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論文

Development of radiation resistant monitoring camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2017) (Internet), 3 Pages, 2018/11

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故時の環境でも原子炉建屋内の監視が可能な耐放射線性カメラシステムの開発を開始した。本研究は、カメラを構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、要素技術開発として放射線環境下において100Gy未満で使用不能となるイメージセンサの劣化主因が暗電流増加であることを明らかにし、トランジスタの数を4つから3つに減らすとともに光電変換構造としてフォトゲート型を採用することで暗電流の軽減を図った。その結果、イメージセンサの耐放射線性は200kGy以上にまで向上した。また、光学系については、石英とフッ化カルシウムを用いた耐放射線プリズムとズームレンズにすることにより、1MGy照射後においても十分な性能を有することを示した。一方、その他の電子部品については、100kGy未満で故障するものもあり、一部に遮蔽構造を採用した。これらの結果を踏まえ、開発したカメラシステムが900kGy以上の照射線量でも良好な画像を取得できることを明らかにした。

論文

原子力発電所の廃炉技術最前線; 福島第一原発の廃止措置に向けた取り組み,4; 耐放射線性イメージセンサの開発

渡辺 恭志*; 小澤 治*; 武内 伴照

電気学会誌, 138(8), p.529 - 534, 2018/08

放射線環境下でも使用可能な観察・通信機器開発の一環として、耐放射線性カメラの開発に取り組んでいる。本研究では、放射線によるカメラ画質劣化の主因であるイメージセンサ内の暗電流を抑制するため、イメージセンサの光電変換部近傍にフォトゲートを有する素子を試作し、$$gamma$$線を照射して暗電流と光電変換感度を測定した。その結果、一般的なフォトダイオードを有する素子よりも、照射後における暗電流特性及び光電変換感度が優れていることが分かった。また、カメラ光学系に関して、石英を主体とするレンズ及びプリズムを試作し、耐放射線性が大幅に向上することが分かった。これらの成果から、遮蔽が不要な200kGy以上の耐放射線性を有するカメラの実現に目途を付けた。

論文

A New radiation hardened CMOS image sensor for nuclear plant

渡辺 恭志*; 武内 伴照; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 赤堀 知行*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 International Image Sensor Workshop (IISW 2017) (Internet), p.206 - 209, 2017/05

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子の耐放射線性向上に取り組んだ。まず、既存の撮像素子としてフォトダイオード(PD)型、埋め込みPD型及びフィールドプレート付PD(FP-PD)型に対して$$gamma$$線照射試験を行ったところ、照射後の暗電流はFP-PD型が最も小さく、耐放射線性に優れることが分かった。これに対し、さらなる耐放射線性の向上を目指し、暗電流源の一つである照射中における絶縁酸化膜中の正孔の発生を軽減し得ると考えられる埋め込みフォトゲート(PPG)型の撮像素子を開発した。照射前後の暗電流をFP-PD型と比較したところ、照射前及び照射後ともPPG型のほうが数分の一にまで暗電流を軽減されることが分かり、より耐放射線性の高い監視カメラ開発の可能性が示された

論文

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 土谷 邦彦; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*; 上野 俊二*

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.391 - 394, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について3Tr型でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4Tr型でフォトゲートを有する素子(4TPG)を設計・試作し、$$gamma$$線照射中の暗電流と照射後の光電変換感度を測定した。その結果、3TPG型が最も耐放射線性が高く、200kGy照射後も十分なダイナミックレンジが維持された。

論文

Development of radiation resistant camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 上柳 智裕*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of Decommissioning and Remote Systems 2016 (D&RS 2016) (CD-ROM), p.263 - 264, 2016/07

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する監視カメラシステムの開発を開始した。本研究では、耐放射線性向上のために、イメージセンサの開発及び$$gamma$$線照射特性を調べた。イメージセンサの構造として、3トランジスタかつフィールドプレート(3TPD)及びフォトゲート(3TPG)型と、4トランジスタかつフォトゲート(4TPG)型の3種類を設計・試作した。これらのセンサをコバルト60照射施設で室温において約1kGy/hで70kGyまで照射した。この結果、照射後画像の劣化要因である暗電流は、50kGy以上では4TPGが最も大きく、3TPG型が最も小さかった。その結果、4TPGでは暗電流の急増によって感度がほとんど消失した。一方、3トランジスタ型では、50kGy以上でも使用可能な感度を有しているとともに、3TPD型よりも3TPG型の感度が高かった。以上から、3種のイメージセンサのうち、3TPG型が暗電流及び感度特性において$$gamma$$線照射による劣化が最も抑制できる可能性が示された。

口頭

軽水炉安全対策のための高性能監視システムの開発,2; 耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 上野 俊二; 柴田 裕司; 土谷 邦彦; 上柳 智裕*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*

no journal, , 

東京電力福島第一原子力発電所事故への教訓として、原子力施設で過酷事故が発生した際のプラント状態を監視し、状況把握能力の向上を図るための耐放射線性を有する監視カメラの開発が必要である。これまで、ハイビジョン型カメラでは、$$gamma$$線照射により画像にノイズが発生し、被写体が写らない現象が発生したが、これは撮像素子内の暗電流増加が原因と考えられている。本研究は、カメラ用撮像素子の画素構造を変更した種々の評価用素子を試作し、$$gamma$$線環境下における暗電流の影響を調べた。この結果、暗電流の増加は撮像素子内フォトダイオード表面及び周辺部の界面準位の増大によるものであることが分かった。これにより、3トランジスタ/フィールドプレート型の画素構造とすることで暗電流が抑制され積算線量100kGyまで画像が得られる見通しを得た。

口頭

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 上柳 智裕*; 渡辺 恭志*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故が発生した際にも監視機能を失わない耐放射線性カメラの開発を行っている。既存カメラに対する$$gamma$$線照射試験結果から、照射による画像劣化の主因は撮像素子内の暗電流増加であることが明らかとなった。本研究では、暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について、3トランジスタ型(3T型)でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4トランジスタ型(4T型)でフォトゲートを有する素子(4TPG)を試作し、$$gamma$$線照射施設で70kGyまで照射して暗電流と光電変換感度を測定した。その結果、照射前はトランジスタ構造の多い4T型が有利であるものの、照射下では、トランジスタ構造の少ない3T型のほうが、照射による暗電流の発生個所が少ないことから有利であり、厚い酸化膜を持つフィールドプレート型よりも、酸化膜の薄いフォトゲート型のほうが、照射による界面準位増大を抑制でき、暗電流を軽減できることが分かった。以上から、最も耐放性の高い3TPGでは、70kGy照射後も十分な性能が維持されることを明らかにした。

口頭

耐放射線性カメラ用撮像素子の照射劣化挙動

武内 伴照; 田中 茂雄*; 渡辺 恭志*; 大塚 紀彰; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

no journal, , 

過酷事故時にも使用可能な耐放射線性カメラの開発の一環として、本研究では、撮像素子のフォトゲート駆動電圧が画質に与える影響を調べた。対象材は、3トランジスタ型で光電変換部にフォトゲート(PG)と呼ばれる電極を有する撮像素子を用いた。まず、照射前にPGの駆動電圧を0$$sim$$-1.6Vの範囲で変化させ、コントラストが最も明瞭な最良の画質が得られる電圧を-1.6Vと決定した。次に、約1kGy/hの$$gamma$$線照射環境下でテストチャートを撮影したところ、-1.6Vでは、11階調の白黒テストバーのうち、白側の4階調分はコントラストが失われた。このため、0$$sim$$-0.8Vの範囲でPG駆動電圧による画質を取得したところ、コントラストが復帰するとともに、-0.2Vで最良の画質が得られることが分かった。以上より、最良の画質が得られる撮像素子PG駆動電圧は、放射線環境下と未照射環境では異なることが分かった。したがって、一般的には固定であるPG電圧を調節可能なカメラとすれば、放射線環境下における画質劣化を軽減しうることが示唆された。

口頭

耐放射線性カメラの実用化に向けた取り組み

田中 茂雄*; 小沢 治*; 渡辺 恭志*; 武内 伴照; 大塚 紀彰; 上野 俊二*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

no journal, , 

原子力発電所における監視システムの高度化の一環として、過酷事故時にも使用可能な耐放射線性カメラの開発に着手した。本研究は、耐放射線性を有しつつもカラーかつ高解像度なカメラを実現するため、対象とする型式を3CMOSカラーハイビジョンカメラとし、構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、レンズとプリズムには、試作品の$$gamma$$線照射試験結果から、積算線量1MGy以上でも可視光領域における分光特性を保持することを確認した。また、信号処理/信号出力部を構成する部品は、一部について$$gamma$$線遮蔽構造を採用することにより1MGy以上でも使用が可能な見通しを得た。次に、耐放射線性の向上を狙ったCMOS撮像素子の設計のため、光電変換部の構造及び電極の形状を検討・試作し、$$gamma$$線照射前後及び照射中の特性試験を実施した。その結果、3トランジスタ型かつフォトゲートを有する撮像素子(3TPG)が、放射線による暗電流増加を軽減できることから、$$gamma$$線の積算線量240kGyで十分なダイナミックレンジを維持できることが分かった。

特許

OPTICAL DETECTION ELEMENT AND SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE

武内 伴照; 土谷 邦彦

上柳 智裕*; 渡辺 恭志*

特願 15/412154  公開特許公報  特許公報

A radiation tolerant optical detection element includes: a p-type base-body region; a gate insulating film provided on an upper surface of the base-body region; an n-type buried charge-generation region buried in an upper portion of the base-body region; an n-type charge-readout region buried in an upper portion of the base-body region on the inner-contour side of the buried charge-generation region; an n-type reset-drain region buried on the inner-contour side of the charge-readout region; a transparent electrode provided on the gate insulating film above the buried charge-generation region; and a reset-gate electrode provided on a portion of the gate insulating film between the charge-readout region and the reset-drain region.

特許

光検出素子及び固体撮像装置

武内 伴照; 土谷 邦彦

上柳 智裕*; 渡辺 恭志*

特願 2016-535804  公開特許公報  特許公報

電圧感度が高く、且つ耐放射線特性を有する光検出素子及びこの光検出素子を画素とした固体撮像装置を提供する。P型の基体領域(11)と、基体領域(11)の上面に設けられたゲート絶縁膜(23)と、基体領域(11)の上部に埋め込まれたN型の電荷生成埋込領域(13)と、電荷生成埋込領域(13)の内径の基体領域(11)の上部に埋め込まれたN型の電荷読出領域(15i,j)と、電荷読出領域(15i,j)の内径側に埋め込まれたN型のリセットドレイン領域(16i,j)と、電荷生成埋込領域の上方となるゲート絶縁膜(23)上に設けられた透明電極(21i,j)と、電荷読出領域(15i,j)とリセットドレイン領域(16i,j)との間のゲート絶縁膜(23)上に設けられたリセットゲート電極(22i,j)とを備える。

特許

光検出素子、固体撮像装置及びその駆動方法

武内 伴照; 土谷 邦彦

渡辺 恭志*; 田中 茂雄*

特願 2017-078851  公開特許公報

【課題】電荷読出領域における電界集中を抑えて暗電流の発生を抑制でき、放射線環境下でも高感度且つ広ダイナミックレンジな撮像が可能な光検出素子を提供する。 【解決手段】P型の基体領域1と、基体領域1の上部に埋め込まれ、基体領域1とフォトダイオードを構成するN型の電荷生成埋込領域5と、電荷生成埋込領域5の上面に設けられたP型のシールド領域6と、シールド領域6の上面に接して設けられたゲート絶縁膜4と、ゲート絶縁膜4上に設けられた透明電極14と、基体領域1の上部に埋め込まれたP型のウェル領域11と、電荷生成埋込領域5側のウェル領域11の端部において、基体領域1の上部に埋め込まれたN+型の電荷読出領域8とを備え、透明電極14の電位がゲート絶縁膜4を介してシールド領域6の表面に及ぼす静電ポテンシャル効果により、シールド領域6の表面にP型の電荷をピンニングする。

特許

撮像装置

武内 伴照; 土谷 邦彦

加藤 真一*; 渡辺 恭志*

特願 2017-058161  公開特許公報

【課題】放射線環境下においても、良好な画像を撮像可能な撮像装置を提供する。 【解決手段】撮像装置は画素がPG(フォトゲート)型CMOS撮像素子で構成された固体撮像部1と、撮像素子を遮光した状態で得られた電圧レベルに基づいて暗電流の検出をする暗電流検出手段2と、暗電流を検出した場合に、撮像素子のPG電圧を制御することにより暗電流を抑制するPG電圧制御手段6と、電流検出手段で暗電流を検出しなかった場合に、撮像素子を遮光しない状態で得られた電圧レベルに基づいて補正係数を決定する補正係数決定手段と、撮像素子のそれぞれから出力される電圧レベルを、決定した補正係数を用いて補正することによって、最終的に出力される映像信号の輝度階調を制御する輝度階調制御手段3とを備える。PG電圧制御手段は、PG電圧を所定値だけ変更したときに変動する飽和電荷量のレベルに応じたPG電圧に設定する。

特許

OPTICAL-DETECTION ELEMENT, SOLID-STATE IMAGING DEVICE, AND METHOD FOR DRIVING SOLID-STATE IMAGING DEVICE

土谷 邦彦; 武内 伴照

渡辺 恭志*; 田中 茂雄*

特願 15/941023  公開特許公報  特許公報

An optical-detection element includes a p-type supporting-layer, an n-type buried charge-generation region to implement a photodiode with the supporting-layer, a p-type shield region buried in the buried charge-generation region, a gate insulating-film contacted with the shield region, a transparent electrode on the gate insulating-film, a p-type well region buried in the supporting-layer, and an n+-type charge-readout region buried in the supporting-layer at an edge of the well region toward the buried charge-generation region.

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