ラボ実験1：シンチレーターによるガンマ線検出

目的：

1. NaIシンチレーター検出器の使用法とガンマ線に対する反応を提示します。
2. 物質とガンマ線の3つの主な相互作用を示します。
3. エネルギー校正を示します。

必要な機器：

理論の概要：

ガンマ線の生成方法：放射性原子核はベータ粒子やアルファ粒子を放出することによって崩壊します。多くの場合、崩壊は娘核種が励起状態の場合に起こり、通常この娘核種はガンマ線の放出によって崩壊します。すべての原子核のエネルギー準位列やガンマ線エネルギースペクトルは固有のものであり、原子核を識別するために使用することがでます。²²Na、⁶⁰Co、¹³⁷Csのエネルギー準位と崩壊過程を図1-1に示します。ベータ崩壊とは、原子核によるβ-（電子）、β+（陽電子）放出、または電子捕獲のことです。

図1-1：¹³⁷Cs、⁶⁰Co、²²Naのエネルギー準位列（エネルギー準位単位：MeV）

NaI(Tl)検出器

タリウム活性化ヨウ化ナトリウム検出器（NaI(Tl)検出器）は、小さな閃光（シンチレーション）を生成してガンマ線に反応します。シンチレーションは、光子のエネルギーによって励起されたシンチレーター電子が基底状態に戻るときに発生します。検出器の結晶は、シンチレーションを電気パルスに変換する光電子増倍管に取り付けられています。光電陰極から生じる最初のパルスは非常に小さく、一連のダイノードによって10段階で増幅され、大きなパルスになります。これは光電子増倍管の陽極から取り出されたもので、負のパルスです。

NaI(Tl)結晶はアルミニウムで包まれて空気中の湿気から保護されており、結晶/光電子増倍管ユニット全体を簡単に取り付けることもできます。概略図を図1-2に示します。

図1-2：光電子増倍管内でのシンチレーションイベントの図

物質とガンマ線の相互作用

物質とガンマ線の相互作用には、主に以下の3種類があります。

1. 光電効果
2. コンプトン効果
3. 対生成

光電効果とは、低エネルギーのガンマ線と物質間の一般的な相互作用です。このプロセスでは、光子は物質中の電子と相互作用し、そのエネルギーをすべて失います。電子は、最初の光子エネルギーから電子の結合エネルギーを差し引いたエネルギーで放出されます。これは、ガンマ線のエネルギーが検出器にすべて転送されると、検出器でガンマ線エネルギーに比例した出力パルスが生成されるため、スペクトロスコピーにとって有用なプロセスです。これにより、スペクトルに特徴的な全エネルギーピークが生じ、放射性物質を特定する目的で使用できます。

光子は自由電子によって散乱し、散乱角に応じてエネルギー量を移動させることができます。このプロセスをコンプトン散乱と呼びます。散乱光子E′のエネルギーは以下のとおりです。

ここでは、入射ガンマ線エネルギーをE、θは散乱角としています。m₀c²という用語は、電子の静止質量のことで、511keVに相当します。電子に与えられるエネルギーは以下のとおりです。

コンプトン散乱では、散乱角が180°のとき電子に与えられる最大エネルギーが生じ、その時点までエネルギー分布は連続しています（180°までのすべての散乱角が可能であるため）。コンプトンエッジと呼ばれるこのエネルギーは、入射ガンマ線エネルギーから計算できます。

θ=180°の場合は以下の通りです。

そして、

¹³⁷Csのスペクトルを見ると、ガンマ線が散乱し、結晶からエスケープした場合、蓄積されるエネルギーは全エネルギーピークよりも小さくなることが分かります（図1-3参照）。

実際のエネルギー蓄積は、上記の方程式で説明したように散乱角によって異なります。このスペクトルから、多くのパルスはコンプトンエッジ以下の範囲（コンプトン連続体と呼ばれる）にエネルギーを有することが分かります。

ガンマ線が結晶からエスケープせずに再び散乱し、光電効果によって残りのエネルギーを放出した場合、その全エネルギーは全エネルギーピークに蓄積されます（¹³⁷Csの場合は662keVで）。これは、大きな結晶ほど起こりやすいとされています。

対生成は、ガンマ線エネルギーが1.022MeVを超えると生じ、2.5MeVを超えるエネルギーでは重要なプロセスになります。このプロセスでは、陽電子と電子対が生成されますが、物質中の散乱相互作用によって抑制されます。陽電子は静止すると、電子と消滅し、連続して生成される一対の511keVのガンマ線が生じます。これらは光電効果によって吸収され、511keVで全エネルギーピークを生成します。コンプトン散乱に起因する成分も観測できます。対生成によって光子が結晶と相互作用すると、消滅光子の一方または両方が結晶から検出されずにエスケープすることがあります。光子の一つが検出されずエスケープすると、全エネルギーピークよりも511keV低いエネルギーでスペクトルのピークが生じます。これをシングルエスケープピークと呼びます。同様に、両方の光子が検出されずエスケープすると、ダブルエスケープピークと呼ばれるピークが、全エネルギーピークより1022keV低い位置で現れます。

図1-3：¹³⁷Cs線源のスペクトルの例

実験1の手引き：

光電効果とコンプトン散乱

1. Osprey（NaI(Tl)検出器が接続されている）が直接またはローカルネットワーク経由で測定PCに接続されていることを確認します。

2. ¹³⁷Cs線源を検出器の前に設置します。

3. ProSpectガンマ分光ソフトウェアを起動して、Ospreyに接続します。

4. 表1-1に記載されている設定に対応するようにMCAの設定を調整します。特に指定がない限り、本マニュアル全体を通してこれらの設定を使用することを推奨します。

5. ソフトウェアを使用して、推奨される検出器バイアスをNaI(Tl)検出器に適用します。

6. 光電ピークがスペクトルの全範囲の40%近くになるようにアンプのゲインを設定します。

7. スペクトルを取得します（光電ピークのカウント数が少なくとも10,000になるようなカウント時間を使用）。

8. 注釈（右クリックメニュー）を使用して、光電ピーク、コンプトン連続体、コンプトンエッジを特定します。

9. スペクトルをクリップボードにコピーし、Word文書に貼り付けます（スペクトルに適切なキャプションを付けます）。

10. スペクトルを保存します。

表1-1：OspreyまたはLynx IIを用いたNaI 2x2の標準ゲインとフィルター設定

対生成

11. スペクトルを消去します。

12. ¹³⁷Cs線源を⁸⁸Y線源に置き換えます。

7. スペクトルを取得します（各光電ピークのカウント数が少なくとも10,000カウントになるようなカウント時間を使用）。

14. 注釈（右クリックメニュー）を使用して、898keVと1836keVの全エネルギーピークを同定します。また、1836keVからシングルエスケープのピークも同定すると、1836–511=1325keVのエネルギーを有することになるはずです。

15. スペクトルをクリップボードにコピーし、Word文書に貼り付けます（スペクトルに適切なキャプションを付けます）。

16. スペクトルを保存します。

エネルギー校正

17. ¹³⁷Csと⁸⁸Yスペクトルをロードします。

18. 各ピーク間で関心領域を左クリックしてドラッグし、662keV、836keV、1836keVの全エネルギーピークの重心チャネルを決定します。ProSpectのツールチップに表示される各ピークの重心チャネルと不確実性をメモします。

19. Microsoft Excelまたは他のスプレッドシートやグラフ作成アプリケーションを使用して、エネルギー、チャネル、チャネルの不確かさを入力します。エネルギーとチャネルをプロットします（チャネルの不確かさをエラーバーとして表示）。

20. スプレッドシートを使用して、エネルギー校正係数を計算します。検出器の校正タブを使用して、これらをProSpectに入力します。

21. ⁶⁰Coスペクトルを収集し、2つの全エネルギーピークのエネルギーを同定します。