半導体Ｘ線検出装置
【課題】コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下が防止され、且つ分解能の低下が抑制された半導体Ｘ線検出装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１０と、半導体Ｘ線検出素子１０と直結され、半導体Ｘ線検出素子１０の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路２０と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体３１の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成された構造のコールドフィンガー３０とを備える。
【解決手段】Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１０と、半導体Ｘ線検出素子１０と直結され、半導体Ｘ線検出素子１０の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路２０と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体３１の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成された構造のコールドフィンガー３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体Ｘ線検出素子を有する半導体Ｘ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質から放出される物質固有のＸ線を分析するエネルギー分散型のＸ線分析装置は、半導体Ｘ線検出素子や半導体Ｘ線検出素子からの電気的な出力信号を増幅する初段ＦＥＴ回路などを含む半導体Ｘ線検出装置を有する。半導体Ｘ線検出素子や初段ＦＥＴ回路を支持及び冷却するコールドフィンガーには、半導体Ｘ線検出装置の軽量化などのために、アルミニウム材の採用が検討されている。
【０００３】
しかし、高エネルギーのＸ線が半導体Ｘ線検出装置に入射した場合に、Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子を突き抜け、コールドフィンガーの素材であるアルミニウムに吸収されることがある。これによりコールドフィンガーで発生する蛍光Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子に後方から入射し、不純線の原因となる。
【０００４】
コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下を防止するために、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路の間に蛍光Ｘ線を遮断する遮蔽板を配置する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。コールドフィンガーで発生した蛍光Ｘ線は遮蔽板によって遮断されるため、不純線が半導体Ｘ線検出素子に後方から入射することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８６４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路の間に遮蔽板を配置した場合には、遮蔽板を通過して半導体Ｘ線検出素子の出力信号を初段ＦＥＴ回路に伝搬させるために、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路との間に接続電極を配置することが必要である。この接続電極の容量が初段ＦＥＴ回路の入力端子に付加されるため、半導体Ｘ線検出装置の分解能が低下するという問題があった。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下が防止され、且つ分解能の低下が抑制された半導体Ｘ線検出装置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】
【０００８】
本発明の一態様によれば、（イ）Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子と、（ロ）半導体Ｘ線検出素子と直結され、半導体Ｘ線検出素子の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路と、（ハ）半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜が形成された構造のコールドフィンガーとを備える半導体Ｘ線検出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下が防止され、且つ分解能の低下が抑制された半導体Ｘ線検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した半導体Ｘ線検出装置の模式的な回路図である。
【図３】比較例の半導体Ｘ線検出装置の構成を示す模式図である。
【図４】分解能とシェイピング時間との関係を示すグラフである。
【図５】検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎にカウントした結果を示すグラフである。
【図６】膜厚とアルミニウムＫａ線の透過率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置を用いたＸ線分析装置の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１は、図１に示すように、Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１０と、半導体Ｘ線検出素子１０と直結され、半導体Ｘ線検出素子１０の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路２０と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０を囲むようにして支持する、アルミニウム（Ａｌ）からなる基体３１の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成された構造のコールドフィンガー３０とを備える。図１は、半導体Ｘ線検出装置１に入射するＸ線の進行方向に沿った断面図である。
【００１４】
コールドフィンガー３０は例えば筒形状であり、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０はコールドフィンガー３０の内部に格納される。皮膜３２は、コールドフィンガー３０の少なくとも半導体Ｘ線検出素子１０に向いている面に形成される。図１は、コールドフィンガー３０の内側表面に皮膜３２を形成した例である。コールドフィンガー３０の内側表面にのみ皮膜３２を形成したのは、コールドフィンガー３０の外側で発生する不純線は半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射しないためである。
【００１５】
半導体Ｘ線検出素子１０、初段ＦＥＴ回路２０及びコールドフィンガー３０は、容器５０の内部に配置されている。Ｘ線検出時に、容器５０の内部は真空状態に維持される。図示を省略する測定対象物から放出されたＸ線（以下において「入射Ｘ線」という。）ＸINは、容器５０に配置された入射窓６０を透過して、半導体Ｘ線検出素子１０に入射する。入射窓６０は、例えばベリリウム（Ｂｅ）からなる。
【００１６】
半導体Ｘ線検出素子１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶にリチウム（Ｌｉ）を拡散させて形成したＰ−Ｉ−Ｎ接合を有する半導体素子である。入射Ｘ線ＸINが半導体Ｘ線検出素子１０に入射すると、Ｉ層に入射した入射Ｘ線ＸINにより半導体Ｘ線検出素子１０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。
【００１７】
半導体Ｘ線検出素子１０から出力される電気的な出力信号は、初段ＦＥＴ回路２０に受信される。具体的には、入射Ｘ線ＸINの入射によって半導体Ｘ線検出素子１０に生成された検出電流が、初段ＦＥＴ回路２０の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極に入力される。そして、初段ＦＥＴ回路２０によって、半導体Ｘ線検出素子１０の検出電流は入射Ｘ線ＸINのエネルギーに比例した電圧に変換・増幅され、検出信号ＳＴとして出力される。初段ＦＥＴ回路２０から出力された検出信号ＳＴを解析することにより、測定対象物に含まれる元素を特定可能である。
【００１８】
図２に、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０の電気的な構成を表す回路図を示す。半導体Ｘ線検出素子１０で生成された検出電流Ｉが、初段ＦＥＴ回路２０によって電圧に変換・増幅され、検出信号ＳＴが出力される。
【００１９】
コールドフィンガー３０は、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を支持すると共に、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を冷却する。このため、例えば図１に示すように、冷却装置４０によってコールドフィンガー３０が冷却される。冷却装置４０は例えば液体窒素デュアであり、冷却装置４０に接続された冷却媒体４５が液体窒素によって冷却される。冷却媒体４５はコールドフィンガー３０に熱的に接続されている。このため、熱伝導率の良い銅（Ｃｕ）などからなる冷却媒体４５を介して、コールドフィンガー３０が冷却される。そして、冷却されたコールドフィンガー３０に接触する半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０が冷却される。
【００２０】
コールドフィンガー３０の素材を熱伝導率が銅に近いアルミニウムにすることによっても、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を効率的に冷却することができる。
【００２１】
また、コールドフィンガー３０の素材にアルミニウムを採用することにより、例えばコールドフィンガー３０の素材が銅である場合に比べて、半導体Ｘ線検出装置１を軽量化することができる。このため、例えば、測定対象物から放出されたＸ線を半導体Ｘ線検出素子１０に入射させるために半導体Ｘ線検出装置１を鉛直方向から傾けて設置したい場合に、半導体Ｘ線検出装置１を支持する部材の負荷を軽減できる。
【００２２】
以下に、第１の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とが直結されていない比較例の半導体Ｘ線検出装置との比較について説明する。
【００２３】
図３に示した比較例の半導体Ｘ線検出装置１０Ａでは、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０との間に遮蔽板１１０が配置されている。この遮蔽板１１０は、表面に皮膜３２が形成されていないコールドフィンガー３０Ａで発生した蛍光Ｘ線が、半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射するのを防止するために配置されている。遮蔽板１１０の材料には、窒化ボロン（ＢＮ）やフッ素樹脂などを採用可能である。
【００２４】
更に、半導体Ｘ線検出装置１０Ａは、遮蔽板１１０を通して半導体Ｘ線検出素子１０から初段ＦＥＴ回路２０に信号を伝搬させるために、接続電極１２０を有する。つまり、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とは、遮蔽板１１０を貫通する接続電極１２０を介して電気的に接続されている。
【００２５】
図３に示すように、半導体Ｘ線検出素子１０、遮蔽板１１０、接続電極１２０、初段ＦＥＴ回路２０及びコールドフィンガー３０Ａは、入射Ｘ線ＸINが透過する入射窓６０を有する容器５０の内部に配置されている。また、コールドフィンガー３０Ａは、冷却媒体４５を介して冷却装置４０によって冷却される。つまり、遮蔽板１１０と接続電極１２０を有し、コールドフィンガー３０Ａに皮膜３２が形成されていない点を除いて、半導体Ｘ線検出装置１０Ａは半導体Ｘ線検出装置１と同様の構造である。
【００２６】
図１に示した半導体Ｘ線検出装置１及び図３に示した半導体Ｘ線検出装置１０Ａそれぞれについて、分解能とシェイピング時間（波形整形時間：shaping time）の関係を調査した結果を示すグラフを図４に示す。図４において、実線で示した特性Ａが図１に示した半導体Ｘ線検出装置１の特性である。また、破線で示した特性Ｂが図３に示した半導体Ｘ線検出装置１０Ａの特性である。
【００２７】
遮蔽板１１０を含まない半導体Ｘ線検出装置１では、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とが接続電極１２０を介さず直接に結合されている。このため、図３に示した比較例の半導体Ｘ線検出装置１０Ａに比べて、初段ＦＥＴ回路２０の入力端子に付加される浮遊容量が低減される。その結果、図４に示すように、半導体Ｘ線検出装置１０Ａに比べて、半導体Ｘ線検出装置１では短シェイピング時間での分解能が向上する。
【００２８】
例えば、半導体Ｘ線検出装置１では、シェイピング時間が２μｓの場合の分解能は１５５ｅＶ以下である。一方、半導体Ｘ線検出装置１０Ａでは、シェイピング時間が５μｓの場合に分解能が１４５ｅＶ程度、シェイピング時間が２μｓの場合に分解能が１６０ｅＶ程度である。
【００２９】
つまり、図１に示した半導体Ｘ線検出装置１によれば、より短い測定時間で半導体Ｘ線検出装置１０Ａと同様の測定精度を得ることができる。
【００３０】
ところで、半導体Ｘ線検出素子１０を突き抜けたＸ線がコールドフィンガー３０の素材であるアルミニウムに吸収されることにより、コールドフィンガー３０で蛍光Ｘ線が発生する場合がある。この蛍光Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射すると、不純線の入射となって半導体Ｘ線検出装置１の測定精度が低下する。
【００３１】
しかし、半導体Ｘ線検出装置１のコールドフィンガー３０の表面には、アルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成されている。このため、アルミニウムであるコールドフィンガー３０の基体３１にＸ線が吸収されることにより発生するアルミニウム不純線は、皮膜３２によって吸収される。これにより、不純線が半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射するのを防止することができる。その結果、半導体Ｘ線検出装置１の測定精度の低下が抑制される。
【００３２】
図５は、半導体Ｘ線検出装置１によって検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎に集計した結果を示すグラフである。縦軸が集計されたカウント数、横軸がエネルギーのチャンネルである。つまり、図５は、入射Ｘ線ＸINによって半導体Ｘ線検出素子１０でキャリアが発生することにより検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎にカウントした結果を示す。なお、測定時間は１５００秒である。
【００３３】
図５において、アルミニウムからなるコールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成した場合の特性Ａを実線で示している。なお、皮膜３２は、コロイド状グラファイト塗布膜であり、膜厚は２００μｍである。一方、図５に示した破線は、アルミニウムからなるコールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成していない場合の特性Ｂである。
【００３４】
図５に示すように、特性Ｂではアルミニウムに相当するチャンネルＮAlのカウント数が大きいのに対し、特性Ａでは、チャンネルＮAlと他のチャンネルとでカウント数は同程度である。つまり、コールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成することによって、コールドフィンガー３０から外部に出力されるアルミニウム不純線を低減することができる。
【００３５】
アルミニウムより軽い元素からなる皮膜３２には、例えば炭素（Ｃ）膜、ホウ素（Ｂ）膜、ベリリウム（Ｂｅ）膜などを採用可能である。
【００３６】
図６は、炭素膜、ホウ素膜、ベリリウム膜の膜厚とアルミニウムＫａ線の透過率との関係を示すグラフである。図６において、特性Ａ１がベリリウム膜、特性Ａ２がホウ素膜、特性Ａ３が炭素膜に対するアルミニウムＫａ線の透過率である。図６から、アルミニウム不純線の吸収に必要な膜厚は、炭素膜では２００μｍ程度、ホウ素膜では１００μｍ程度、ベリリウム膜では５０μｍ程度であることがわかる。
【００３７】
したがって、コールドフィンガー３０の表面に形成する皮膜３２には、炭素膜が好適である。なお、水に分散したコロイド状グラファイトを皮膜３２として塗布する場合には、密度が低い炭素膜であるため、皮膜３２の膜厚は２００μｍ程度が必要である。
【００３８】
また、コールドフィンガー３０の素材である基体３１をアルミニウムにすることによって、例えばコールドフィンガー３０の基体３１が銅である場合に比べて、コールドフィンガー３０の基体３１で発生する不純線のエネルギーを小さくできる。このため、皮膜３２に軽い元素の膜、例えば炭素膜を採用可能である。炭素膜からも不純線は発生するが、炭素不純線のエネルギーは小さいために、皮膜３２からの不純線は半導体Ｘ線検出装置１の測定精度に影響しない。これに対し、コールドフィンガー３０の基体３１が銅である場合には、銅不純線を吸収するために必要な皮膜３２の素材から発生する不純線のエネルギーは大きく、半導体Ｘ線検出装置１の測定精度が低下する。したがって、皮膜３２から発生する不純線による測定精度への影響の点からも、コールドフィンガー３０の素材である基体３１はアルミニウムであることが好ましい。
【００３９】
図１に示した半導体Ｘ線検出装置１は、例えば図７に示すようにＸ線分析装置２００に適用することができる。図７に示したＸ線分析装置２００は、Ｘ線管３から出力したＸ線Ｘ１を測定対象物３００に照射し、測定対象物３００から放出された蛍光Ｘ線Ｘ２を検出、分析するエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置である。
【００４０】
蛍光Ｘ線Ｘ２が入射Ｘ線ＸINとして半導体Ｘ線検出装置１に入射すると、既に説明したように、蛍光Ｘ線Ｘ２が半導体Ｘ線検出素子１０によって検出され、初段ＦＥＴ回路２０から蛍光Ｘ線Ｘ２のエネルギーに比例した大きさを示す検出信号ＳＴが出力される。蛍光Ｘ線Ｘ２は、測定対象物３００に含まれる元素固有のエネルギーを有する。このため、検出信号ＳＴを信号分析装置２によって分析することによって、測定対象物３００に含まれる元素が特定される。
【００４１】
既に述べたように、接続電極１２０と遮蔽板１１０を含まず、初段ＦＥＴ回路２０に付加される浮遊容量が低減された半導体Ｘ線検出装置１では、短シェイピング時間での分解能が向上する。その結果、半導体Ｘ線検出装置１を使用することにより、Ｘ線分析装置２００による測定時間が短縮される。更に、コールドフィンガー３０からのアルミニウム不純線を吸収する皮膜３２をコールドフィンガー３０の表面に形成することにより、Ｘ線分析装置２００のアルミニウム測定精度が向上する。
【００４２】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１によれば、アルミニウム材を用いたコールドフィンガー３０からの不純線による測定精度の低下が抑制される。更に、初段ＦＥＴ回路２０に付加される浮遊容量が低減されることにより、分解能が向上された半導体Ｘ線検出装置１を提供することができる。
【００４３】
また、半導体Ｘ線検出装置１をＸ線分析装置に適用することによって、測定精度を低下させることなく測定時間を短縮することができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
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。
【００４５】
既に述べた実施形態の説明においては、半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸＲＦ）に適用する例を示したが、半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）に適用することもできる。半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型Ｘ線分析装置に適用する場合には、電子線が照射された測定対象物から放出された特性Ｘ線が半導体Ｘ線検出装置１によって検出される。
【００４６】
このように、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】
【００４７】
１…半導体Ｘ線検出装置
２…信号分析装置
３…Ｘ線管
１０…半導体Ｘ線検出素子
２０…初段ＦＥＴ回路
３０…コールドフィンガー
３１…基体
３２…皮膜
４０…冷却装置
４５…冷却媒体
５０…容器
６０…入射窓
１１０…遮蔽板
１２０…接続電極
２００…Ｘ線分析装置
３００…測定対象物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体Ｘ線検出素子を有する半導体Ｘ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質から放出される物質固有のＸ線を分析するエネルギー分散型のＸ線分析装置は、半導体Ｘ線検出素子や半導体Ｘ線検出素子からの電気的な出力信号を増幅する初段ＦＥＴ回路などを含む半導体Ｘ線検出装置を有する。半導体Ｘ線検出素子や初段ＦＥＴ回路を支持及び冷却するコールドフィンガーには、半導体Ｘ線検出装置の軽量化などのために、アルミニウム材の採用が検討されている。
【０００３】
しかし、高エネルギーのＸ線が半導体Ｘ線検出装置に入射した場合に、Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子を突き抜け、コールドフィンガーの素材であるアルミニウムに吸収されることがある。これによりコールドフィンガーで発生する蛍光Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子に後方から入射し、不純線の原因となる。
【０００４】
コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下を防止するために、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路の間に蛍光Ｘ線を遮断する遮蔽板を配置する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。コールドフィンガーで発生した蛍光Ｘ線は遮蔽板によって遮断されるため、不純線が半導体Ｘ線検出素子に後方から入射することが抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８６４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路の間に遮蔽板を配置した場合には、遮蔽板を通過して半導体Ｘ線検出素子の出力信号を初段ＦＥＴ回路に伝搬させるために、半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路との間に接続電極を配置することが必要である。この接続電極の容量が初段ＦＥＴ回路の入力端子に付加されるため、半導体Ｘ線検出装置の分解能が低下するという問題があった。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下が防止され、且つ分解能の低下が抑制された半導体Ｘ線検出装置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】
【０００８】
本発明の一態様によれば、（イ）Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子と、（ロ）半導体Ｘ線検出素子と直結され、半導体Ｘ線検出素子の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路と、（ハ）半導体Ｘ線検出素子と初段ＦＥＴ回路を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜が形成された構造のコールドフィンガーとを備える半導体Ｘ線検出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コールドフィンガーからの不純線による測定精度の低下が防止され、且つ分解能の低下が抑制された半導体Ｘ線検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した半導体Ｘ線検出装置の模式的な回路図である。
【図３】比較例の半導体Ｘ線検出装置の構成を示す模式図である。
【図４】分解能とシェイピング時間との関係を示すグラフである。
【図５】検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎にカウントした結果を示すグラフである。
【図６】膜厚とアルミニウムＫａ線の透過率との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置を用いたＸ線分析装置の構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１は、図１に示すように、Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１０と、半導体Ｘ線検出素子１０と直結され、半導体Ｘ線検出素子１０の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路２０と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０を囲むようにして支持する、アルミニウム（Ａｌ）からなる基体３１の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成された構造のコールドフィンガー３０とを備える。図１は、半導体Ｘ線検出装置１に入射するＸ線の進行方向に沿った断面図である。
【００１４】
コールドフィンガー３０は例えば筒形状であり、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０はコールドフィンガー３０の内部に格納される。皮膜３２は、コールドフィンガー３０の少なくとも半導体Ｘ線検出素子１０に向いている面に形成される。図１は、コールドフィンガー３０の内側表面に皮膜３２を形成した例である。コールドフィンガー３０の内側表面にのみ皮膜３２を形成したのは、コールドフィンガー３０の外側で発生する不純線は半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射しないためである。
【００１５】
半導体Ｘ線検出素子１０、初段ＦＥＴ回路２０及びコールドフィンガー３０は、容器５０の内部に配置されている。Ｘ線検出時に、容器５０の内部は真空状態に維持される。図示を省略する測定対象物から放出されたＸ線（以下において「入射Ｘ線」という。）ＸINは、容器５０に配置された入射窓６０を透過して、半導体Ｘ線検出素子１０に入射する。入射窓６０は、例えばベリリウム（Ｂｅ）からなる。
【００１６】
半導体Ｘ線検出素子１０は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶にリチウム（Ｌｉ）を拡散させて形成したＰ−Ｉ−Ｎ接合を有する半導体素子である。入射Ｘ線ＸINが半導体Ｘ線検出素子１０に入射すると、Ｉ層に入射した入射Ｘ線ＸINにより半導体Ｘ線検出素子１０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。
【００１７】
半導体Ｘ線検出素子１０から出力される電気的な出力信号は、初段ＦＥＴ回路２０に受信される。具体的には、入射Ｘ線ＸINの入射によって半導体Ｘ線検出素子１０に生成された検出電流が、初段ＦＥＴ回路２０の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極に入力される。そして、初段ＦＥＴ回路２０によって、半導体Ｘ線検出素子１０の検出電流は入射Ｘ線ＸINのエネルギーに比例した電圧に変換・増幅され、検出信号ＳＴとして出力される。初段ＦＥＴ回路２０から出力された検出信号ＳＴを解析することにより、測定対象物に含まれる元素を特定可能である。
【００１８】
図２に、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０の電気的な構成を表す回路図を示す。半導体Ｘ線検出素子１０で生成された検出電流Ｉが、初段ＦＥＴ回路２０によって電圧に変換・増幅され、検出信号ＳＴが出力される。
【００１９】
コールドフィンガー３０は、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を支持すると共に、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を冷却する。このため、例えば図１に示すように、冷却装置４０によってコールドフィンガー３０が冷却される。冷却装置４０は例えば液体窒素デュアであり、冷却装置４０に接続された冷却媒体４５が液体窒素によって冷却される。冷却媒体４５はコールドフィンガー３０に熱的に接続されている。このため、熱伝導率の良い銅（Ｃｕ）などからなる冷却媒体４５を介して、コールドフィンガー３０が冷却される。そして、冷却されたコールドフィンガー３０に接触する半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０が冷却される。
【００２０】
コールドフィンガー３０の素材を熱伝導率が銅に近いアルミニウムにすることによっても、半導体Ｘ線検出素子１０及び初段ＦＥＴ回路２０を効率的に冷却することができる。
【００２１】
また、コールドフィンガー３０の素材にアルミニウムを採用することにより、例えばコールドフィンガー３０の素材が銅である場合に比べて、半導体Ｘ線検出装置１を軽量化することができる。このため、例えば、測定対象物から放出されたＸ線を半導体Ｘ線検出素子１０に入射させるために半導体Ｘ線検出装置１を鉛直方向から傾けて設置したい場合に、半導体Ｘ線検出装置１を支持する部材の負荷を軽減できる。
【００２２】
以下に、第１の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１と、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とが直結されていない比較例の半導体Ｘ線検出装置との比較について説明する。
【００２３】
図３に示した比較例の半導体Ｘ線検出装置１０Ａでは、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０との間に遮蔽板１１０が配置されている。この遮蔽板１１０は、表面に皮膜３２が形成されていないコールドフィンガー３０Ａで発生した蛍光Ｘ線が、半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射するのを防止するために配置されている。遮蔽板１１０の材料には、窒化ボロン（ＢＮ）やフッ素樹脂などを採用可能である。
【００２４】
更に、半導体Ｘ線検出装置１０Ａは、遮蔽板１１０を通して半導体Ｘ線検出素子１０から初段ＦＥＴ回路２０に信号を伝搬させるために、接続電極１２０を有する。つまり、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とは、遮蔽板１１０を貫通する接続電極１２０を介して電気的に接続されている。
【００２５】
図３に示すように、半導体Ｘ線検出素子１０、遮蔽板１１０、接続電極１２０、初段ＦＥＴ回路２０及びコールドフィンガー３０Ａは、入射Ｘ線ＸINが透過する入射窓６０を有する容器５０の内部に配置されている。また、コールドフィンガー３０Ａは、冷却媒体４５を介して冷却装置４０によって冷却される。つまり、遮蔽板１１０と接続電極１２０を有し、コールドフィンガー３０Ａに皮膜３２が形成されていない点を除いて、半導体Ｘ線検出装置１０Ａは半導体Ｘ線検出装置１と同様の構造である。
【００２６】
図１に示した半導体Ｘ線検出装置１及び図３に示した半導体Ｘ線検出装置１０Ａそれぞれについて、分解能とシェイピング時間（波形整形時間：shaping time）の関係を調査した結果を示すグラフを図４に示す。図４において、実線で示した特性Ａが図１に示した半導体Ｘ線検出装置１の特性である。また、破線で示した特性Ｂが図３に示した半導体Ｘ線検出装置１０Ａの特性である。
【００２７】
遮蔽板１１０を含まない半導体Ｘ線検出装置１では、半導体Ｘ線検出素子１０と初段ＦＥＴ回路２０とが接続電極１２０を介さず直接に結合されている。このため、図３に示した比較例の半導体Ｘ線検出装置１０Ａに比べて、初段ＦＥＴ回路２０の入力端子に付加される浮遊容量が低減される。その結果、図４に示すように、半導体Ｘ線検出装置１０Ａに比べて、半導体Ｘ線検出装置１では短シェイピング時間での分解能が向上する。
【００２８】
例えば、半導体Ｘ線検出装置１では、シェイピング時間が２μｓの場合の分解能は１５５ｅＶ以下である。一方、半導体Ｘ線検出装置１０Ａでは、シェイピング時間が５μｓの場合に分解能が１４５ｅＶ程度、シェイピング時間が２μｓの場合に分解能が１６０ｅＶ程度である。
【００２９】
つまり、図１に示した半導体Ｘ線検出装置１によれば、より短い測定時間で半導体Ｘ線検出装置１０Ａと同様の測定精度を得ることができる。
【００３０】
ところで、半導体Ｘ線検出素子１０を突き抜けたＸ線がコールドフィンガー３０の素材であるアルミニウムに吸収されることにより、コールドフィンガー３０で蛍光Ｘ線が発生する場合がある。この蛍光Ｘ線が半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射すると、不純線の入射となって半導体Ｘ線検出装置１の測定精度が低下する。
【００３１】
しかし、半導体Ｘ線検出装置１のコールドフィンガー３０の表面には、アルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜３２が形成されている。このため、アルミニウムであるコールドフィンガー３０の基体３１にＸ線が吸収されることにより発生するアルミニウム不純線は、皮膜３２によって吸収される。これにより、不純線が半導体Ｘ線検出素子１０に後方から入射するのを防止することができる。その結果、半導体Ｘ線検出装置１の測定精度の低下が抑制される。
【００３２】
図５は、半導体Ｘ線検出装置１によって検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎に集計した結果を示すグラフである。縦軸が集計されたカウント数、横軸がエネルギーのチャンネルである。つまり、図５は、入射Ｘ線ＸINによって半導体Ｘ線検出素子１０でキャリアが発生することにより検出された電荷の個数をエネルギーの大きさ毎にカウントした結果を示す。なお、測定時間は１５００秒である。
【００３３】
図５において、アルミニウムからなるコールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成した場合の特性Ａを実線で示している。なお、皮膜３２は、コロイド状グラファイト塗布膜であり、膜厚は２００μｍである。一方、図５に示した破線は、アルミニウムからなるコールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成していない場合の特性Ｂである。
【００３４】
図５に示すように、特性Ｂではアルミニウムに相当するチャンネルＮAlのカウント数が大きいのに対し、特性Ａでは、チャンネルＮAlと他のチャンネルとでカウント数は同程度である。つまり、コールドフィンガー３０の表面に皮膜３２を形成することによって、コールドフィンガー３０から外部に出力されるアルミニウム不純線を低減することができる。
【００３５】
アルミニウムより軽い元素からなる皮膜３２には、例えば炭素（Ｃ）膜、ホウ素（Ｂ）膜、ベリリウム（Ｂｅ）膜などを採用可能である。
【００３６】
図６は、炭素膜、ホウ素膜、ベリリウム膜の膜厚とアルミニウムＫａ線の透過率との関係を示すグラフである。図６において、特性Ａ１がベリリウム膜、特性Ａ２がホウ素膜、特性Ａ３が炭素膜に対するアルミニウムＫａ線の透過率である。図６から、アルミニウム不純線の吸収に必要な膜厚は、炭素膜では２００μｍ程度、ホウ素膜では１００μｍ程度、ベリリウム膜では５０μｍ程度であることがわかる。
【００３７】
したがって、コールドフィンガー３０の表面に形成する皮膜３２には、炭素膜が好適である。なお、水に分散したコロイド状グラファイトを皮膜３２として塗布する場合には、密度が低い炭素膜であるため、皮膜３２の膜厚は２００μｍ程度が必要である。
【００３８】
また、コールドフィンガー３０の素材である基体３１をアルミニウムにすることによって、例えばコールドフィンガー３０の基体３１が銅である場合に比べて、コールドフィンガー３０の基体３１で発生する不純線のエネルギーを小さくできる。このため、皮膜３２に軽い元素の膜、例えば炭素膜を採用可能である。炭素膜からも不純線は発生するが、炭素不純線のエネルギーは小さいために、皮膜３２からの不純線は半導体Ｘ線検出装置１の測定精度に影響しない。これに対し、コールドフィンガー３０の基体３１が銅である場合には、銅不純線を吸収するために必要な皮膜３２の素材から発生する不純線のエネルギーは大きく、半導体Ｘ線検出装置１の測定精度が低下する。したがって、皮膜３２から発生する不純線による測定精度への影響の点からも、コールドフィンガー３０の素材である基体３１はアルミニウムであることが好ましい。
【００３９】
図１に示した半導体Ｘ線検出装置１は、例えば図７に示すようにＸ線分析装置２００に適用することができる。図７に示したＸ線分析装置２００は、Ｘ線管３から出力したＸ線Ｘ１を測定対象物３００に照射し、測定対象物３００から放出された蛍光Ｘ線Ｘ２を検出、分析するエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置である。
【００４０】
蛍光Ｘ線Ｘ２が入射Ｘ線ＸINとして半導体Ｘ線検出装置１に入射すると、既に説明したように、蛍光Ｘ線Ｘ２が半導体Ｘ線検出素子１０によって検出され、初段ＦＥＴ回路２０から蛍光Ｘ線Ｘ２のエネルギーに比例した大きさを示す検出信号ＳＴが出力される。蛍光Ｘ線Ｘ２は、測定対象物３００に含まれる元素固有のエネルギーを有する。このため、検出信号ＳＴを信号分析装置２によって分析することによって、測定対象物３００に含まれる元素が特定される。
【００４１】
既に述べたように、接続電極１２０と遮蔽板１１０を含まず、初段ＦＥＴ回路２０に付加される浮遊容量が低減された半導体Ｘ線検出装置１では、短シェイピング時間での分解能が向上する。その結果、半導体Ｘ線検出装置１を使用することにより、Ｘ線分析装置２００による測定時間が短縮される。更に、コールドフィンガー３０からのアルミニウム不純線を吸収する皮膜３２をコールドフィンガー３０の表面に形成することにより、Ｘ線分析装置２００のアルミニウム測定精度が向上する。
【００４２】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る半導体Ｘ線検出装置１によれば、アルミニウム材を用いたコールドフィンガー３０からの不純線による測定精度の低下が抑制される。更に、初段ＦＥＴ回路２０に付加される浮遊容量が低減されることにより、分解能が向上された半導体Ｘ線検出装置１を提供することができる。
【００４３】
また、半導体Ｘ線検出装置１をＸ線分析装置に適用することによって、測定精度を低下させることなく測定時間を短縮することができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
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。
【００４５】
既に述べた実施形態の説明においては、半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸＲＦ）に適用する例を示したが、半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）に適用することもできる。半導体Ｘ線検出装置１をエネルギー分散型Ｘ線分析装置に適用する場合には、電子線が照射された測定対象物から放出された特性Ｘ線が半導体Ｘ線検出装置１によって検出される。
【００４６】
このように、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】
【００４７】
１…半導体Ｘ線検出装置
２…信号分析装置
３…Ｘ線管
１０…半導体Ｘ線検出素子
２０…初段ＦＥＴ回路
３０…コールドフィンガー
３１…基体
３２…皮膜
４０…冷却装置
４５…冷却媒体
５０…容器
６０…入射窓
１１０…遮蔽板
１２０…接続電極
２００…Ｘ線分析装置
３００…測定対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子と、
前記半導体Ｘ線検出素子と直結され、前記半導体Ｘ線検出素子の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路と、
前記半導体Ｘ線検出素子と前記初段ＦＥＴ回路を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜が形成された構造のコールドフィンガーと
を備えることを特徴とする半導体Ｘ線検出装置。
【請求項２】
前記皮膜が、少なくとも前記コールドフィンガーの前記半導体Ｘ線検出素子に向いている面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【請求項３】
前記コールドフィンガーが内側表面に前記皮膜が形成された筒形状であり、前記コールドフィンガーの内部に前記半導体Ｘ線検出素子と前記初段ＦＥＴ回路が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記皮膜が炭素からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【請求項１】
Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子と、
前記半導体Ｘ線検出素子と直結され、前記半導体Ｘ線検出素子の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路と、
前記半導体Ｘ線検出素子と前記初段ＦＥＴ回路を囲むようにして支持する、アルミニウムからなる基体の表面にアルミニウムよりも軽い元素を材料とする皮膜が形成された構造のコールドフィンガーと
を備えることを特徴とする半導体Ｘ線検出装置。
【請求項２】
前記皮膜が、少なくとも前記コールドフィンガーの前記半導体Ｘ線検出素子に向いている面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【請求項３】
前記コールドフィンガーが内側表面に前記皮膜が形成された筒形状であり、前記コールドフィンガーの内部に前記半導体Ｘ線検出素子と前記初段ＦＥＴ回路が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【請求項４】
前記皮膜が炭素からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体Ｘ線検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０２８２８（Ｐ２０１２−２０２８２８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７８０７（Ｐ２０１１−６７８０７）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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