ラボ実験12：真の同時計数サミング

目的：

真の同時計数サミングを示します。

必要な機器：

理論の概要：

ガンマとガンマの一致

多くの一般的な核種は、同じ崩壊から2つ以上の光子を放出し、カスケードと呼ばれることがあります。最初の崩壊（α、β、β+、電子捕獲）では、娘核に励起状態が蓄積します。この状態は、光子放出または内部変換によって崩壊し、原子核の励起が少ない状態（基底状態になる可能性があります）になります。

図12-1は、⁶⁰Coの崩壊スキーマで、励起状態からの順次崩壊を見ることができます。

図12-1：⁶⁰Co崩壊の崩壊スキーマ。

図12-2：2つの光子を放出する崩壊で、両光子とも検出器にエネルギーを蓄積します。

図12-3：エネルギーE_Cの「合計」効果を実証する崩壊スキーマ。

原子核の励起状態の典型的な寿命は、ピコ秒時間スケールです。検出器の典型的な応答時間、つまり検出器が2つの別々の事象として認識するのに必要な2つの光子事象間の最小時間は、マイクロ秒オーダーです。これは、励起状態の典型的な寿命よりも数桁長いです。1つ以上の光子が放出される崩壊では、複数の光子が検出器にエネルギーを蓄積する確率が非常に高くなります。光子放出間隔は、検出器の応答時間よりもはるかに短いため、検出器が光子を別々のイベントとして区別することはできず、1つのパルスが発生します。これは、個々の堆積したエネルギーの合計に相当します。図12-2は、2つの光子で、検出器の分解能時間内に検出器にエネルギーを蓄積する崩壊の例です。この事象を真の同時計数和、またはカスケードサミングと呼びます。次の2つのケースには、特別な注意が必要です。

1. サミングアウトこの事象では、1つの光子がそのエネルギーをすべて検出器に蓄積（例えば、図12-1の1173keVガンマ線）し、もう1つの光子（例えば、1332keVガンマ線）はエネルギーの一部または全部を検出器に蓄積します。これにより、計数は最初の光子の全エネルギーピーク（この例では1173keV）からスペクトルの高エネルギーへと移動します。そのため、1つの光子のみを検出する場合と比較して、最初の光子の計数率が低下します。この現象をサミングアウトと呼びます。

2. サミングインこの効果は、対象のガンマエネルギーが、図12-3の例のような崩壊スキーマの他の2つのガンマ線のエネルギーの合計に等しい場合に該当します。この場合、エネルギーE_AとE_Bのガンマ線間のサミング（合計）では、エネルギーE_Cでのピークの計数率が増加します。これをサミングインと呼びます。

ガンマX線同時計

真の同時計数加算に寄与するようにX線を生成するには、２つの方法があります。

1. 電子捕獲この場合は、近接結合した電子の1つが捕捉され、内部の電子シェルの1つに空隙を作成します。外殻から放出される電子は、内殻の空隙を埋めて、検出可能なX線を放出します。これらのX線は、初期崩壊によって生成されるため、娘核から放出されるすべての光子をX線と同時に検出できます（単一の光子が放出される場合も含む）。これは、サミングアウトの例です。

2. 内部変換内部変換とは、励起原子核が原子核周辺の電子雲と相互作用し、余分なエネルギーが原子から放出される電子に転送されるプロセスです。これにより、電子殻の1つに空隙が生じ、外側の電子が充填され、前述の電子捕獲と同様にX線が放出されるようになります。これも、サミングアウトの例です。

ガンマ消滅光子の一致

崩壊プロセス（β+崩壊など）によって生成された光子と娘核種から放出される光子を合計するケースがあります。β+崩壊では、陽電子が放出されるため、周囲の物質が減速し、電子が検出され、511keVのエネルギーを持つ2つの光子を消滅します。陽電子が減速して消滅する時間は、検出器の応答時間に比べて短くなります。消滅から放出される光子のうち少なくとも1つが、娘核の光子の検出に加えて、検出器にエネルギーを蓄積すると、計数は全エネルギーピークから移動します。これは、上記で説明したサミングアウトとは別のケースです。

真の同時計数サミングの確率

真の同時計数サミングは、同じ崩壊から2つの光子を検出する必要があるため、次のものに強く依存します。

1. サミングプロセスに関与する光子の検出効率。これは、検出器の種類と使用される計数ジオメトリーの関数です。たとえば、2つの光子を合計事象として検出する確率は、検出器のサイズが増加し、検出器間の距離が減少するにつれて増加します。

2. 測定対象の核種。より具体的には、核種の崩壊スキーマです。これまで、サミングのインとアウトは、ガンマ線の崩壊スキーマ（例：カスケードの存在や内部変換や電子捕獲などの崩壊モード）に依存することを学習してきました。影響を受けない原子核（¹³⁷Csなど）と、有意なサミング効果を示す他の原子核（⁶⁰Coや⁸⁸Yなど）があります。

線源ベースの効率校正の影響

市販のマルチガンマ線源のほとんどには、真の同時計数サミングを示す核種が含まれています。たとえば、高エネルギー光子放出核種として⁶⁰Coと⁸⁸Yを使用することが一般的ですが、両方がサミングアウトの影響を受けます。近接ジオメトリーでサミングアウト効果を持つ核種を使用すると、核種がサミングアウト効果を持たない場合よりもピーク計数率が低くなります。その結果、これらのエネルギーにおける効率は、真の効率よりも低くなるように見えます。これらの効率点が補正なしで使用された場合、計算された効率は、真の効率と比較してバイアスが低くなります。その結果、効率を使用してサミングフリーのサンプル測定の活動を計算すると、結果は真の活動よりも高くなります。

サンプル計数の結果

サンプル計数では、サミングアウト効果により、測定されたピーク計数率が低下します。したがって、測定された活動は、真の活動よりも低くなります。サミングインでは、正反対の効果を持ち、測定された活動は真の活動を上回ります。サミングアウト効果が最も一般的であることに注意してください。核種活性の過小評価は、安全性に影響を与える可能性があるため、より重要な効果でもあります。

真の同時計数サミングの効果を低減する

真の同時計数サミングの確率は、検出効率に依存するため、サンプルを検出器から遠ざけることで効果を低下させることができます。しかし、計数システム全体の効率が低下することの影響は、計数時間が（計数統計を維持するために）増加し、サンプル計数の生産性が低下する可能性があります。

同時計数サミングが主にX線に起因する場合（電子捕獲によって原子核が崩壊する場合など）の場合、同時計数サミングは、ほとんどの低エネルギー光子を減衰させる減衰器を導入することで減少させることができます。最適な対処法は、LabSOCS計算などのソフトウェアを使用して、真の同時計数サミング効果を定量化し補正することです。このアプローチは、すべての測定ジオメトリーと、影響を受けることが知られているすべての一般的に測定された核種に適用できます。

実験12ガイド：

測定

1. Lynx II DSA（HPGe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、Lynx II DSAに接続します。

4. 実験7で推奨されているようにMCAの設定を行います。

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HPGe検出器に適用します。

6. PHA変換ゲインを32768チャネルに設定

7. 全エネルギーピークがスペクトルの40%近くになるようにアンプゲインを設定します。

8. エネルギー校正を行います。

9. ¹³⁷Cs線源をエンドキャップに配置してスペクトルを取得します（全エネルギーピークで少なくとも10,000計数となるような計数時間を使用します）。

10. 全エネルギーピークの計数記録を作成します。

11. ¹³⁷Cs線源から5cmの位置を決め、スペクトルを取得します（全エネルギーピークで少なくとも10,000計数となるような計数時間を使用します）。

12. 全エネルギーピークの計数記録を作成します。

13. ¹³⁷Cs線源から30cmの位置を決め、スペクトルを取得します（全エネルギーピークで少なくとも10,000計数となるような計数時間を使用します）。

14. 全エネルギーピークの計数記録を作成します。

15. ¹³⁷Cs線源を薄い銅板のエンドキャップに直接配置し、スペクトルを取得します（全エネルギーピークで少なくとも10,000計数となるような計数時間を使用します）。

16. 全エネルギーピークの計数記録を作成します。

17. ⁶⁰Co線源のステップ16を繰り返します。

18. ²²Na線源のステップ16を繰り返します。

19. ¹⁵²Eu線源のステップ16を繰り返します。

分析

1. LabSOCSジオメトリーコンポーザーでは、3つの異なる距離と銅吸収体との点線源のモデルを作成します。ピーク面積が計算されたすべてのエネルギーの効率を計算します。

2. 線源のピーク面積、計数時間、既知の光子放出率（線源証明書で確認できます）を使用して、すべての線源とジオメトリーの効率を計算します。

3. すべての線源とジオメトリーについて、真の同時計数サミング係数（測定された効率を計算された効率で割ったものと定義）を計算します。1に近い係数は、真の同時計数サミングがないか無視できることを示しています。1未満の係数は、サミングアウトの同時計数があることを示し、1を超える係数は、サミングインの同時計数があることを示します。

4. 各線源とジオメトリーについて、真の同時計数サミングの係数値を説明します。必要に応じて、書籍またはオンライン（たとえば、ブルックヘブン国立研究所の国立核データセンター http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/）で崩壊スキームを調べてください。