秋月CsIシンチレータとS6775用の超簡単ガンマ線検出器

秋月CsIシンチレータとS6775用の
ＰＣに接続してスペクトルや線量の観察ができる
超簡単・超低雑音ガンマ線検出器
５ｍｍシンチレーター込みで部品代約５０００円

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　ガンマ線検出装置をとことんコストダウンしてみました。簡単な回路ではありますが、雑音特性では高級オペアンプＩＣによるチャージアンプを凌駕します。
　本機をＰＣに接続してソフトウエアＭＣＡでスペクトルを観察したり、ＰＩＣと接続して線量計を作ったり、様々に応用することができます。

　「ベクモニ」には「ベニクモ」！。ベクモニ２０１１等のソフトウェアＭＣＡを利用した定量測定を予定されている方は、こちらのページで紹介している「Red Spider（ベニクモ）」ガンマ線検出器がお勧めです。シンチレータのサイズが大きいため測定時間が短縮されますし、チャージアンプ構成でエネルギー感度の温度依存性も低くなっています。

本機の全体像
　シンチレータを内蔵したヘッドアンプとプリアンプ基板で構成されます。

回路は極めて簡単
　プリアンプ部の部品は図の通り少なく、安価に簡単に製作できます。

５０００円の部品代で観察されたモザナイトのガンマ線スペクトル
　簡単な回路ですが、ＰＣのライン入力に接続してＭＣＡ用ソフトを走らせれば、スペクトルが観察できます。

　５ｍｍ角のＳ６７７５用に設計しているため、フォトダイオードのバイアス回路がありません。５ｍｍ角程度の小型フォトダイオードは本機の回路で性能を発揮できます。１０ｍｍ角等の大型のフォトダイオードを使用する場合は、この例等を参考にフォトダイオードにバイアス電圧を加えることで、性能が向上します。

ヘッドアンプの作成

ヘッドアンプの配線

　微弱な信号の増幅では配線の良し悪しによってノイズの大きさが大きく変化します。ここでは、微弱な信号は遠方へ引き回さず、フォトダイオードのすぐ横で処理することで、ノイズを拾わないように工夫しています。下の図のフォトダイオードのカソード（Ｋ）とＦＥＴのゲート（Ｇ）が微弱な信号を扱う敏感な部分です。

ヘッドアンプの配線
　ヘッドアンプの部品はシンチレータ、フォトダイオード、ＦＥＴの３つです。これらを上図のように配線します。シンチレータは湿気を嫌うので、ヘッドアンプの組立は薄手のゴム手袋を装着するか、予めシンチレータをテフロンテープで巻いておきます。

シンチレータの接着とＦＥＴの接続

シンチレータとＦＥＴを取り付けたフォトダイオード
　フォトダイオードとシンチレータは透明タイプの変性シリコーン接着剤（セメダインスーパーＸクリアタイプ等）で接着しています。接着の後、充分に（１日程度）静置して、完全に固化させます。交換する予定がある場合はグリスを使用します。

下から見たところ
　フォトダイオードのアノード（左側）にＦＥＴのソース（左側）を、カソード（右側）にゲート（中央）をはんだ付けします。下からみると上図のようになります。ＦＥＴのドレイン（右側）はまだ接続されていません。
　写真ではドレインとソースがデータシートと逆ですが、ＪＦＥＴではドレインとソースが殆ど同じ構造なので、逆でも大差ありません。気になる方はデータシート通りにすると良いでしょう。

シールド線の準備

準備したシールド線
　シールド線の被覆を６ｍｍ程剥いて、上図のように外部導体（周囲の線：網線）はあらかじめ５ｃｍ程度のスズメッキ線とより合わせて、先端をはんだ上げします。

中心導体の接続

ドレインと中心導体の接続
　ＦＥＴのドレイン（上の写真で右の足）をシールド線の中心導体（芯線）にはんだ付けします。

ドレインの絶縁

ドレインを絶縁したところ
　ドレインと中心導体（芯線）をはんだ付けした部分を絶縁テープで巻きます。ここでは、シンチレータの反射材にも使うテフロンテープ（水道工事用）を３回程度巻きつけています。

外部導体の接続

外部導体を接続したところ
　ＦＥＴのソースとフォトトランジスタのアノードをはんだ付けした部分に、シールド線の外部導体（網線）をはんだ付けします。

裏からみたところ
　うらから見るとこんなふうになります。

全体の絶縁

全体にテープを巻いたところ
　テフロンテープを引き伸ばすようにしながら、全体をミイラのように巻きます。シンチレータの部分にも満遍なく巻き付けます。このようにすることで、絶縁するだけではなく、シンチレータが発生した光が乱反射して、均一にフォトダイオードに入るようになると言い伝えられています。

アルミで遮光しシールドする

アルミテープを巻きはじめるところ
　シンチレータが発生する光は極弱い（目では見えないくらい）で、電気信号も極めて弱いので、外部の光を完全に遮り、電気的にもシールド（導体で取り囲んでアースする）必要があります。
　ここでは、アルミテープを使用して遮光と同時にシールドしています。アルミテープは１００均の商品でも性能的にはＯＫなのですが、あとでネバネバして苦労しますから、できれば正規品（日東電工とかスリオンテックとか）を使用します。

アルミテープを押しつぶす

押しつぶして封止したところ
　巻きつけたアルミテープを押しつぶします。テープが破れて光が漏れないように丁寧に作業します。
　スズメッキ線をアルミテープの上に強く巻きつけて、アルミテープをアースに接続します。この部分は時とともに接触不良になりやすいので、強く巻きつけてください。
　多少余分な部分は切り取らず、裏面に折り曲げておきます。

追加のアルミテープ

　スズメッキ線を巻きつけた部分にさらに１０ｍｍ幅にきったアルミテープを巻き付けて解けないようにします。

プリアンプの作成

回路

本機の回路
2012/03/09 記載漏れの出力の10kΩを追記
　乾電池動作を前提に簡略化しているので、上図のように部品点数は少なくなっています。低雑音ＦＥＴを使用してヘッドアンプでゲインを稼いでいるので、オペアンプは安価な４５８０で充分です。
　ＦＥＴの個体差でＴＰ１の電圧は様々に異なります。０．５～４．５Ｖくらいの間であれば使用できるので、殆どの場合問題ないと思います。もし、０．５より小さければ抵抗値を小さく（３３０Ω２本並列）し、４．５Ｖより大きければ、抵抗値を大きく（３３０Ω２本直列）します。
　１００μのコンデンサが向かい合わせに接続されていますが、通常は無極性のコンデンサを使用するところで、その方が普通です。１００μの有極コンデンサは袋買いしている場合が多いと思うので、それを使用しています。

基板

本機の基板（部品側から見た図）
　秋月のＣタイプ基板を使って上のように配線します。部品を実装する部分は少しですから、不要部分を切り取って小さく作ることもできます。
　左側がヘッドアンプ（フォトダイオードとＦＥＴ）を接続するところで、右側が出力を接続するところです。

配線

部品の配置
　部品は上図のように配置します。ＬＥＤはヘッドアンプ通電中を表示するだけではなく、２Ｖを得る目的がありますから、赤色を使用します。

裏面の配線
　基板を水平線を軸に回転させて裏返すと上図のようになります。リード線を折り曲げてはんだ付けし、電池スナップの赤と黒のリードを取り付けます。

動作

波形

本機の波形
　時定数１００μ秒の上のようなパルスが出力されます。パルスの波高はエネルギの大きさで変化します。
　より多くのパルスを数える必要がある場合は、１０００ｐ→１００ｐに、１００００ｐ→１０００ｐに変更します。パルスは細くなりますが、より多いパルスをパイルアップすることなく観察できます。

スペクトル

スペクトル観察例（モザナイト）
　簡単な回路ですが、ＰＣと接続してソフトウェアＭＣＡアプリをインストール利用すればスペクトルも測定できます。上図はモザナイトのガンマ線を観察したところです。

部品

部品例
　秋月の回し者と言う訳ではありませんが、シンチが秋月扱いなので、ついでに揃えればこのような感じです。１００本入り、１０本テープなど余分に買ってしまう部品もありますので、別途購入の方が経済的かも知れません。
　他に、水道工事用テフロンテープ、透明タイプのシリコン変性接着剤（セメダインスーパーＸクリア等、あるいは、シリコンオイルやミネラルオイル）、アルミテープ、が必要です。これらはＤＩＹショップで入手できます。
　また、ＰＣやモニタを購入した時に付いて来るステレオピンケーブルが一本（半分に切って、入力用と出力用にする）必要です。

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。