出器（比例計数管）などでは、電圧を印加される芯線が検出用部品６０に用いられ、検出用部品６０におけるリーク電流を抑制するために容器１０の内部を乾燥窒素などの気体で満たしたり、気体の電離作用を利用して信号増幅を行うために容器内部に不活性ガスを満たしたりする。例えば、ネオン、アルゴン、クリプトンまたはキセノンのいずれかを成分に含む気体を容器１０の内部に封入する。
【００２４】
上記のように、光検出器１の容器１０の内部を真空に保持したり、特定のガスを封入したりすることが行われる。このため、容器１０と入射窓２０との接合部分を通って外部から容器１０の内部に気体が侵入したり、容器１０の内部の気体が容器１０から外部に放出されたりすることを防ぐ必要がある。
【００２５】
光検出器１の容器１０と入射窓２０を接合する方法として、（１）レーザなどの加熱手段によって容器１０と入射窓２０を高温溶解させる方法、（２）半田材やロウ材を使用する方法、（３）樹脂系接着剤などを用いて接着する方法、などが考えられる。
【００２６】
しかし、上記（１）の方法では、以下のような問題がある。即ち、入射窓２０の材料によっては入射窓２０の耐熱性が低く、溶接時に発生する熱によって入射窓２０が破損したり変形したりする。また、容器１０と入射窓２０の熱膨張係数の差によって薄い入射窓２０が破損する可能性がある。例えば、容器１０にステンレス鋼（ＳＵＳ）材などの金属を使用し、入射窓２０にＢｅ膜を使用した場合などでは、容器１０と入射窓２０の熱膨張係数を合わせることは困難である。
【００２７】
また、上記（２）の方法の場合、低エネルギーのＸ線を検出するために入射窓２０に薄いＢｅ膜を採用したときにＢｅ膜がロウ材に侵食されてしまうなどの問題が生じる。また、半田材はＢｅ膜と接合性が悪い。
【００２８】
上記（３）の方法の場合は、ヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスなどの不活性ガスが拡散現象により接着剤部分を透過する問題がある。このため、時間の経過により検出用部品６０の冷却能力や信号増幅率の劣化が生じる。以下に、ＨｅガスやＮｅガスの透過現象について検討する。
【００２９】
不活性ガスであるＨｅガスは単原子分子の気体である。Ｈｅのファンデルワールス半径は小さく、エポキシ樹脂などの接着剤の中を拡散現象で透過する。Ｎｅもファンデルワールス半径は小さく、Ｈｅよりも１０％程度大きいだけである。したがって、ＨｅガスやＮｅガスが接着剤の中を透過する拡散現象は、酸素や窒素などの複数の原子からなる分子の気体や他の不活性ガスよりも大きい。図３に、不活性ガス及び酸素ガス、窒素ガスのパラメータを示す。
【００３０】
ＨｅガスやＮｅガスは、大気中にほとんど存在しない。しかし、微弱エネルギーの放射線の減衰を防ぐために、Ｘ線検出器をＨｅ雰囲気中で使用することがある。このとき、Ｘ線検出器の容器と入射窓とを接合する接着剤における拡散現象によって、周囲のＨｅガスがＸ線検出器の内部に侵入する場合がある。検出用部品を常時冷却して使用する場合、容器内部に熱伝導率の大きいＨｅガスが侵入することにより、少量のＨｅの影響で冷却能力が不足するおそれがある。
【００３１】
また、例えばＮｅガスなどの不活性ガスが内部に封入された比例計数管などでは、接着剤における拡散現象によって内部の不活性ガスが時間の経過と共に容器の外部に放出され、信号増幅率が劣化するなどの不良が生じることがある。
【００３２】
ところで、大場等の「多重Ｏリング装着によるヘリウムガスの透過漏洩抑制」（日本原子力研究所、JAERI-Tech2001-067、２００１年１０月)において、接合部分にゴム製のＯリングを二重に配置することによる接合部分でのＨｅガスの透過漏洩現象が検討されている。この検討によれば、Ｏリング間の空隙（ガストラップ）に与圧した空気や窒素を充填することによって、図４に示すように接合部分でのＨｅガスの透過漏洩現象を抑制できることが記載されている。図４の横軸は経過時間、縦軸はＨｅガスの透過漏洩量である（以下、同様）。図４において、特性Ｓ１１はＯリングが一重の場合の特性であり、特性Ｓ１２はＯリングを二重にした場合の特性である。また、Ｏリング間の空隙（ガストラップ）に真空グリースを充填することによって、図５に示すようにＨｅガスの透過漏洩現象が更に改善されることが記載されている。図５において、特性Ｓ２２はＯリング間に空気を充填した場合の特性であり、特性Ｓ２３はＯリング間に真空グリースを充填した場合の特性である。このように透過漏洩現象を抑制できるのは、Ｏリング間に外部よりも高い圧力に与圧された気体を充填したり真空グリースなどのＨｅガスを透過させない固体を充填したりすることによって、Ｈｅガスが接合部を透過するのを防げるためであると考えられる。
【００３３】
図１に示した光検出器１では、第１の接合材３０と第２の接合材４０によって空隙５０が気密封止され、容器１０の外部よりも高い圧力で空隙５０に気体が充填されている。このため、第１の接合材３０及び第２の接合材４０の材料が容器１０の外部に存在するＨｅガスなどの気体を透過する材料であっても、外部から気体が容器１０の内部に侵入することを抑制できる。また、容器１０の内部の不活性ガスなどの気体が外部に放出されることも抑制できる。
【００３４】
図１に示した光検出器１の製造では、例えば、第１の接合材３０と第２の接合材４０を硬化させて容器１０と入射窓２０を接着する工程を空気雰囲気中または窒素雰囲気中で行う。これにより、空隙５０に乾燥した空気や窒素ガスが充填される。
【００３５】
なお、図６に示すように、空隙５０に内部の真空を保持できる真空グリースなどの固体材９０を充填してもよい。気密性を有する固体材９０を空隙５０に充填することによって、外部から気体が容器１０の内部に侵入したり、容器１０の内部の気体が外部に放出されたりすることを更に抑制できる。例えば、真空グリースを空隙５０に充填することにより、Ｈｅガスなどの気体が空隙５０を通過することをより多く抑制できる。
【００３６】
以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る光検出器１では、第１の接合材３０と第２の接合材４０とによって容器１０と入射窓２０との接合部分に空隙５０を構成する。そして、空隙５０を外部よりも高い圧力で気体を充填したり真空グリースなどの固体材９０によって充填したりする。これにより、容器１０と入射窓２０との接合部分をＨｅガスなどの気体が通過するのが抑制される。その結果、高い気密性で容器１０内部が密閉されるように容器１０と入射窓２０とが接合された光検出器１を提供できる。光検出器１は、例えば容器１０の内部を真空に保持する場合や不活性ガスを成分に含む気体を容器１０の内部に封入する場合などに好適に使用される。
【００３７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る光検出器１は、図７に示すように、入射口１１及び入射窓２０と重なる位置に開口部１０１が位置するように配置された、環形状の支持体１００を更に備える。支持体１００は、入射窓２０の外側で第２の接合材４０で容器１０と接合されている。また、入射窓２０の外縁部と支持体１００の開口部１０１の周囲とが、第３の接合材１１０によって接合されている。図７に示すように、第１の接合材３０と第３の接合材１１０は、入射窓２０の対向する主面にそれぞれ接続している。
【００３８】
図１に示した光検出器１では、第１の接合材３０と第２の接合材４０とが共に容器１０と入射窓２０との間に配置され、入射口１１の周囲と入射窓２０の外縁部とが対向する対向領域に空隙５０が構成されている。一方、図７に示す光検出器１では入射窓２０の外側に第２の接合材４０が配置されており、第１の接合材３０、第２の接合材４０及び第３の接合材１１０によって囲まれて空隙５０が構成されている点が図１と異なる。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態と同様である。空隙５０には、例えば空気や窒素ガスなどの気体が容器１０の外部よりも高い圧力で充填されている。
【００３９】
支持体１００には、例えばＳＵＳなどの金属材料が好適に使用される。しかし、金属材料でなくても、空隙５０の気密性を確保できる材料であれば他の材料であってもよい。例えば、セラミックなどのＨｅガスが透過できない材料を支持体１００に使用可能である。なお、支持体１００の外径は容器１０の外径以下であることが好ましい。これにより、光検出器１のサイズの大型化を抑制できる。また、支持体１００の開口部１０１の内径は入射窓２０の外径以下である。これにより、入射窓２０の外縁部と支持体１００の開口部１０１の周囲とを第３の接合材１１０によって接合することができる。
【００４０】
図７に示した光検出器１は、例えば以下のように製造される。容器１０の入射口１１の周囲と入射窓２０の外縁部を、第１の接合材３０によって接合する。また、入射窓２０の外縁部と支持体１００の開口部１０１の周囲とを、第３の接合材１１０によって接合する。なお、この２箇所の接合は同時でもよい。第１の接合材３０と第３の接合材１１０が硬化した後、与圧された空気雰囲気中或いは窒素雰囲気中で容器１０と支持体１００を第２の接合材４０で接合する。第２の接合材４０を硬化させて、図７に示した光検出器１が完成する。
【００４１】
他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。例えば、図７に示した光検出器１でも、空隙５０を真空グリースなどの固体材９０によって充填してもよい。
【００４２】
以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る光検出器１では、空隙５０を外部よりも高い圧力で気体を充填したり真空グリースなどの固体材９０を充填したりすることによって、容器１０と入射窓２０との接合部分をＨｅガスなどの気体が通過するのが抑制される。これにより、高い気密性で容器１０内部が密閉されるように容器１０と入射窓２０とが接合された光検出器１を提供できる。
【００４３】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…光検出器
１０…容器
１１…入射口
１２…キャップ
１３…ステム
２０…入射窓
３０…第１の接合材
４０…第２の接合材
５０…空隙
６０…検出用部品
７０…リード線
８０…サーモモジュール
９０…固体材
１００…支持体
１０１…開口部
１１０…第３の接合材
【図１】
2017011230.tif 000003
【図２】
2017011230.tif 000004
【図３】
2017011230.tif 000005
【図４】
2017011230.tif 000006
【図５】
2017011230.tif 000007
【図６】
2017011230.tif 000008
【図７】
2017011230.tif 000009