電子工作　ＰＩＮフォトダイオードによるガンマ線検出器

ＰＩＮフォトダイオードによるガンマ線検出器
放射線検出器の作り方

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　ＰＩＮフォトダイオードを使用して、直接γ線を検出することができます。シンチレータが不要なので、アマチュアの工作に適しています。
フォトダイオードメーカーのアプリケーションノート
　ＰＩＮフォトダイオードは放射線を受けると、接合面に僅かな電荷を発生します。電荷の発生は非常に短時間に起きるので、速度の速い増幅器で小さな電流を測定する必要があります。
　速度こそ必要ではありますが、電離箱に比べれば大きな電流が得られますから、特別な絶縁等が必要なく、比較的手軽に動作させることができます。
　初段は多少高速で低雑音のオペアンプが必要になるので、流石に安価な汎用オペアンプでは力不足ですが、３００円程度奮発すれば、余裕をもってパルスを検出することができます。
このセンサの感度は、時間さえ掛ければ、５０ｎＳｖ（平均的なバックグラウンド）以下であっても検出可能です。なぜなら、ガイガーカウンタと同じく、パルスが「来るか、来ないか」を検出するので、信号がノイズに埋もれるという事が無いからです。
　但し、使用しているＰＩＮフォトダイオードの面積が５ｍｍ角程度と小さいですから、この中に飛び込んだ（そして運良く空乏層の原子と衝突した）放射線しか検出できません。直径の大きなガイガーカウンターや、大きな結晶を使ったシンチレーターには検出率で劣ります。（だから時間を掛けて測る訳ですね）。なお、感度を上げようとして、大面積のＰＩＮフォトダイオードを使用すると、検出された電荷がダイオードの容量成分に吸収されるので、パルスの高さが小さくなり、次第に検出が難しくなって行きます。

検出結果の例
　検出結果の例を示します。図の右側のグラフが、バックグラウンドから得られたパルスの度数（灰色の線）と、１．６μＳｖの目安線源から得られたパルスの度数の分布を表したものです。
　バックグラウンドも明確に、また、実験線源もそれなりに検出されています。
　横軸がパルスの大きさ（対数）、縦軸がパルスの回数（対数）です。測定は４０分程度行っています。右側のグラフの左部分はアンプ等のノイズで、中央から右が放射線を検出した部分です。
　また、図の左側のグラフは、本機のピーク検出出力の電圧をそのまま表示しています。（実験線源のもの）ＰＩＮフォトダイオードがγ線を受けて出した電流パルスを増幅して、測定しやすいように幅を広げたものです。
全体の構造

本機の様子
　本機は主に２つの部分から構成されています。放射線を検出するＰＩＮフォトダイオードとアンプを収めた「検出部」と、電池を格納した「電源部」です。その他にも、アンプの出力電圧をＰＣに読み込む「インターフェイス（２３２Ｃ機能付きテスター）」やＰＣで動作してパルスを検出する「検出ソフト」を使用しています。もちろん、インターフェイスやソフトが無くとも、クリスタルイヤフォンや、アンプ付きスピーカーにピーク検波出力を接続すれば、プチプチと飛来音を聞くことができます。

検出部

検出部を開いたところ
　空き缶（ホテイのやきとり（辛口））の開口部が両面ベーク基板で塞がれており、これを外すと、内部の回路を見ることができます。

基板の裏側
　基板の裏には、ＰＩＮフォトダイオードと増幅器がが組み立てられています。ＰＩＮフォトダイオードは本来光を検出する素子なので、光があたると大きな電流を流します。ですから、放射線を検出する場合には光を遮ってやる必要があります。ここでは、黒色ホットメルトとアルミテープで後ろから覆っています。

フォトダイオードを貼り付ける
　ベーク両面基板の中央に大きめの穴をあけ、表面からアルミテープを張って、裏側から足を曲げたフォトダイオードを貼り付けます。アルミテープは１００均セリアで売っているものが薄くてよろしい。（でも、剥がした後にベタベタが残ります）フォトダイオードの足は、足の根元をラジオペンチで挟んで、足の先に力を加えて曲げます。素子を持って曲げると、モールド部が小さいので割れる恐れがあります。一本５００円もするフォトダイオードが「パキッ」と割れたら、すぐには立ち直れないでしょう。

ホットメルト(黒）で遮光する
　貼り付けたＰＩＮフォトダイオードの上から、黒色ホットメルトを隙間無く注入します。本当ならこれで遮光できる筈なのですが、黒色ホットメルトは多少光を通します。このため、さらにホットメルトの上からアルミテープを貼り付けます。このとき、アルミテープにはリード線の出る穴を開けておきます。良質の遮光樹脂があれば、アルミテープは必要ありません。

検出器の内部
　検出器の空き缶内部の部品は、ミニステレオジャックだけです。ステレオの一方には検出信号がそのまま、もう一方には、検出信号のピークを検波した信号が接続されていますので、必要に応じて使い分けます。電源（±９Ｖ非安定）ケーブルは検出器の底面の穴を通って、電源部に繋がっています。

電源部

本機の裏側
　電源部の空き缶（ほていのやきとり（たれ味））は中央のＭ３ビスで検出部に取り付けられています。

電源部の内側
　Ｍ３のビスを外すと電源部が開き、内部の電池と電源スイッチが見えます。空き缶がちょっと小さいので、電池がスイッチの端子に接触しそうです。幸い電池スナップのビニールで助かって、とりあえずは動作してはいますが、チューブ等で絶縁しておく必要があります。

回路図

回路図
　行き当たりばったりに試作したので、ＣＲの時定数が統一されていませんが、大きすぎても特に問題は無い部分です。また、本来ならもう１ランク高速なオペアンプを使用すべきところですが（鋭く高いパルスが出る筈）そこまでしなくても、充分大きなパルスが出るので、入手が容易でＤＩＰサイズの存在する、オーディオ用のちょっとマシなオペアンプで妥協しています。結果的にはこれでも充分でした。遅いオペアンプ程、発振しにくいので、手軽に工作できます。もっと遅いオペアンプ（ＮＪＭ７０６２）でも検出できたという報告もあります。（要出典：笑）
【回路の説明】
　ＰＩＮフォトダイオードに逆電圧を加えるのが大切です。逆電圧によってダイオードの容量が小さくなって、放射線によるパルスが取り出し易くなります。
　増幅回路の初段は電流を電圧に変換する回路で、ノイズ（特に電流ノイズ）が小さく、できるだけ早いオペアンプが望ましいので、ＦＥＴ入力がＣＭＯＳタイプになります。ここでは、ＯＰＡ６０４を使用しています。
　次のアプリケーションノートにオペアンプの選定や、定数の計算方法が解説されています。
トランス・インピーダンス・設計の基礎(テキサスインスツルメント)
　２段目は電圧を１０倍に増幅する回路で、ノイズ（特に電圧ノイズ）が小さく、できるだけ早いオペアンプが望ましいです。ここでは、ＬＭＥ４９７１０を使用しています。
　３～４段目も電圧を１０倍に増幅する回路ですが、既に振幅が大きくなっているので、ノイズは気にする必要がありません。１００ｋＨｚくらいまでの信号が（できれば１ＭＨｚなんですが…）１０倍に増幅できればＯＫです。ここでは、ちょとむごい感じもしますが、極安のＬＭ３２４を使っています。
　最終段はピーク検波回路です。理想ダイオード（ＯＰアンプと組み合わせたダイオード）は使用せず、単純な検波回路を使用して、遅いオペアンプでも動作するようにしています。その分、検波出力は少し（０．３Ｖくらい）マイナス側にオフセットします。

DOKUについて

メイル(doku@newon.org)

「DOKU」は医者を意味しません。「DOKU」は日本語の単語「DOKUTOKU」に由来します。また、それはユニークとオリジナルを意味します。