安価な教育用放射線検出器 キットの開発 立教大学理学部 川茂唯順 高橋達矢*，竹谷篤*A，村上浩之A ，二宮一史A*，足利裕人B， 今井憲一C ，大倉宏D ，久保野茂E ，中川和道F ，福井孝昌G ， 円尾豊H ，森本雄一I ，和田道治A ，関本美知子J 立教大理* ， 理研A ，鳥取環境大B ，日本原子力研究機構C ，大阪市立科学館D ， 東京大原子核科学研究セE ，神戸大人間発達環境F ， 白陵中高G ， 兵庫県立上郡高H ，兵庫県立東播工業高I ，高エネルギー加速器研究機構J 1 開発目的 福島の原子炉事故から、放射線に対 する不安を抱えている人が増えている 知識を得ることによって 事故に対する適切な対応 自分で適切に判断でき 行動するための教育 2 教育用放射線検出器に要求される仕様 ① 誰にでも扱いやすく、安価である • 半導体センサー（低電圧、安定性)を用いる • ⇔GM管(高電圧、構造が複雑、比較的高価) ② エネルギー解析のための波高分析器 • Peripheral Interface Controller (PIC)(1100円) • 1チップでADC、コンパレータ、USBのインターフェイスを含む • 初心者でも再現できるもの ③ ③ 中高生でも仕組みが理解できる • 自分の手で作ることによって仕組みを理解する • 中学、高校の授業時間内に制作可能なもの • はめ込み式キット 3 検出器の全体構成 ①電荷信号 ②電圧信号 検出の流れ ③ピーク保持 電圧信号 ④デジタル値 (スペクトラム) 各信号の波形 1) 放射線が半導体センサーに入射 2) 放射線のエネルギーに比例した電 荷信号が生じる 3) 増幅して電圧信号として出力 4) ピーク電圧を保持 5) アナログデジタル変換(A/D変換)を 行い、スペクトラムをPCに表示 4 半導体センサーの原理 放射線 ①半導体センサーに放射線が入射 • 使用した半導体センサーの容 ②経路に沿って放射線のエネルギーに 量から空乏層の厚さを計算 応じた電子正孔対が励起 ③電子と正孔は電界に引かれてそれ ぞれの電極に移動 5 増幅器、波形整形回路原理 ①電荷有感増幅器 • 入力電荷に比例し た電圧を出力 • 増幅率は帰還容量 によって決まる ②波形整形増幅器 •微分積分回路によ るアクティブフィルタ •ノイズを減らしつつ 信号を増幅 •時定数は2.2μs ③ピーク保持 • 最大電圧値を 保持 • AD変換後には ピーク保持電 圧を初期化 6.6mV 660mV MIP入射時の出力波形 1.8mV 6 波高分析 ＰＩＣ アナログ 入力 起動命令 ① ① ② ③ ④ ② リセット 命令 閾値 ピークホールド をリセット！ ③ ④ ピークホールドされたアナログ入力と閾値をコンパレーターで比較。 閾値を超えた電圧信号のみA/D変換を行う。 デジタル値に変換された波高値をUSB経由でPCに転送し、スペクトラム表示。 リセットパルスを発生させ、ピーク保持の初期化を行う。 7 開発した検出器 CsIシンチレーターとフォトダイオード PIC（AD変換） 増幅器 ピーク保持回路 8 波高分析 交互に6回それぞれ 計60分間の計測 137Csのγ線スペクトラム バックグラウンド 137Csのγ線スペクトラムとBGとの差 450 450 400 400 350 350 [ [] ] 300 300 イ イ ベ 250 ベ ン 250 ン ト 200 ト 数 200 数 回 150 回 150 100 100 50 50 00 -50 00 100 100 200 200 300 300 300 エネルギー[ch] エネルギー[ch] エネルギー[ch] 400 400 400 500 500 600 600 安価な部品でγ線のエネルギースペクトラム をグラフにして評価できた！ 9 まとめ ・放射線検出から波高分析に必要な基本的な装置を、ほぼ安 価で入手しやすい部品で制作した。 ・放射線のスペクトラムが見えた。 これからの展望 ・それぞれの機能を、基板におとし、キット化にむけてそれぞ れの機能の精度を向上をする。 ・データ分析では、カウンターの作成、グラフ表示部の組み込 みを行い、ＰＣを使わず波高値の評価をすることを検討中。 大量生産を行い教育現場で放射線教育に役立てる。 10 付録 半導体検出器原理 結晶内電子のエネルギー準位 電 子 の エ ネ ル ギ ー 最小電離粒子(MIP)のフォトダイオード s6968内でのエネルギー損失 フォトダイオードの容量から 空乏層の厚さｄを計算 (1) 電子 エネルギーを受け取り、伝導帯に励起 • 伝導帯電子は電場の力を受けて移動 し、電荷信号を生じる。 S C * d その厚さをMIPが通過するときの エネルギー損失ΔEを計算 (2) dE E d dx min シリコンの誘電率 1.05 10 F / m フォトダイオードの有効面積 S 25mm2 フォトダイオードの容量 C 25 pF Siに対するMIPの dE 1.66MeV / g / cm3 エネルギー損失 dx min 2.33g / cm3 Siの密度 10 11 付録 最小電離粒子(MIP) • 物質の阻止能は粒子の運動エネルギーにほぼ反比例して減少 • エネルギーが大きくなるにつれてエネルギー損失が大きくなり、緩やかな極小が 現れる • この極小阻止能に伴う電離を行う粒子が最小電離粒子(Minimum Ionization Particle; MIP) 参考文献: 放射線(改訂版) 著者:小川岩雄 発行:コロナ社 12 付録 増幅器原理 電荷有感増幅器と波形整形回路(アクティブフィルタ)で構成 微分積分回路による アクティブフィルタ V2 Q / C f Rf t t V4 exp Rin • 入力電荷Qに比例した電圧を • 時定数τ=RinCin=RfCf 出力 • 出力電圧はt=τのときにピーク • 増幅率は帰還部のコンデン • 増幅率はRinとRfの比で決まる サ容量Cfによって決まる 13 付録 増幅器 電荷有感増幅器と波形整形回路(アクティブフィルタ)で構成 電荷有感増幅器 アクティブフィルタ VOUT Q Rf t t exp C f Rin 実際の回路の出力 (時定数τは2.2μsec) VOUT Q * exp 1*1013 Q * 3.67 *1012V MIPが入射した 場合の出力 VOUT 6.6mV 14 付録 キャリブレーションとノイズ評価 増幅器と波高分析器の キャリブレーション 波高分析器MCA7600で得たグラ フのFull Width at Half Maximum (FWHM)からノイズ量を評価 入力電荷をエネルギーの値 に変換 キャリブレーション 1.40E+04 Energy[keV] 1.20E+04 1.00E+04 8.00E+03 6.00E+03 4.00E+03 2.00E+03 0.00E+00 16.00 1016.00 2016.00 Peak[ch] E = 5.5*ch - 300 3016.00 Q=Vin*2pF E=(Q/e)*W Q:入力電荷 入力電荷(エネルギー)を変化さ Vin：入力電圧 せエネルギーとピークチャンネル E:エネルギー の関係を一次関数に近似 e=1.6E-19c W=3.6ev/pair Β線MIPの ノイズ量 エネルギー損失 FWHM 約40keV 約20keV 15 付録 ピークホールド 入力電圧 VINが正に なる ダイオードは導通 コンデンサC’充電 VINが V’より 小さくなる ダイオードは逆バイアス コンデンサの電荷によっ てピーク値を保持 出力電圧 VOUT VOUT VIN ＡＤ変換後 実際のピークホールド波形 パルスをＦＥＴのゲート に加えC’の電荷放電 16 付録 Peripheral interface controller (PIC) ＰＩＣは、ＣＰＵを中心に、 Ａ/Ｄ変換、コンパレータ、 ＵＳＢインターフェース等を 実装しており、周辺機器の インターフェースとして活 用できるマイクロコントロー ラーである。 型式：PIC18F4550 データメモリ：2048bytes プログラム使用言語：Ｃ プログラムメモリ：32768bytes A/D変換：10bit A/D変換速度：約20μsec コンパレータ実装数：2 価格：1100円（税込） 17
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