荷電粒子の検出

用途に最適な荷電粒子検出器を選択する

PIPS^{^®}プレーナシリコン検出器

MIRIONでは、幅広い応用範囲をカバーする2種類のシリコン荷電粒子検出器を用意しています。ひとつ目は、荷電粒子分解能に優れ、精密で薄く、すばやい接合を実現する埋め込み型バリアコンタクトを使用するPIPS（プレーナシリコン）検出器です。2番目の種類は、高エネルギー荷電粒子の検出効率の改善ニーズに応えるリチウムドリフト型シリコン検出器です。検出器はどちらの場合も、逆バイアスを与えることによって空乏領域が形成され、その結果生じる電界が電荷電粒子によって生成された電子と正孔のペアを収集するPIN構造を備えています。シリコンの抵抗率は、中程度のバイアス電圧で十分な空乏領域を確保できるように、十分に高くなければなりません。

埋め込み型バリアコンタクトの接合部には、多数キャリア（n型の電子とp型の正孔）の反発があり、空乏領域が存在します。逆バイアスを印加すると、感知検出器のボリュームであるこの空乏領域が広がり、ブレークダウン電圧の限界まで拡張できます。PIPS検出器は一般に、100 ～ 1000 µmの逓減深度で利用できます。

これらの検出器は、2003BT型プリアンプで使用できます。また、Alpha Analyst™または7401型アルファスペクトロメーターと互換性があり、最大1200mm²のサイズの互換性もあります。

検出器は、表面積、アルファ粒子またはベータ粒子の分解能、および逓減深度で指定されます。分解能は、検出器のサイズに大きく依存し、小面積検出器に最適です。12～35keVのアルファ分解能と、6～30keVのベータ分解能が一般的です。標準で25～5000mm²の面積が用意されており、カスタム用途向けにさまざまな形状のより大きな検出器が利用できます。さらに、PIPS検出器は完全に空乏化されているため、dE/dxエネルギー損失の測定を軸上に検出器を積み重ねて行うことができます。この用途に対応する検出器は、透過型マウントでの設定を行います（例：検出器の側面にあるバイアスコネクターで）。

Si(Li)検出器と呼ばれるこれらの検出器は、標準的な厚さが2mmから5mm、要望があれば10mmまで対応可能で、PIPS検出器よりも優れた阻止能を持ち、高エネルギー荷電粒子に対するより優れた検出効率のニーズに応えます。Si(Li)検出器には、200～500mm²の円形状と長方形状があり、サイズに応じて30keVから始まる分解能があります。これらの検出器は、透過型マウントでも利用できます。

荷電粒子の局在化が必要な場合、MIRIONでは、セグメント化されたSi(Li)のSi(Li)型検出器をご提案いたします（詳細は、LTS Si(Li)型検出器の情報をご覧ください）。室温のSi(Li)検出器は、大きなリーク電流を生じます。Si(Li)検出器を偏光させるには、バイアス回路内の電圧降下を最小限に抑える必要があります。このフレームでは、HVフィルター内またはACカップリングネットワーク内の抵抗器は、10モーム値に維持されます。MIRIONでは、2003BTまたは2004型プリアンプを推奨していますが、Si(Li)検出器では、過度の電圧降下を避けるために、HVフィルターとACカップリングネットワーク内の抵抗器を100モームから10モームに落とす必要があります。

リチウムドリフトシリコン検出器

PIPSとリチウムドリフトシリコン検出器の比較

シリコン荷電粒子検出器

いくつかの空乏深度で測定されたさまざまな粒子のエネルギーのチャートを表1に示します。最も薄い検出器でも放射性線源からのアルファ粒子には十分ですが、完全に吸収されるのは非常に低エネルギーの電子だけです。しかし、変換電子線などの電子線の線源を見る検出器では、一部の電子パス長は領域が完全に枯渇しているため、シャープなピークが観測されます。図1は、核反応で一般的に発生する粒子の範囲を示しています。

図1 シリコンの範囲エネルギー曲線

粒子のイオン化から収集された電荷は非常に小さく、中間増幅なしで得られたパルスを使用することは実用的ではないため、電荷感度プリアンプを使用して信号を最初に準備します。

図2は、シングル入力アルファスペクトロスコピーアプリケーションで使用されるエレクトロニクスを示しています。サンプルと検出器は、空気中のエネルギー損失を伴わないように真空チェンバー内に配置されています。

図2 アルファスペクトロメトリーで使用される電子チェーン

さまざまなシリコン荷電粒子検出器のエネルギー範囲を、エネルギー測定用の図3、図4、図5に示します。透過型マウント（PIPS用FDシリーズ、Si(Li)用LTC/LTRシリーズ）を使うと、検出器を積み重ねて粒子識別や検出器望遠鏡、その他のdE/dx測定に使用できるため、エネルギー範囲が広がります。

図3 電子の完全な電荷収集用のさまざまな検出器モデルのエネルギー範囲

図4 陽子の完全な電荷収集用のさまざまな検出器モデルのエネルギー範囲

図5 アルファの完全な電荷収集用のさまざまな検出器モデルのエネルギー範囲

エネルギーイオンが特定の角度で検出器に入力されるチャネリング効果では、結晶面間でイオンがチャネリングされます。この効果は、表示範囲に大きな変化を引き起こす可能性があります。

付録1 電子、陽子、アルファスのエネルギー範囲

図6 シリコン中の電子のエネルギー範囲

図7 シリコン陽子のエネルギー範囲

図8 シリコン中のアルファエネルギー範囲

付録2 シリコン中のさまざまな荷電粒子のエネルギー損失

図9 シリコン中の電子エネルギー損失

図10 シリコン中の陽子エネルギー損失

図11 シリコン中のアルファエネルギー損失

図12 シリコン中のさまざまな荷電粒子のエネルギー損失

システム選択ガイド

Mirionでは、アプリケーション、ソフトウェア、ハードウェアに基づいて、お客様のニーズを満たすための製品選択ガイダンスを提供しています。

スペクトル分析

放射性崩壊は時間的にランダムに発生するため、与えられた時間内に検出されたイベント数の測定は正確ではなく、不確実性を持つ平均値を反映します。より良い平均値は、より長い時間でデータを取得することで得られます。

中性子検出と計数

中性子には質量がありますが、電荷ありません。このため、検出器でイオン化を直接生成することはできず、それ故に、直接検出することもできません。つまり、中性子検出器は、入射中性子が原子核と相互作用して二次荷電粒子を生成する変換プロセスに依存する必要があります。これらの荷電粒子は、その後、直接検出され、それらから中性子の存在が推定されます。

放射線とは何か

放射線が自分の身の回りの世界でどのように使われ、どのような影響を及ぼしているのかを探る前に、放射線とは何か、どのように作用しているのかについて、基本的な理解を深めておくことが重要です。