(57)【要約】  荷電粒子検出器が提供される。荷電粒子検出器は、ｐ−ｎ接合を形成するようにドーピングされたフレキシブルな半導体ウェファと、半導体ウェファに結合され、ｐ−ｎ接合での電流又は電圧を増幅するように構成される増幅器とを含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子検出器であって：
ｐ−ｎ接合を形成するようにドーピングされたフレキシブルな半導体ウェファ；及び
前記半導体ウェファに結合され、前記ｐ−ｎ接合での電流又は電圧を増幅するように構成される増幅器；
を含む荷電粒子検出器。
【請求項２】
前記フレキシブルな半導体ウェファは、湾曲したアルファ粒子検出表面を提供するように取り付けられている、請求項１に記載の荷電粒子検出器。
【請求項３】
前記フレキシブルな半導体ウェファは、パイプ検査ゲージに取り付けられている、請求項２に記載の荷電粒子検出器。
【請求項４】
前記フレキシブルな半導体ウェファは、パイプの内側表面に取り付けられている、請求項２に記載の荷電粒子検出器。
【請求項５】
前記半導体ウェファは、２０ミクロン及び７０ミクロンの間の厚みを有するシリコン・ウェファである、請求項１−４のうち何れか１項に記載の荷電粒子検出器。
【請求項６】
前記フレキシブルな半導体ウェファの各表面にアルミニウムの層を含み、アルミニウムの各層は、光子を締め出す程度に十分な厚みであり、アルファ粒子に対して透過的である、請求項１−５のうち何れか１項に記載の荷電粒子検出器。
【請求項７】
各アルミニウム層は２００ｎｍの厚みである、請求項６に記載の荷電粒子検出器。
【請求項８】
前記増幅器は前記アルミニウム層を介して前記半導体ウェファに結合されている、請求項６又は７に記載の荷電粒子検出器。
【請求項９】
前記アルミニウム層のうちの少なくとも１つは複数のピクセルに細分され、各ピクセルは異なる増幅器に結合されている、請求項８に記載の荷電粒子検出器。
【請求項１０】
前記フレキシブルな半導体ウェファは、１０ｃｍより短い、より好ましくは５ｃｍより短い、より好ましくは２．５ｃｍより短い最小曲率半径を有する、請求項１−９のうち何れか１項に記載の荷電粒子検出器。
【請求項１１】
請求項１−１０のうち何れか１項に記載の荷電粒子検出器と、中性子フラックスにさらされると荷電粒子を生じさせる物質とを含む中性子検出器。
【請求項１２】
前記荷電粒子はアルファ粒子であり、前記物質はホウ素１０を含む、請求項１１に記載の中性子検出器。
【請求項１３】
前記物質は酸化ホウ素であり、前記フレキシブルな半導体ウェファは異なるドーピング・タイプの２つのフレキシブルな半導体シートを含み、前記酸化ホウ素は２つのフレキシブルなシリコン・シートの間の真性領域として提供される、請求項１２に記載の中性子検出器。
【請求項１４】
パイプの内側をライニングする請求項１−１０のうち何れか１項に記載の荷電粒子検出器を有するパイプ。
【請求項１５】
パイプの外側をライニングする請求項１１−１３のうち何れか１項に記載の中性子検出器を有するパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルファ粒子のような荷電粒子の検出に関する。特に、本発明は、フレキシブルな又は湾曲した荷電粒子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力サイトの廃炉は、放射性物質の検出、同定及び定量化のための信頼できる技術を必要とする。このシナリオでは、使い捨て廃棄物と汚染廃棄物との間の区別は、主に廃炉のコストによって決定される。英国政府は、次世紀にわたり、英国の原子力サイトを廃炉にするために、少なくとも１１７０億ポンドのコストを既に予想している。したがって、関連する財務数値を低減し、廃炉の進展を加速するために、新しい技術及びソリューションを探求する必要がある。
【０００３】
特に、配管内のプルトニウム等のアルファ放射線源の存在を評価するために利用可能な低コストのソリューションは存在しない。アルファ粒子の放出は、本質的に短距離プロセス（空気中で数ｃｍ、固体材料中で数ｍｍ又は数ミクロン）であり、パイプの内側で生じる任意の放射はパイプ壁によって吸収されるので、パイプの外側から検出不可能である。その結果、アルファ粒子検出器は、効果的な検出を保証するために、パイプの内側で、内壁にできるだけ近接して配置されなければならない。
【０００４】
パイプライン検査ゲージ（ＰＩＧ）は、パイプの内部状態の調査で日常的に使用されている。従って、潜在的なアルファ線汚染は、ＰＩＧの周りに複数の検出器を配置することによって突き止めることができる。しかしながら、アルファ線検出の効率は、検出器の数に依存する。各検出器は平坦であるので、個々の検出器が大きくなればなるほど、パイプ壁までの平均距離は大きくなる。非常に円に近い多くの個々の検出器のリングは、費用がかかり、かさばってしまう。
【０００５】
従来のモニタリング機器は、その代わりに、多段階の間接的な、したがって非効率的な検出メカニズムに基づく。例えば、アルファ粒子が、空気中の窒素分子のような蛍光物質を励起する場合、それは、光の放出によって基底状態まで緩和する。シンチレーション検出器は、誘導された発光を放射能の存在に関連付けることができる。しかしながら、荷電粒子によって引き起こされる発光は媒体中のエネルギー損失にほぼ比例するので、それらはプライマリ粒子のタイプにあまり敏感ではない。
【０００６】
より最近の効率的な検出方法は、空中浮遊イオンの測定に基づいており：周囲の空気がアルファ粒子に衝突する場合、イオン化された空気分子は、ファンによりイオン化チャンバへ駆り立てられ得る。パイプ内の対気速度分布をモデル化することは、ソースからチャンバまでのドリフト距離を決定することを可能にし、したがってアルファ線放射の位置を突き止めることができる。しかしながら、この方法は検査のために検査チャンバを必要とするので、各パイプは、セグメントに切断されなければならず、長い配管の検査には不可能であるかもしれない。
【０００７】
同様の問題は、高エネルギー粒子の実験で直面する。エネルギーを帯びた荷電粒子を検出する必要性があり、これは、ビーム・パイプの周囲及び内部に配列される各々がピクセルを規定する複数の検出器により現在行われている。しかしながら、個々のピクセルに対するダメージは、しばしば高価な交換を必要とし、検出器の数の選択は、精度（より多くの検出器は、円筒形状によりいっそう近づくことを可能にする）とコストとの間のトレードオフである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一態様によれば、荷電粒子検出器が提供される。荷電粒子検出器は、  ｐ−ｎ接合を形成するようにドーピングされたフレキシブルな半導体ウェファと、半導体ウェファに結合され、ｐ−ｎ接合での電流又は電圧を増幅するように構成される増幅器とを含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、中性子検出器が提供される。中性子検出器は、第１態様による荷電粒子検出器と、中性子フラックスにさらされると荷電粒子を生成する物質とを含む。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、パイプの内側をライニングする第１態様による荷電粒子検出器を有するパイプが提供される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、パイプの外側をライニングする第２態様による中性子検出器を有するパイプが提供される。
【００１２】
更なる態様及び好ましい特徴は、請求項２以降に列挙されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、ｐ−ｎ接合の概略図である。
【図２】図２は、アルファ粒子検出速度と、アルミニウムのコーティング厚さに対するトラック長とを示すグラフである。
【図３】図３は、例示的な増幅器の回路図である。
【図４】図４は、パイプゲージに取り付けられた検出器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
アルファ粒子の直接的な検出は、図１に示されるようなｐ−ｎ接合を利用することにより達成され得る。ｐ−ｎ接合は、接合１１の一方の側が過剰な電子を有し（ｎ型）、他方が過剰な正孔１２（ｐ型）を有するようにドープされた半導体（例えば、シリコン）から形成される。接合部自体に空乏層１３が形成され、ｎ側からの電子がｐ側へ拡散し、ｐ側からの正孔がｎ側へ拡散する。ｎ側からの電子はｐ側で正孔と再結合し、逆もまた同様であり、空乏ゾーンにおいて電荷キャリアの欠如をもたらす。これは、ｐ−ｎ接合をダイオードとして動作させる。ｎ型の方に正の電圧が印加され、ｐ型の方に負の電圧が印加されると、空乏層は自由電荷キャリアを有しないので、電流は流れることができない（「逆バイアス」）。対照的に、ｐ型の方に正の電圧が印加され、ｎ型の方に負の電圧が印加されると、ｐ型領域の正孔とｎ型領域の電子とが空乏領域の中に押し込まれ、十分に高い電圧で中和され、電流が流れることを許容する（「順バイアス」）。
【００１５】
アルファ粒子がｐ−ｎ接合と相互作用すると、それはその経路に沿って半導体をイオン化する。その結果、経路に沿って電子及び正孔の生成をもたらす結果となり、ｐ−ｎ接合が十分な順方向バイアス下にない場合でさえ、電流が流れ得る。これは、アルファ粒子のエネルギー及びその入射角に依存する測定可能な電圧スパイクを生成する。ガンマ線は、一般に、検出可能であるほど十分に強くｐ−ｎ接合と相互作用しないであろう。検出器の特性に応じて、アルファ粒子以外の荷電粒子が検出されてもよい（以下でより詳細に説明される）。
【００１６】
フレキシブルなｐ−ｎ接合は、十分に薄い半導体ウェファ、例えば７０ミクロン未満の厚さのシリコン・ウェファから作成されることが可能である。ここでは、このようなｐ−ｎ接合を使用して、フレキシブルな荷電粒子検出器を作成することが提案される。この検出器は、閉じた管内の荷電粒子を検出するのにより適した形状に形成されることが可能である（例えば、チューブ内側のインレー（ｉｎｌａｙ）として使用される、又はパイプ検査ゲージの周りに巻き付けられる）。
【００１７】
荷電粒子を効果的に検出するためには、ウェファの厚さは、使用される半導体において検出される粒子のブラッグ・ピーク深さ（ｔｈｅ  Ｂｒａｇｇ  ｐｅａｋ  ｄｅｐｔｈ）に近いか、又はそれより大きくすべきである。ブラッグ・ピークは、材料（この場合、半導体）を通過する間の粒子のエネルギー損失をプロットする曲線のピークである。シリコン中の５ＭｅＶアルファ粒子の場合、ブラッグ・ピークは２２ミクロンにあり、従って２０ミクロンを越えるウェファ厚さが相応しい。ブラッグ・ピーク深さがより浅い他の材料中の他の粒子の検出は、より薄い最小ウェファ厚さを許容し得るが、減少した厚さは、脆弱性の増加を招く結果となる。
【００１８】
フレキシブルなアルファ粒子検出器の例示的な製造プロセスが以下に説明される。この例では、特定の材料及び寸法が与えられているが、当業者は、他の適切な材料及び寸法が置き換えられ得ること、及び製造ステップは、同じ結果をもたらす同等のステップで置き換えられ得ることを理解するであろう。
【００１９】
チョクラルスキー法を用いて５０ミクロンの厚さのシリコン・ウェファが形成される。フロートゾーン法もまた使用され得るが、チョクラルスキー法はより低いコストであるため好ましく、（材料の強度を増加させ、放射線ダメージの影響を低減する）高い酸素含有量を有するウェファを形成する。任意の損傷した表面領域及び／又は汚染物を除去するために、５００ｎｍの厚さの犠牲酸化物層が成長させられる。
【００２０】
リン・ドーピングは、例えば、サン・ゴバン（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ）（ＰＨ−１０２５）から入手可能な拡散源のような固体平面拡散源を用いた熱拡散によって導入される。ソース・ウェーハは、シリコンｐ型ウェーハの直近に並列的に配置され、ドーピングは、Ｎ２雰囲気中で１０２５ｏＣで６０分間行われる。他のドーパント源（例えば、ホウ素）が使用されてもよいが、更なる処理ステップ（例えば、ホウケイ酸ガラス層の除去のため）を必要とするかもしれない。ウェファのフロント・サイドの酸化物層は除去され、ソース・ウェファの方に向けられ、ウェーハのバック・サイドの残りの酸化物は、ドーピング・ステップの間、マスキング層として機能する。ＲＣＡ洗浄が、各々の高温処理ステップの前に実行される。
【００２１】
ドーピング・プロセス中に形成される余分なガラスは、ウェファから除去される。薄いアルミニウム層がウェーハの両側に堆積される。アルミニウムは、ウェーハからの光子をブロックするが（ノイズを低減するが）、アルファ粒子が通過することを許容する程度に十分薄くなければならない。図２は、ウェファにおける検出レート及びトラック長の、アルミニウム層の厚さに対するグラフを示す。必要とされる検出器の感度に応じて、アルミニウムの厚さは、２ミクロン以下、好ましくは１ミクロン未満、或いは２００ｎｍ未満であってさえよい。アルミニウムはまた、ウェーハの電気接点としても作用する。他の荷電粒子を検出するために構成される検出器のために、他のコーティング材料及び／又は厚さが使用されてもよい。
【００２２】
一旦、適切なｐ−ｎ接合が、上記の方法又は任意の他の適切なプロセスによって形成されると、それは、検出器の一部として使用され得る。
【００２３】
上述のように、荷電粒子のエネルギーは、高々ブラッグ・ピーク深さまで消費され、即ち、電子−正孔対の大部分が、この深さに至るまでの半導体内で生成されるであろう。生成される少数キャリア（即ち、ｐ型領域内の電子及びｎ型領域内の正孔）が拡散によりｐ−ｎ接合に到達できる限り、空乏領域自体は、材料内にそれほど深く延びる必要はない。例えば、上述の概説したウェファ製造ステップを使用して、１ミクロンの空乏層厚さとともに、２．５ミクロンのｐ−ｎ接合深さが得られ、これは５ＭｅＶ（２２ミクロンのブラッグピーク深さ）のアルファ粒子を検出することに相応しく機能する。
【００２４】
荷電粒子によって生成される信号を検出するために、電荷感応増幅器が必要とされるであろう。図３に例示的な増幅器が示されている。
【００２５】
検出器の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、いくつかの要因に依存する。ＳＮＲは、好ましいダイオード特性を有するｐ−ｎ接合、即ち、逆バイアスでは小さな電流であり、順バイアスでは閾値電圧でシャープなターンオンとなるｐ−ｎ接合により改善されるであろう。ＳＮＲは、一般に、ｐ−ｎ接合のキャパシタンスの減少とともに改善される。低レベルの荷電粒子を捕捉するためには、大きな検出器サイズが望ましく、これはキャパシタンスを増大させる傾向があるが、キャパシタンスは、より抵抗性の基板、より低くドーピングされた基板、（より大きな）逆バイアスでダイオードを動作させること、又は上記の何らかの組合せを使用することによって、減らされることが可能である。一例として、より低くドーピングされた、より抵抗性の基板は、１０００オーム・センチメートルを超える抵抗を有することができる。増幅器段は、ＳＮＲを改善するために、ｐ−ｎ接合のキャパシタンスに応じて調整されるべきである。
【００２６】
位置−解明情報を提供するために、ｐ−ｎ接合の片側又は両側の電気接点は、ピクセルに細分されてもよい。そして、ｐ−ｎ接合に入射する荷電粒子の信号は、主に、最も近い画素によってピックアップされるであろう。
【００２７】
検出器は、中性子にさらされる場合に荷電粒子（例えば、アルファ粒子）を生じさせる材料を導入することによって、中性子の検出のために適合させられてもよい。例えば、酸化ホウ素の薄膜は、異なるドーピング・タイプの２つのフレキシブルなシリコン・シート間の真性領域として使用されてもよい。１０Ｂと熱中性子との相互作用はアルファ粒子を生じさせるので、このような検出器は、（１００％に及ぶほどの）非常に高能率で熱中性子を検出することができるであろう。
【００２８】
フレキシブルなｐ−ｎ接合は、湾曲した表面を有する検出器を提供するように取り付けられることができる。これは、固定された曲率でｐ−ｎ接合を取り付けること、又は必要に応じて曲率が調節され得るようにそれを取り付けることを含むことができる。ｐ−ｎ接合は、（例えば、原子炉の廃炉中に配管内でアルファ線源を探す場合に使用するために）配管検査ゲージに取り付けられてもよく、そしてｐ−ｎ接合の曲率が、検査される配管と同心状であるように取り付けられてもよい。あるいは、ｐ−ｎ接合は、パイプに固定されてもよく、例えば、パイプは高エネルギー粒子を検出するためにパイプの内側をライニングしていてもよいし、又は中性子を検出するように適合されたｐ−ｎ接合が（例えば、核分裂反応炉内の）中性子を検出するためにパイプの外側をライニングしていてもよい。
【００２９】
パイプの検査に使用する例示的な検出器が図４に示されている。検出器４０１は、パイプ４００に挿入されることが可能なパイプゲージ４０２に取り付けられる。ゲージ４０２に取り付けられた場合の検出器４０１の直径は、パイプ４００の内径よりもわずかに小さい。検出器は、ｐ型ウェファ４０３及びｎ型ウェファ４０４により形成され、これらは、ｐ−ｎ接合を形成するように互いに接合され、フレキシブルである。
【００３０】
ｐ−ｎ接合は、曲率半径が調節され得る仕方で取り付けられてもよい。これは、同じ検出器が、複数の異なるアプリケーション、例えばある範囲のパイプ直径、又はより大きなバレルに使用され得ることを意味する。
【００３１】
過度に大きなウェーハを必要とせずに完全なカバレッジを提供するために、複数のｐ−ｎ接合が、単一のゲージ又はパイプに取り付けられてもよい。例えば、５ｃｍの直径のパイプは、３つのｐ−ｎ接合を含むディテクタを利用して検査されてもよく、それら各々は５ｃｍの幅を有し、１２０°の弧をカバーする（検出器とパイプ壁との間にいくらかのギャップを有する）。ｐ−ｎ接合とパイプ壁との間の距離は実質的に一定であるので、これは、複数の平坦なｐ−ｎ接合を利用する現在の検出器を上回る改善された結果を更に提供する。フレキシブルなｐ−ｎ接合の曲率半径は、測定されるパイプの曲率半径と実質的に同様であるべきである（実際には、パイプの内側にフィットできるようにわずかに小さい）。特定のパイプ用の検出器として使用するためのフレキシブルなｐ−ｎ接合を形成する場合、接合の可撓性は、必要な曲率半径を達成するのに十分であるべきである。例えば、直径５ｃｍ（２インチ）のパイプの場合（多くの原子炉設置で典型的に使用されている）、フレキシブルなｐ−ｎ接合の最小曲率半径は、せいぜい２．５ｃｍであるべきである。このような接合部の最小曲率半径は、最終的には、ウェファの可撓性によって決定され、ウェファの可撓性は、厚さによって決定される。２．５ｃｍの曲率半径を達成するのに十分な可撓性を達成するために、ウェファの最大厚さは、７０ミクロン以下のオーダーであることが相応しい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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