ガンマ線スペクトル観察
ＣｓＩ結晶とフォトダイオードによる
ガンマ線スペクトル観察

一回で印刷できるようにするために、このページは大きくなっています。このため、ページが表示されるまでに時間がかかる場合があります。しばらくお待ち下さい。
ご案内
　シンチレータをフォトダイオードで読み出して、得られたパルスの大きさを集計するとガンマ線のスペクトルを観察することができます。
　小型のシンチレータで低線量の放射線を測定することを前提にし、取り扱う信号の周波数を音声帯域に抑えることで（通常はビデオ帯域が利用される）安価な部品を使用してガンマ線のスペクトルを観察しました。
　「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。


スペクトル測定例（青色：食用塩化カリウム　黒色：謎の鉱石粉）


本機の全体像

　写真右側がガンマ線を検知する測定ヘッド、中央がＭＣＡ機能を備えた測定回路、左側がＰＣ接続ケーブルです。

測定ヘッド

　ガンマ線を検知して電気パルスを発生する測定ヘッドです。被測定物に挿入して利用できるように、コンパクトに作ってあります。内部に、シンチレータ、フォトダイオード、ヘッドアンプ回路が内蔵さています。

測定ヘッド

　測定ヘッドから引き出すケーブルはＳビデオケーブルを使っています。このケーブルは２組のシールド線が入っているので、測定信号とバイアス電圧の双方をシールドして接続できます。また、Ｓビデオコネクタが予め接続されているので、コネクタ取り付けの手間が不要です。
　残念ながら秋月で販売しているＳビデオコネクタはシールドがありませんので、他店のＳビデオケーブルをご利用ください。

ＰＣ接続ケーブル

　安価に済ませるため、本機から直接ケーブルが出ています。

ＰＣ接続ケーブル

　水色はＵＳＢ電源ケーブルで信号のやりとりは行なわず、５Ｖの電源を得るためのものです。ダイソーの携帯充電ケーブルを利用しています。黒色はＣＯＭポートに接続して、パルスの大きさを送信します。
　２３２Ｃケーブルは恐らくデジット限定品で「ＳＥＧＡと書いてある９ピンＤ−ＳＵＢのケーブル」です。恐らくＳＥＧＡとは関係ないと思われます」

測定回路

　ケースには、ダイソーのはがき収納ボックスを使用しており、ワンタッチで開くことができます。丁度もう一枚Ｂタイプの基板が入る余地があります。

測定回路

　ケース右上に秋月のＳビデオケーブルコネクタを使用して、測定ヘッドを接続します。このコネクタはケースの裏側から挿入して、表面からネジ止めできるので、基板に予めコネクタを付けておくことができて便利です。

検出ヘッドの作り方

フォトダイオードに貼り付けたシンチレータ

　シンチレーターは透明シリコングリスを塗って、フォトダイオードに密着させています。気泡が入らないように注意し、良く密着させます。取り外ししないのであれば、思い切って、透明タイプのシリコン変性接着剤で接着することもできます。
　フォトダイオードと密着する面以外は、水道管の接続に使うテフロンテープで覆い、シンチレータから出た光が乱反射するようにします。

ヘッドアンプの配線

　フォトダイオードの信号は微弱なので、フォトダイオードのすぐ裏で増幅します。２ＳＫ３６９、１００Ｍの抵抗、１Ｍの抵抗、１μのコンデンサの４つの部品をはんだ付けします。１μのコンデンサはもう少し良いもの（積層セラミックでも良いが、せめてＸ７Ｒ品）を使わないと、振動を拾ってパルスが出てしまいます。とはいえ、静置して使えば何ら問題はありません。

ヘッドアンプの配線

　ヘッドアンプからはＳビデオケーブルとは別に、スズメッキのアース線を引き出しておきます。アルミテープでシールドした後、このスズメッキ線をテープの上に巻きつけて、テープをしっかりとアースします。（銅製のテープが使えるリッチな人ははんだ付けできます）

テフロンテープを巻いたところ

　いきなりアルミテープで遮光したのでは回路がショートしてしまいます。そこで、予め絶縁性のあるテフロンテープ（水道菅にまきつけて、防水に使用するテープ、ホームセンターで売っている）を巻きつけます。シンチレーターで発生した光が、乱反射してまんべんなくフォトダイオードに入るようになるという利点もあります。

アルミテープで遮光したところ

　テフロンテープの上からアルミのテープで漏れなく遮光します。アースのスズメッキ線をケーブルを覆ったアルミテープに強く何度も巻きつけ、解けないようにその上から、さらにアルミテープを一周巻きつけておきます。
　例えば、センサに蛍光灯の光を当てると、ＰＩＣが反応するような場合は、光が漏れています。このような場合は、光が漏れそうな場所を探して、その部分にテープを張り足してください。 　スズメッキ線とアルミテープは接触不良を起こしやすいです。変なノイズを拾うようになったら、この部分の接触不良を疑ってください。

基板の作り方

回路基板

　間違えずに作れるように、部品の位置を印刷したシールを基板に貼って作っています。写真は開発中のもので、ページに記述されたものと少し異なります。
　紙シールを貼ると高絶縁の回路は作れませんが、本機では大きな問題はありません。

部品配置

　左上部が電源、右上がプリアンプ、右下がフィルタ、左下がＭＣＡです。

はんだ面

　ついでにはんだ面です。配線の参考にしてください。

シールを貼った基板

　ユニバーサル基板にシールを貼ってから配線を始めます。
  1. 　以下のリンクにあるファイルをダウンロードして、実物大でシール用紙（ノーカットタイプ）に印刷します。
    　（普通にＡ４を選んで印刷すると、多くの場合実物大で印刷されます）
    基板シール（ワード）
    基板シール（パワーポイント）
  2. 　シールの裏紙を一部だけ剥がし、秋月のＢタイプ基板（片面、ユニバーサル、はんだ仕上げ）の部品面に（窓に押し付ける等して）裏から光を当てながら位置を合わせして、剥がした部分を貼り付けます。
  3. 　裏紙を全部剥がして、シワができないように残りの部分を貼り付けます。
  4. 　部品を挿す穴がシールで塞がれているので、めうち等でプツプツと開けておきます。
  5. 　シールで指示された位置に部品を差し込んで、はんだ付けしつつ、裏面もシールの指示に従って配線します。
  6. 　点線で描かれた部分はジャンパ線ですから、基板の裏でも、表でも、飛ばし易いところで配線します。

回路図と説明

本機の回路図
訂正：図中でNJM7044となっているのはNJU7044の誤りです

　本機の回路図は上図の通りです。各部について以下に説明します。

シンチレータ

　シンチレータは秋月電子通商で販売されている、SAINT-GOBAIN CRYSTALS社のＣｓＩ（Ｔｌ）固体シンチレータ　１０ｘ１０ｘ１０ｍｍ（P-05293）を使用しています。１０ｍｍ角程度あれば、捕捉率が高くなり、バックグラウンドで３００ＣＰＭ程度カウントすることができます。

フォトダイオード

　１０ｍｍ×１０ｍｍの品ですが、友人に貰った試作品で仕様不明です。シンチレータに合わせて１０ｍｍ×１０ｍｍのものが理想的ですが、Ｓ６７７５等の５ｍｍ角クラスでも利用できます。（Ｓ６７７５等と５ｍｍ×５ｍｍのシンチレータでも動作を確認しています。）４つのＳ６７７５でシンチレータの周囲を取り囲み、全部直列（並列じゃないよ）にすると言うのに憧れています。

ヘッドアンプ

　一般にはフォトダイオードの信号を増幅する場合、ダイオードに生じた電荷をオペアンプの負帰還に接続したコンデンサに写し取る形式のチャージアンプが使われます。この方法はダイオードの静電容量に関係なく、生じた電荷を正確に測定することができます。
　ＩＣオペアンプではノイズが問題になる場合が多く、ディスクリートのチャージアンプが多用され、例えば「てんま」の回路が有名です。お手軽な所では、ＩＣオペアンプとＦＥＴによるダイオードのブートストラップという方法もあります。
　本機では、回路を簡単にするため、電圧アンプを利用してフォトダイオードの電圧を測定しています。簡単に言えば、百均のイヤホンマイクに使われる手抜きな回路です。このため、ディスクリート部分の部品は僅か数点です。
　フォトダイオードは光量に比例した電流を出力しますが、電圧は光量に比例せず光量とはｌｏｇの関係になります。ところが、シンチレーターで扱うような微弱光の世界では、このｌｏｇの関係が崩れて、比例するようになります。
　この電圧アンプの欠点はフォトダイオードの静電容量が変化すると、出力電圧が変動することです。つまり、フォトダイオードの交換で（あるいは、大きな温度変化で）静電容量が変化すると、同じエネルギのガンマ線でも異なる大きさのパルスが検出されます。
　とは言え、色々と取り替える程フォトダイオードがある訳ではなく、温度差の大きな環境で使う訳でもないので、この回路で測定に大きな支障は出ていません。

ヘッドアンプ

　測定ヘッドの部品点数を減らす目的もあり、安易にゲートバイアスを掛けずに使用されている低ノイズＦＥＴ２ＳＫ３６９には、Ｒ４からドレイン電流が供給されています。同時に、ドレインはＣ４を通じてオペアンプの仮想接地点に接続され、交流的にはスーパーカスコードを構成して、帰還容量の影響を抑制しています。ドレイン電流の交流成分、ここではガンマ線によって生じたパルス電流はＣ４を通じて帰還抵抗Ｒ８に電圧を発生させます。 　可能な限り利得を稼ぐためにソース抵抗が入っていないので、ＦＥＴ毎のＩＤＳＳのばらつきによって、ドレイン電圧は大きな個体差が発生します。このため、ドレイン抵抗Ｒ４の値はＦＥＴに応じて値を変更する要があります。具体的にはＲ４を基板の裏に付けた状態でドレイン電圧（ＴＰ１）をテスターで測り、Ｒ４の値を４７０Ω、３３０Ω、２２０Ω、１５０Ω（Ｅ６系列です）と交換して、電圧が１Ｖ程度になるようにします。
　フォトダイオードにＳ６７７５のような５ｍｍクラス品を使用する場合は、より簡単な小型フォトダイオードのためのより簡単なヘッドアンプをお勧めします。

プリアンプ

　高ｇｍの２ＳＫ３６９でゲインを稼いでいるので、オペアンプのノイズにはあまり神経質になる必要はなく、安価で多少低ノイズのＮＪＭ２０６８を使用しています。

プリアンプ

　各段の負帰還に入っているコンデンサＣ６とＣ８は、波形整形回路のコンデンサと合わせて４段の単純ＬＰＦを構成するためのものです。

波形整形

　１段のハイパスフィルタ（と、それに併設されたポールゼロ補償（ＰＺＣ）回路）と、２次のローパスフィルタ、及び、ハイパスフィルタで失われたＤＣレベルを復元するベースライン復元（ＢＬＲ）回路で構成されます。

波形整形回路

　Ｃ９＋Ｒ１２のがハイパスフィルタで、Ｃ１１//Ｒ１４とＣ１２//Ｒ１６がローパスフィルタです。この２段のローパスフィルタが、プリアンプの２段のローパスフィルタと合わさって、合計４段のローパスフィルタを構成します。

ＰＺＣの動作イメージ

　Ｒ１１はポールゼロ補償をしています。ハイパスフィルタを通すとパルスの後半がマイナスに振れるので、元の信号を少し混ぜて、これを補って平らにするイメージです。
　オシロがあれば、Ｃ１３の左側の波形を見ながら、Ｒ１１を色々と交換して、波形がゼロボルトから下に凹まないように調整します。
　Ｒ１５がゲイン調節で、パルスを受けていないときに、ノイズでＰＩＣが反応しない値に調節します。オシロが無い場合は、バックグラウンドで３００ＣＰＭ前後カウントするように加減します。抵抗の値を大きくすると感度が下がり、小さくすると感度が上がります。
　右下の回路は簡易ＢＬＲで、物凄い数のパルスが来た時にＣ１３による交流結合ではゼロボルトの位置（ベースライン）がマイナスに振れてしまうので、ダイオードがＯＮになって０Ｖを保ちます。
　このタイプのＢＬＲ回路にはダイオードのＯＮ／ＯＦＦによってノイズを発生する欠点があるので（物凄い数のパルスが来ない限り）ＰＺＣがちゃんと効いていれば、ＯＦＦにしておく方がキレイなスペクトルが取れます。
　幸い、３０００ＣＰＭ以上のパルスを測定した事がないので、ＢＬＲが有効に機能した事は無く、ずっとＯＦＦで使っています。
　波形整形回路の基準電圧が変動すると、パルス高がその分誤って測定されるので、基準電圧は抵抗分圧ではなく、ＴＬ４３１で２．５Ｖを発生させています。このため、不安定なＵＳＢの５Ｖ電源で動作が可能です。

ピークホールド

　比較的遅いＡ／Ｄ変換レートで確実にパルスのピークを捕らえるため、ピークホールド回路を利用しています。パルスが到達すると、最高電圧がコンデンサＣ１５に保持されるので、Ａ／Ｄ変換の速度はあまり必要ありません。

リセッタブルピークホールド

　しかし、そのままでは次のパルスが感知できませんから、パルス高を読み取った後、ＰＩＣがコンデンサを放電させます。具体的には、アナログポート（ＰＩＮ２）をソフト的に一瞬だけＬｏｗレベルのデジタルポートに切り替えることで、追加の回路なしでコンデンサを放電しています。
　ピークホールド回路はエミッタフォロアを付加してインピーダンスを下げ、Ｃ１５を急速に充電できるようにしています。とはいえ、オペアンプは容量負荷では振動を生じ易く、これがスペクトルに波打ちを発生させるので、Ｒ２０を挿入しています。 　エミッタフォロアの作用で電流供給力が増しているので、Ｒ２０には低い値（３３Ω）を使用することができ、パルスのピークを正確に捕らえることができます。
　この回路はトランジスタのＢ−Ｅ間に電源電圧が逆電圧として加わる場合があるので、５Ｖ以上の電源電圧で利用することはできません。
　ソフトウェアＭＣＡを使用する場合は、より簡単なソフトウェアＭＣＡのための回路を利用できます。

プリアンプ用電源回路

　ヘッドアンプは小さな信号を扱うので、電源ノイズの影響を受けます。このため、低ノイズのディスクリート電源を使っています。たとえば、三端子レギュレーターを使用すると、かなり大きなノイズが混じり、スペクトルが太くなります。

プリアンプ用電源回路

　ノイズの多いエミッタフォロアを避けた差動増幅のＬＤＯになっており、ＴＬ４３１の発生させるノイズはＣ５１＋Ｒ５３のフィルタで減衰させています。
　ダイオードバイアス用の−１０Ｖの電源は電流が極僅かなので、ＴＬ４３１のシャントで安定化した後、大きな時定数のフィルタでノイズを除去しています。

ソフト

ソフトウェア

　ＰＩＣ１６Ｆ１８２７のＣ言語のプログラムと、ＶＢで作ったＷｉｎｄｏｗｓのプログラムを使っています。ソフト一式は以下のリンクからダウンロードしてください。

ＰＩＣとＰＣのソフト一式（実行形式入り）spectrum.zip
2012/02/28セーブできない障害を修正

ＰＣのソフト

　２３２Ｃで受信した２バイトのパルス高を高さ別に集計してグラフを書くだけのソフトです。ＣＳＶ形式でファイルを保存できます。

測定例

　青色がリファレンスとして測定した食用の塩化カリウム、黒色が我が実験室のバックグラウンドです。木製の机のためか、コンクリート造りの建物のためか、４０ｋのスペクトルが強く出ています。

ＰＩＣのソフト

　定期的にＡ／Ｄ変換を行い、今回の値と前回の値を記憶しておきます。前回の値が閾値（２０くらい）を超えたら、パルスが来たと考えて、今回の値を２バイトの整数でシリアル通信のバッファに乗せます。同時に、アナログポートを一瞬デジタルポート（Ｌｏｗ出力）に切り替えて、ピークホールドコンデンサを放電します。
　前回の値でパルスが来た事を判断して、今回の値をパルスの高さとするのは、今回の値で来たと考えると「実は、それよりもう少し大きなパルスだった」という場合があるためです。
　シリアル通信バッファは１２８パルス分ありますが、バッファフルの判断をしていません。バッファがフルした場合は、上書きされます。一見何も無かったかの如く動作します。
　性能としては、４００μ秒間隔で来る２つのパルスを識別することができ、２１０００ＣＰＭまでは送信することができます。
　ボーレートを上げれば１４７０００ＣＰＭまで測定できる筈ですが、簡単なトランジスタのインターフェースなので、ボーレートを上げるのは不安があります。（幸いそんなスゴイ線量に出会った事もありませんし…）

その他のＴｉｐｓ

小型フォトダイオードのためのより簡単なヘッドアンプ

 　Ｓ６７７５のように面積の小さいフォトダイオードは、バイアス電源を使用しないフォトボルティック（光起電）モードで使用することができます。面積が小さいと、静電容量が小さくなり、バイアスを掛けなくても大きな出力パルスを得ることができるからです。検出ヘッドの部品が２点と少なくなり、バイアス電源も不要となります。また、Ｓビデオケーブルを使わなくても、音声用の１芯のシールド線を使って、ＲＣＡピンジャック等で本体と簡単に接続できるようになります。

フォトボルティックモード用の回路

ソフトウェアＭＣＡのための回路

 　ＰＣのオーディオ入力とＰＲＡ等の専用ソフトウェアを使って、より簡単にスペクトルを測定することができます。この場合、ＰＩＣによるピーク検出は不要で回路も簡単になります。
　ＰＣのオーディオ入力（ＬＩＮＥ　ＩＮ）は極性の定めが無いように思います（未確認）ので、Ｎｅｇａｔｉｖｅ／Ｐｏｓｉｔｉｖｅの２出力から調子の良い方を選んでご利用ください。

ソフトウェアＭＣＡ用の回路

　ソフトウェアＭＣＡ専用に設計すれば、さらに簡単な回路も可能なので、近いうちに発表しようと考えています。→と言う訳で、このページで試作した回路を紹介しています。
　また、ベクモニを用いた定量測定にも対応した、より精度の高いチャージアンプ方式の低雑音アンプとセンサ、各種周辺器具も試作しました。こちらベニクモをご覧下さい。近々ちゃんと書きます。

ローパスフィルタ

　高い周波数の領域には、熱雑音を主とするノイズが含まれているので、不要な高い周波数成分んをローパスフィルタで、できるだけ急峻に減衰させます。
　しかし、パルスの波形を保つ必要があるので、一般には群遅延特性が単調なベッセルフィルタが、より高度な方法としては、群遅延リプルを押さえて、群遅延特性が高域まで伸びるガウシアンフィルタが使われます。
　ただしこれらのフィルタは精度の高いＣＲが無いと実装できません。無理に許容差の大きな素子でごまかすと、逆にピークができて性能が劣化します。
　そこで本機ではピークの無い、一次のＣＲフィルタを４段重ねることで４次のフィルタを構成しています。

全体の周波数特性

　上図は、ＨＰＦ、ＰＺＣ、ＬＰＦ全体の周波数特性です。本機の４段１次ＣＲフィルタは、４次ベッセルフィルタとくらべて肩が丸く、信号はより小さく、ノイズがより大きくなっていることが分かります。しかしその差は少ないので、素子の誤差によって特性に致命的な影響が生じず、無調整で利用できる回路を選択しています。
　プリアンプですでに２段のフィルタが施されているので、残り２段分をフィルタ回路で追加しています。いずれも、オペアンプの帰還路にＣを入れるおなじみの回路です。（オペアンプの動作安定化にも寄与します）

鉛容器

　バックグラウンドの影響を軽減するには遮蔽容器があると助かります。遮蔽物質は重たくて、線が出なれれば何でも良いのですが、コンパクトに作ることができる鉛が一般的です。
　鉛レンガで測定部で測定部を囲むだけでも効果があり、小さな隙間は多くの場合あまり問題になりません。
　ここでは、厚さ１５ｍｍの円筒形鉛容器を作ります。バックグラウンドが５分の１程度に減少します。経験の無い方には大変危険な作業ですから、知識として参考にするに留めてください。大火傷や失明の可能性があります。

概要図

　大きな空き缶の中に、小さな空き缶を固定し、その隙間に鉛を流し込むことで、砂型を作らずに鉛を鋳込むことができます。丁度良い高さの空き缶が無い場合は、不要な部分を切って使うことができます。（切り口がサンドペーパーで丸めておきます）

蓋の概要図

　同じように、大きな空き缶を薄く切って、鉛を流し込めば蓋が作れます。ここでは、鉛を溶かす坩堝は１００均のステンレス雪平鍋ですが、取っ手が熱と重さで壊れるので（実際に壊れて、溶けた鉛が飛び散りました）図のように工具で挟んで持ち上げます。

鉛を溶かしているところ

　安全な場所で万全の装備をして、坩堝で鉛を溶かします。（もちろん、コンロメーカー、鍋メーカーの定めた正しい使い方ではありませんから、全ては自己責任で行なってください）机の上でやると零れたとき大火傷をするので、地面で作業する方がまだマシです。

鋳込んだ鉛

　小さな空き缶と大きな空き缶の隙間に、鉛を流し込んで充分に冷えるまで待てばできあがりです。

１５ｍｍの鉛遮蔽で測定したバックグラウンド（青）とモザナイト（黒）

　エネルギーの低い部分を中心に、バックグラウンドが低くなります。

同じく遮蔽して測定した低ナトリウム塩味調味料


    このページはリンクフリーです。下のバナーもよろしければご利用下さい。

    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。