低バックグラウンドアルファ/ベータ線カウンター用の性能仕様を理解

ベンダーのシステム間の比較は、しばしば面倒な作業であり、フラストレーションと混乱につながる可能性があります。 このアプリケーションノートは、低バックグラウンドアルファ/ベータ線システムを比較するプロセスを導くためのツールとなります。 基本的な検出器理論と機能に適用される基本的な科学的な原理を実証し、検出器設計の重要性を説明することで、潜在的なメリット（FOM）比較誤差を指摘します。 それでは、始めましょう。

FOMとは何か、有用なのか？

多くの人が、低バックグラウンドアルファ/ベータ線システム間のサンプルスループットの性能を比較するために、フィギュアオブメリット （FOM）計算を使用しています。FOMは有用なツールですが、適切に使用しないと誤った結論につながる可能性があります。 簡単に言えば、FOMは機械の性能の尺度です。その性能の尺度として使用される機械、コンポーネント、機器のパラメーターまたは特性です。

FOMは、一般にe²/bとして定義され、「e」は効率、「b」は特定の機器のバックグラウンドです。 FOMは、異なるシステムのサンプルスループットを推定するために使用できます。 しかし、上記の定義を使用することで、ベンダー間でシステムを比較する際にFOMは基本的に無意味なツールになります。 その理由です。

FOMを計算するのに使用される値は効率とバックグラウンドであるため、それらに影響を与えるすべての変数は制御され、均等である必要があります。 ベンダーは、独自のテストに基づいてバックグラウンドと効率仕様を公開しているため、バックグラウンドと効率に影響を与える変数は非常に異なる結果を生み出す可能性があります。 これは、最終的にサンプルスループットに関する誤った仮定につながります。 変数のほとんどは効率に関連しているため、そこから始めます。

効率に影響を与える変数は何ですか？

1. ジオメトリ
2. バックスキャッター
3. 減衰
4. 自己吸収

このアプリケーションノートでは、自己吸収または減衰については説明しません。 ジオメトリとバックスキャッターのみを扱います

1） ジオメトリ

2π対4π？
多くのベンダーは、公表効率が2πまたは4πであるかどうかを明らかにしないため、この変数が不明であるか、比較を行う際に十分に定義されていない場合、FOM値に関する仮定は、大きさオーダーの誤りを修正する可能性があります。

まず、2πと4π校正がどのように導出されるかを説明します。 ポイントソースが空中で懸濁していた場合を想像してください。 粒子の半分はソースの上の平面で移動し、半分はソースの下の平面で移動すると仮定します。 検出器をソースの上に置くと、検出器が検出できる最も多いのはソースの崩壊率の半分です。 与えられた崩壊率の半分を検出するために検出器の校正情報を調整すると、検出器は理論的にプローブに当たる粒子の100％を検出します。2π校正として定義されます。 例えば、ソース証明書は、通常2π放出率を与えます。 これは、ソースがソースの一方の表面から放出される粒子のみに基づいて校正されていることを意味します。 機器の校正セットアップに2π放出率を入力すると、本質的にその検出器の2π校正を取得します。 ⁹⁰Srの74％の2π効率校正は、⁹⁰Srの37％の4π効率校正と同じです。 2つの異なるシステム間のFOMは、校正のタイプ、2πまたは4πが適切に定義されていない場合、同じ意味を持ちません。

FOMをe²/bとして解決し、各ケースで0.7cpmバックグラウンドを仮定する：

FOM = 74² ÷ 0.7 = 7822

と比較：

FOM = 37² ÷ 0.7 = 1955

この例では、計算されたFOM値間に400％の差があります。 要約すると、各ベンダーから公表された効率校正のタイプを知ることは、異なるシステム間の比較を行う際に重要です。

効率を比較する際に同様に重要であるジオメトリに関連するもう一つの側面は、プランチェットの深さです。 プランチェットの深さは、サンプルからガス流検出器ウィンドウまでの距離を定義します。 サンプルから検出器までの距離は、2つの方法でシステムで測定された効率に影響を与えます。

1. 荷電粒子（アルファとベータ）は異なる範囲を持っています。 範囲は、荷電粒子の吸収体（空気、鉛、P-10ガスなど）への平均浸透深さとして定義され、エネルギーがすべて失われ停止します。 たとえば、²¹⁰Poアルファ粒子の空気中の範囲は、約2.5cmまたは1インチです。 ベータ粒子の空気中での飛距離はさらに広い範囲、すなわちベータエネルギーのMeVあたり約4メートルです。
2. 直径4 mmのソースが、ソースと2.25インチのサンプル検出器のウインドウの間にスペースがない位置に配置されている場合、検出器はソースの崩壊のほぼ50％（ほぼ2 π）を見ることができます。 ウィンドウにほぼ平行な非常に低い角度で検出器に影響を与える粒子は、検出器で十分な電荷、イオン化を生成し、可算パルスをもたらす可能性があります。 ソースが移動されると、検出器は崩壊の50％を表示しませんが、ある割合少なくなります。 間隔が大きいほど、2πのパーセンテージが小さくなり、検出システムの効率が低下します。

上記から、活性検出器領域からのソースの距離は、アルファとベータ効率の両方に影響を与えると結論付けることができます。 アルファ効率は、上記の両方の現象の影響を受けますが、ベータ効率は、ベータよりもはるかに長い範囲を持つため、角度考慮事項によって主に影響されます。

下のグラフ（図1）を使用して、できるだけ検出器に近い位置にある90SRソースをカウントすると、約55％の効率が生成されます（バックスキャッターを含む、以下を参照）。 その効率を1/8インチの同じソースをカウントすることで得られた効率と比較してください。プランチェットにより、47％の効率が発生します（バックスキャッターを含む、以下を参照）。

結果として生じるFOM値は、0.7cpmのバックグラウンドに基づいてそれぞれ4321と3155です - プランチェットの深さによる137％の差。

同様の測定セットでは、4 mmの直径241Amアルファソースが、1/8インチと5/16インチに連続的に配置され、深いインサートと効率が測定されました。 1/8インチインサート内の効率は41.7％であると判断され、5/16インチインサート内の効率は34.2％のみであると測定されました。

要約すると、FOMは、効率に影響を与える幾何学的要因が既知で、適切に定義され、FOM方程式で使用される各効率値に等しい場合にのみ有効なツールです。

2）バックスキャッター

次に述べる効率に影響を与える要因は、バックスキャッターと呼ばれます。 バックスキャタリングは、以下の図に示すように、検出器領域から離れる粒子が検出器領域に向かって「散乱」する現象です。

図2では、ソース底部にある荷電粒子の一部は、プランチェットバックに対して検出され、カウントとして登録される検出器領域に向かって「散乱」しています。

図3では、ソース底部にある荷電粒子は「散乱」するものではなく、その後検出されません。

荷電粒子のバックスキャッター量は、ステンレス鋼プランチェットなどのソース配置に使用される材料の関数です。 いくつかのタイプのプランチェットは、カウントしながらソースまたはサンプルを配置して所定の位置に保持するために常に使用されるため、取得中にバックスキャッター効果は常に発生します。 下の図4は、使用されるプランチェット材料のZの関数としてのバックスキャッター効果を示しています。 このグラフから、異なるプランチェット材料と同位元素は、バックスキャッター効果のさまざまな程度を生成すると結論付けています。

ベンダーによって公表された効率結果には、特にベータ用のバックスキャタリング効果が含まれます。 一部のベンダーは、バックスキャッターが公表された効率仕様に含まれているかどうかを開示しないため、 正確なバックスキャッター要因が判明していない限り、FOM比較は無効なツールになります（ソース配置に使用されるプランチェット材料の種類とソース取り付け材料を含む）。効率は、バックスキャッターだけで最大17％異なる可能性があります。

図5のFOM値は、単一の機器を使用したベータ効率とバックグラウンドの1つのベンダーから公表された保証仕様を使用して取得されました。 青色のFOM値（2382）は、バックスキャッターを含まない効率に基づいています。 紫色のFOM、3958は、同じ機器に基づいていますが、バックスキャッターを含む効率値を使用しています。 したがって、計算に使用されるデータが適切に定義されていない場合、FOMが無効となることは容易に理解できます。

「保証」と「典型的な」仕様

もう一つの重要な観察は、保証仕様を使用するシステムのFOM値と典型的な仕様に基づいて計算されたFOMとの間の差に注意することです。 一部のベンダーは、典型的な仕様と競合相手の保証仕様を比較します。 これまで典型的効率は、常に再現可能ではなく、通常は達成可能な「ベストケース」値です。 保証効率は、テスト目的の下限として使用されます。 言い換えれば、ベンダーは保証スペック以下の効率値を示す検出器を出荷すべきではありません。 保証スペックは、「ワーストケース」値と解釈できます。 FOM方程式の典型的な効率値と保証効率値を使用するベンダーは、混乱を引き起こし、顧客を誤った仮定に陥れます。

要約すると、FOM計算に影響を与える多くの変数があり、計算に使用される条件が知られており、よく定義されている 場合にのみ有用なツールです。それでも比較ツールとしてFOMを使用する傾向があると思われる場合は、宿題をし、正しい決定を行うために各ベンダーから必要なすべてのデータを要求します。 下のリストは、有効なFOM比較を行うために必要なデータの一部を提供します。

1. 効率値は2πまたは4πですか？
2. ソースのカウントに使用されたプランチェットの深さは？
3. ソースを保持するためにどのようなタイプのプランチェット材料が使用されましたか？
4. バックスキャッターは公表された効率値に含まれていますか？
5. どのソースが使用されましたか、⁹⁰Sr、⁹⁹Tc？
6. 効率値は保証仕様または典型的な仕様ですか？

これらの質問に対する答えは、有効なFOM比較が行われることを保証するために、各ベンダーとまったく同じであるべきです。

代替手段として、2つの同様のシステムを比較するための最良の方法は、実際のラボ環境でそれらを同時にテストすることです。 公表された仕様は、可能な「最高の」値を生成するために非定型の状況から生成されることが多いため、これは唯一の有効な科学的比較です。 仕様は、機器のベースライン性能を提供するために必要ですが、有効な比較の知識なしでそれらの仕様を比較すると、誤った観察または仮定につながる可能性があります。

シングルアノードとデュアルアノードの比較 - それは重要か？

ベンダーのアルファ/ベータシステム間の比較中に誤って省略された検出器設計は、2つの同様のシステムを比較する際に最も重要な単一の側面です。 このアプリケーションノートの第2部は、準備された未知のサンプルの正確な測定に検出器設計が重要である理由を示します。

公表された効率仕様は、中央に配置された均一な分散ポイントソースに基づいており、可能な限り検出器領域の近くにカウントされます。 これは、あらゆるシステムで絶対的に最高の効率を提供しますが、未知のサンプルからの効率性能に適用すると非現実的です。

未知のサンプルは、サンプル調製方法により本質的に均一に分布しません。 未知のサンプルは、技術依存的な方法を使用して個人が調製した蒸発液体またはフィルターサンプルのいずれかです。 これは、通常、プランチェットまたはフィルター全体にランダムまたは均等に分布しないサンプル活性をもたらします。 図6と7は、蒸発液体サンプルと典型的なスミアサンプルを示しています。 両方のサンプルの外縁周辺の潜在的な活性の不均一な分布に注意してください。

検出器設計は、これらの不均一に分布したサンプルの正確な測定に重要です。 シングルアノード検出器とデュアルアノード検出器の効率応答の比較は、未知のサンプルの検出器設計の重要性を実証します。

まず、基本的なガス比例計数管理論を説明します。 すべてのガス比例カウンターは、イオン化の原理に基づいて動作します。 イオン化のプロセスは、荷電アルファとベータ粒子が中性ガス原子と相互作用し、イオンペアを形成したときに発生します。 イオン対は、自由電子と正イオンで構成されています。 十分な電位がシステムに印加されると、クーロン力は増加し、自由電子は正電荷アノード線に移動し、正イオンは再結合の代わりに負電荷カソードに移動します。 印加される電位または電圧は、ガス乗算を可能にするのに十分な強度でなければなりません。 ガス乗算は、大きな電界値を必要とし、真の比例性の基礎です。

ガス乗算は電界強度に依存しているため、検出器内の電界の弱い領域は、劇的な効率損失をもたらします。

以下の方程式を考えてみましょう。

半径rの電界は次のとおりです。

E(r) = V ÷ (r ln (b/a))

ここで、
V =アノードとカソードの間に印加される電圧
a =アノードワイヤー半径
b =カソード内部半径

この方程式から、bが増加するにつれて電界が減少するため、シングルアノード検出器が検出器の外縁に沿って電位が減少することを外挿できます。 電界が減少すると、ガス乗算は発生しないため、検出器の効率応答は低下します。

シングルアノード検出器とデュアルアノード検出器との研究が、Canberra™ Tennelec™施設で行われました。 この研究結果は、シングルアノード検出器が外縁の周りに劇的な効率損失を経験することを証明します。

シングルアノード検出器が、Tennelecのデュアルアノード検出器に対してテストされました。 図8は、一部のベンダーが提供するものと同様の2.25インチのシングルアノード検出器を示しています。

テストは、直径1インチディスクに取り付けられたコリメートポイントソースを使用して実行されました。 測定は、上記のグリッド配置に示されているコリメートされたソースを異なる場所に配置して撮影されました。

図9は、シングルアノード検出器で測定された位置A1からJ1の相対効率結果、図8を示しています。

図9のデータは、位置J1とE1の検出器が効率70％の低下を経験することを示しています。 J1とE1は、中央アノードワイヤー位置A1から約1インチの位置を表します。 たとえば、場所H1とJ1の間に堆積した活性を有するサンプルは、20％から70％の効率応答低下が期待できます。

図10に示す直径、デュアルアノード検出器で説明した全く同じコリメートソーステストは、標準Canberra/Tennelec 2.25インチで実行されました。これらのテストの結果と、先に示したシングルアノード結果を図11に示しました。

この図は、デュアルアノードサンプル検出器で達成された優れた性能を明確に示しています。 デュアルアノード検出器が完璧ではありませんが、J1とE1位置の効率損失は、シングルアノード検出器が示す70％損失と比較して約5％です。

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