ガンマおよびX線の検出

検出器の概要
一般的に使用される検出器の種類は、次のように分類できます：

1. ガス充填検出器
2. シンチレーション検出器
3. 半導体検出器

用途に対応した特定の検出器の種類選択は、対象となるX線またはガンマエネルギー範囲、アプリケーションの分解能、および効率の要件によって異なります。その他の考慮事項には、計数率のパフォーマンス、タイミング実験に対する検出器の適合性、そしてもちろん、価格が含まれます。

検出器の効率
検出器の効率は、特定の数のガンマ線に対してどのくらいのパルスが発生するかを示す尺度です。ガンマ線検出器には、さまざまな種類の効率定義が一般的に使用されています。

1. 絶対効率：検出器によって生成される計数と、線源から放出されるガンマ線の数（全方向）の比率です。
2. 固有効率：検出器が作り出すパルス数と、検出器に打撃を与えるガンマ線の数との比です。
3. 相対効率：ある検出器の相対効率。一般的に直径7.5cm、長さ7.5cmのNaI結晶に対するゲルマニウム検出器の相対効率は、それぞれ各検出器の点源から25cm、1.33MeVでのみ指定されます。
4. 全エネルギーピーク（または光ピーク）効率：ガンマ線に対する任意のサイズのパルスではなく、全エネルギーピークのパルスのみの生成効率です。

明らかに、検出器は有用であるために、ガンマ線エネルギーの大部分を吸収できなければなりません。これは、適切なサイズの検出器を使用するか、適切な高Zの検出器材料を選択することで達成されます。ゲルマニウム検出器の全エネルギーピーク効率曲線の例を図1.1に示します。

図1.1 効率校正

検出器の分解能
分解能は、特定のエネルギーにおける単一のエネルギーピークの幅（半値全幅）の尺度で、絶対keV（ゲルマニウム検出器の場合と同様に）またはその時点でのエネルギーに対するパーセンテージ（ヨウ化ナトリウム検出器の場合）で表現されます。より良い（低いFWHM値）分解能により、システムはスペクトル内のピークをより明確に分離できます。図1.2は、ヨウ化ナトリウム（NaI(TI)）検出器とゲルマニウム（HPGe）検出器を用いて、同じ線源から収集した2つのスペクトルを示しています。これはかなり単純なスペクトルですが、ヨウ化ナトリウム検出器によって示されるピークは、ある程度まで重なり、ゲルマニウム検出器によって検出されるピークは明確に分離されています。 ピークの数が数百にも及ぶ複雑なスペクトルでは、ゲルマニウム検出器の使用が分析には必須となります。

図1.2

ガス充填検出器
ガス充填検出器は、基本的にガスで満たされた金属のチェンバーで、正バイアス陽極線が含まれています。ガスを透過する光子は、自由電子と正のイオンを生成します。 電子は陽極に引きつけられ、電気パルスを生成します。

低い陽極電圧では、電子はイオンと再結合します。再結合は、高密度イオンの場合にも発生します。十分な高電圧では、ほとんどすべての電子が収集されます。この検出器は電離箱（イオン化チェンバー）として知られています。より高い電圧では、電子は他の原子をイオン化するのに十分な高エネルギーで陽極へ加速され、その結果、より多くの電子が生成されます。この検出器は、比例計数管として知られています。より高い電圧では、電子増倍はさらに大きく、収集された電子の数が最初のイオン化とは独立しています。この検出器は、ガイガーミューラーカウンターで、大きな出力パルスがすべての光子で同じになります。それでも、より高い電圧では連続放電が発生します。

異なる電圧領域を図1.3に記載の図で示します。実際の電圧は、検出器の形状、ガスの種類、圧力によって、検出器により大きく異なります。

図1.3 ガス検出器出力 vs. 陽極電圧

イオン化チェンバー
イオン化チェンバー（電離箱）の信号出力が非常に低いため、この検出器は個々のガンマ線の検出には使用が困難になります。ですから、総電流が非常に大きくなる可能性のある高放射線束で使用されます。多くの放射線モニタリング機器は、イオン化チェンバー（電離箱）を使用しています。絶対イオン化測定は、出力を記録するための電気計を使用して行うことができます。¹

比例計数管
比例計数管は、中程度のエネルギー分解能が必要な測定に頻繁に使用されます。⁵⁷Coのスペクトルを、図1.5に示します。14.4keVガンマ線が鉄からの6.4keVX線から十分に分離されています。

比例計数管は、エンドまたはサイドウィンドウのある円筒形から、「パンケーキ」平シリンダーまで、さまざまなサイズと形状で購入できます。それらは、密封された検出器である場合、ガス流で動作し、薄いベリリウム窓がついている場合、または窓がない場合もあります。検出器は、通常、⁵⁵Fe線（Mn X線）からの5.9keVのX線の物理的サイズ、有効ウィンドウサイズとガスパス長、動作電圧範囲、分解能で指定されます。典型的な分解能は、半値で約16～20%の全幅（FWHM）です。

動作電圧は、充填ガスと形状によって異なります。X線では、キセノン、クリプトン、ネオン、およびアルゴンが一般的に選択され、希ガスがよく使用されます。 キセノンとクリプトンは、より高いエネルギーX線またはより高い効率を得るために選択されます。一方、ネオンは不要なエネルギーX線の存在下で低エネルギーX線を検出するために選択されます。時には、90%アルゴンと10%メタンを混合したP-10ガスなどのガス混合物が使用されます。ガス圧力は通常、1気圧です。比例計数管で使用できる2006プリアンプを図1.4に示します。

図1.4 比例計数管とプリアンプ

ガイガーミューラーカウンター
ガイガーミューラーカウンターは、増幅を伴わずに簡単に計数できる大きな電圧パルスを生成します。出力パルス高は、初期イオン化とは独立しているため、エネルギー測定はできません。 ガイガーミューラーカウンターは、さまざまなサイズで利用できます。一般的に、薄いマイカ窓があります。動作電圧は、プラトー領域（図1.3を参照）で、バイアス電圧の範囲で比較的平坦になります。プラトーは、陽極電圧の関数として計数率を測定することで決定されます

イオン化によって生成された放電は、次のパルスで検出器が中性イオン化状態に復帰するために、冷却する必要があります。これは、希ガスに加えて少量のハロゲンを含む充填ガスを使用して達成されます。陽極とバイアス電源間の大きな抵抗器にかかる電圧降下も、動作電圧がプラトー下で低下するため、放電を冷却するのに役立ちます。

ガイガーミューラーカウンターは、各パルス後に冷却が完了するまで、不活性化するか「デッド」状態となります。このデッド時間は、数百マイクロ秒の長さになる可能性があるため、低計数率用途に計数が限定されます。

シンチレーション検出器
ガンマ線がシンチレーターと相互作用すると光のパルスが発生し、光電子増倍管によって電気パルスに変換されます。光電子増倍管は、光電陰極、集束電極、10以上の二次電極で構成され、それぞれに衝突する電子の数を数倍にするものです。陽極と二次電極は、通常、プラグオンチューブベースアセンブリーに位置する抵抗器の連鎖によってバイアスされます。シンチレーターと光電子増倍管を含む完全なアセンブリーをMIRIONから入手できます。

良好な検出器に必要なシンチレーション物質の特性は、透明性、大型での利用可能性、ガンマ線エネルギーに比例した大きな光出力です。検出器に良好な特性を持つ物質は比較的少数です。タリウム活性化NaI結晶とCsI結晶が一般的に使用され、さまざまなプラスチックが用いられています。LaBr₃（Ce）結晶は、より良い分解能を提供する新しいタイプのシンチレーション検出器材料（物質）ですが、それ以外の場合はNaI検出器結晶と同様の特性があります。NaIは、ガンマ線の分解能が良く、経済的であることから、依然としてガンマ線検出の主な材料（物質）となっています。しかし、プラスチックはエネルギー分解能がほとんどまたはまったく得られない場合が多いにもかかわらず、パルス光減衰がはるかに高速になるので、タイミング用途での使用が見込まれます。

図1.5 計数からの⁵⁷Coスペクトル

NaI(Tl)シンチレーション検出器
NaI中のヨウ素の高Zは、ガンマ線検出に良好な効率をもたらします。結晶を活性化させるために少量のTlが追加され、通常、結晶の名称はNaI(Tl)になります。達成可能な最高の分解能は、直径7.5cm×長さ7.5cmの結晶の¹³⁷Csからの662keVガンマ線に対して7.5%～8.5%の範囲であり、サイズが小さくなると若干悪くなります。図1.7は、それぞれ、NaI結晶のさまざまな厚さの吸収効率と、最も一般的に使用される入口窓を通る伝達係数を示しています。NaI検出器はさまざまな構成で入手が可能で、検出器が比較的薄いX線測定用の結晶（高エネルギーでの効率を犠牲にして分解能を最適化するもの）から、複数の光管を備えた大型結晶まで市販されています。弱いサンプルのほぼ球形4π形状計数を可能にするウエルを使用して構築された結晶も、広く使用されている構成になります。典型的なプリアンプとアンプの組み合わせを図1.6に示します。

図1.6 NaI(Tl)検出器エレクトロニクス

NaIの光減衰時間定数は約0.25マイクロ秒であり、典型的な荷電感度プリアンプでは、これを約0.5マイクロ秒の出力パルス立ち上がり時間に変換します。このため、NaI検出器は、非常に短い分解能時間が必要な高速同時計数測定用のプラスチック検出器にはあまり適していません。 LaBr₃（Ce）検出器は、0.03マイクロ秒の光減衰時間定数を持ち、同時計数測定のための別の解決策となります。

半導体検出器
半導体は、絶縁体または導体として作用できる材料（物質）です。エレクトロニクスでは、「固体状態」という用語は、半導体と互換的に使用されることがよくありますが、検出器分野では、この用語は明らかに固体シンチレーターに適用できます。したがって、「半導体」は、約1～5eVの範囲のバンドギャップを有する元素または化合物単結晶材料から製造される検出器を表すには好ましい用語です。IV族元素のシリコンとゲルマニウムは、これまでで最も広く使用されている半導体ですが、一部の化合物半導体物質は、開発作業が継続しているため、特別な用途で使用されています。

表1.1は、検出器用の材料（物質）としてのさまざまな半導体の主な特性の一部を示しています：

半導体検出器は、p-i-nダイオード構造を持ち、逆バイアスがダイオード全体に印加されると、電荷キャリアが枯渇することで固有（i）領域が形成されます。光子が空乏領域内で相互作用すると、電荷キャリア（正孔と電子）が解放され、電界によってそれぞれの収集電極に掃引されます。得られた電荷は、荷電感度プリアンプによって積分され、元の光子エネルギーに比例した振幅で電圧パルスに変換されます。

空乏層の深度は、正味の電気不純物濃度に反比例し、計数効率も材料（物質）の純度に依存するので、高エネルギー光子で高い計数効率を確保するためには、非常に純粋な材料が大量に必要です。

図1.7

1970年代半ば以前は、SiとGeの必要な純度レベルは、リチウムイオンドリフトとして知られるプロセスで、n型不純物、リチウムを備えた計数ドープp型結晶でのみ達成できました。このプロセスは依然としてSi(Li)X線検出器の製造に広く使用されていますが、1976年以降十分に純粋な結晶が入手可能になったため、ゲルマニウム検出器には必要なくなりました。

表1.1のバンドギャップ値は、材料の温度感度と、これらの材料（物質）が検出器として使用できる実用的な方法を示しています。Geトランジスタの最高動作温度がSiデバイスよりもはるかに低いのと同様に、Ge検出器でも同様です。実際問題として、熱電荷キャリアの生成（ノイズ）を許容レベルまで低減するには、GeとSiの両方の光子検出器を冷却する必要があります。この要件は、古いGe(Li)と、ある程度Si(Li)検出器を室温で劣化させてしまうリチウム析出の問題とはまったく別のものです。

検出器冷却の最も一般的な媒体は液体窒素ですが、電気冷却システムの最近の進歩により、電気冷却式クライオスタットが多くの検出器用途にとって実用可能な代替品になりました。

液体窒素（LN₂）冷却検出器では、検出器素子（場合によってはプリアンプコンポーネント）が、LN₂デュワーに取り付けられるか、または挿入されるクリーン真空チェンバーに収容されます。検出器は、液体窒素と熱的に接触しており、約77°Kまたは-200°Cに冷却されます。 これらの温度では、逆漏れ電流は10^-9～10^-12アンペアの範囲になります。

電気冷却検出器では、液体窒素の必要性を排除するために、閉サイクル混合冷媒とヘリウム冷凍システムの両方を開発しました。液体窒素が利用できない、あるいは供給が不確実な場合、冷却検出器は、長期の無人運転を必要とする用途や従来のクライオスタットからLN₂ガスを放出することが現実的でない海底運転などの用途に最適です。

典型的な液体窒素クライオスタットの断面図を図1.8に示します。

図1.8 7500SL型垂直ディップスティッククライオスタット

検出器構造
初期の半導体光子検出器は、その前に存在したシリコン表面バリア（SSB）検出器と同様に、シンプルな平面構造でした。しばらくして、溝付きプレーナSi(Li)検出器は、漏れ電流を低減して分解能を向上させる試みの進化を遂げました。

同軸Ge(Li)検出器は、枯渇（ドリフト）深度を合理的に保ち、キャパシタンスを最小限に抑えながら、検出器全体の容積を増加させ、それによって検出効率を改善するために開発されました。これらの構造には、他にもバリエーションがあり、一部は廃止されましたが、現在使用されているものがいくつかあります。これらは、図1.9に示され、それらの顕著な特徴と近似エネルギー範囲で示されます。

図1.9 検出器構造エネルギー範囲

検出器性能
半導体検出器は、さまざまな理由で、他の種類の放射線検出器よりも大幅に改善されたエネルギー分解能を発揮します。基本的に、分解能の利点は、電荷キャリアを生成するのに必要な少量のエネルギーと、その結果生じる同じ入射光子エネルギーに対する他の種類の検出器と比較して大きな「出力信号」に起因します。3eV/e-hペア（表1.1を参照）で、Geで生成される電荷キャリア数は、ガス検出器とシンチレーション検出器よりも約1～2桁多くなります。シンチレーション検出器と関連する比例計数管と電子増倍器で起こる電荷増倍は、大きな出力信号となり、電荷生成の基本統計を改善するものではありません。

さまざまな検出器の種類に対する「keV（FWHM）vs.エネルギー」での結果として生じるエネルギー減少を表1.2に示します

低エネルギーでは、検出器効率は断面積と窓厚の関数ですが、高エネルギーでは、検出器全体の体積が計数効率を多少なりとも決定します。Si(Li)、低エネルギーGe検出器、逆電極Ge検出器などの薄い接点を有する検出器では、その本質的なエネルギー応答を最大限に活用するための、Beまたは複合カーボンのクライオスタットウィンドウが、通常、装備されています。

同軸Ge検出器は、7.5cm×7.5cmと比較して相対全エネルギーピーク効率で指定されます。NaI(Tl)シンチレーション検出器を25cmの線源距離で検出します。100%相対効率以上の検出器は、直径約75mmまでのゲルマニウム結晶から製造されています。このような検出器には、約2kgのゲルマニウムが必要です。

さまざまな種類のGe検出器に対する検出器効率の曲線とエネルギーについては、このカタログの検出器製品セクションで参照することができます。

^1. A.C. Melissinos, Experiments in Modern Physics, Academic Press, New York (1966), p. 178.