[发明专利]辐射检测器和辐射检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用各向异性热电效应的辐射检测器和使用该辐射检测器的辐射检测方法。

背景技术

当热电转换材料的两端产生温度差时，与该温度差成比例地产生电动势(热电动势)。在热电转换材料中，热能转换为电能的现象，作为塞贝克效应被公知。所产生的电动势V能够用温度差ΔT和材料固有的塞贝克系数S以V＝SΔT来表示。

在表现各向同性的物性的热电转换材料中，基于塞贝克效应产生的电动势，仅在产生温度差的方向上产生。另一方面，在电传导特性上表现各向异性的热电转换材料，由于结晶轴的倾斜配置，而在与产生温度差的方向正交的方向上产生电动势。另外，电传导特性是指具有电荷的电子或空穴在物质中移动的行为。这样，将由于材料的结晶轴的倾斜配置而在与产生温度差的方向(热流方向)不同的方向上产生电动势的现象，称为各向异性热电效应或非对角热电效应。

图11为用于说明各向异性热电效应的坐标系的图。如图11所示，试料101的结晶轴abc相对于空间轴xyz倾斜。在试料101中，如果在z轴方向上提供温度差ΔT₂，则在沿着与z轴正交的方向即x轴的方向上产生电动势V_x。电动势V_x可用式(1)表示。

Vx=12dΔTz·ΔS·sin2α---(1)]]>

其中，l表示试料101的宽度，d表示试料101的厚度，α表示ab面相对于试料101的表面(xy面)的倾斜角度，ΔS表示c轴方向的塞贝克系数S_c与ab面内方向的塞贝克系数S_ab之差(由于各向异性导致的差)。

以往，作为利用各向异性热电效应的辐射检测器，提出有使用YBa₂Cu₃O_7-d(以下称为YBCO)的倾斜叠层薄膜的辐射检测器(例如参照专利文献1)。倾斜叠层薄膜为叠层在基板上的薄膜，具有结晶轴相对于基板表面倾斜、多个倾斜的层叠层形成的层状构造。YBCO薄膜包括由具有电传导性的CuO₂层和具有绝缘性的Y层和BaO层沿着c轴方向交替叠层而成的各向异性的结晶构造。将该YBCO薄膜以c轴相对于基板表面倾斜的方式叠层(倾斜叠层)在适当的基板表面上时，与图11所示的系统相同的系统成立。CuO₂面与图11中的ab面相对应。如果电磁波入射到该倾斜叠层的YBCO薄膜的表面上，则在与YBCO薄膜的表面垂直的方向上产生温度差。其结果是，由于各向异性热电效应，在与YBCO薄膜的表面平行的方向上产生电动势。通过读取该电动势，能够检测入射到YBCO薄膜的表面上的电磁波。使用该YBCO薄膜的辐射检测器中，能够以约100mV/K的灵敏度检测电磁波。

根据公式(1)，基于各向异性热电效应所产生的电动势V_x，与塞贝克系数的各向异性带来的差ΔS、试料的纵横比(aspect ratio)l/d和倾斜角度α的2倍的角度的正弦值sin2α成比例。YBCO薄膜的ΔS小于10μV/K、CuO₂面的倾斜角度α保持为单一角度时的上限被限制为10～20°(例如，参照非专利文献1、非专利文献2)。因此，使用YBCO薄膜的辐射检测器为了实用化，而灵敏度并不足够。为了提高使用倾斜叠层薄膜的辐射检测器的灵敏度，有使用ΔS更大的材料、使薄膜的倾斜角度α尽量靠近45度等方法。倾斜叠层薄膜的倾斜角度α的范围，依赖于薄膜材料与叠层有该薄膜材料的基板材料的组合，因此优选选择适当的基板材料，使得能够大范围地控制倾斜角度α至45°附近。