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

https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2017.8532790

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。

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

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線照射による劣化が最も抑制できる可能性が示された。

耐放射線性カメラ用撮像素子の線照射効果

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、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。

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、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、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。

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。

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

武内 伴照; 土谷 邦彦

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.