ガンマ分光法

ガンマ線分光法は、原子力産業、地球化学調査、天体物理学などにおけるガンマ線源のエネルギースペクトルの定性的な研究です。 ^[1]一方、ガンマ線分光測定法は、定量的なスペクトル測定値を取得するために使用される方法です。^[2]

ほとんどの放射源は、さまざまなエネルギーと強度を持つガンマ線を放出します。これらの放出を分光システムで検出して分析すると、ガンマ線エネルギー スペクトルが生成されます。

このスペクトルの詳細な分析は、通常、ガンマ線源に存在するガンマ線放射体の正体と量を決定するために使用され、放射分析における重要なツールです。ガンマ線スペクトルは、ガンマ線源に含まれるガンマ線放射核種の特徴であり、光学分光計の場合と同様に、光学スペクトルはサンプルに含まれる物質の特徴です。

ガンマ線は電磁放射線の中で最もエネルギーが高い形態であり、物理的には他のすべての形態（X線、可視光線、赤外線、電波など）と同じですが、波長が短いため（一般に）光子エネルギーが高くなります。このため、ガンマ線光子のエネルギーは個別に分解することができ、ガンマ線分光計は検出されたガンマ線光子のエネルギーを測定して表示することができます。

放射性核種は一般に、数 keV から約 10  MeVのエネルギー範囲でガンマ線を放出します。これは、寿命がかなり長い核の典型的なエネルギー レベルに対応します。このような発生源は通常、ガンマ線の「線スペクトル」 (つまり、離散的なエネルギーで放出される多数の光子) を生成しますが、天体物理学や素粒子物理学で観測される連続スペクトルでは、はるかに高いエネルギー (1  TeV以上) が発生する場合があります。ガンマ線と X 線の違いはややあいまいです。ガンマ線は核エネルギー レベル間の遷移から発生し、単一エネルギーですが、X 線は原子エネルギー レベル間の遷移 (単一エネルギーである特性 X 線) に関連しているか、電気的に生成され (X 線管、線形加速器)、エネルギー範囲が広いです。^[3]

ガンマ分光計の主な構成要素は、エネルギー感度放射線検出器と、パルスソーター（つまり、マルチチャンネルアナライザー）などの検出器出力信号を分析する電子デバイスです。追加の構成要素には、信号増幅器、レートメーター、ピーク位置安定装置、およびデータ処理装置が含まれる場合があります。

ガンマ分光検出器は、入射ガンマ線と相互作用できる受動材料です。最も重要な相互作用メカニズムは、光電効果、コンプトン効果、および対生成です。これらのプロセスを通じて、ガンマ線のエネルギーが吸収され、相互作用前後のエネルギー差を検出することによって電圧信号に変換されます^[要出典]（または、シンチレーションカウンタでは、光電子増倍管を使用して放出された光子）。生成される信号の電圧は、検出されたガンマ線のエネルギーに比例します。一般的な検出器材料には、ヨウ化ナトリウム（NaI）シンチレーションカウンタや高純度ゲルマニウム検出器があります。

ガンマ線のエネルギーを正確に測定するには、入射光線のエネルギーをすべて吸収する光電効果が発生するのが有利です。検出器容積内で一連の相互作用メカニズムが発生すると、すべてのエネルギーを吸収することもできます。コンプトン相互作用または対生成により、エネルギーの一部が吸収されずに検出器容積から逃げる場合があります。吸収されたエネルギーは、低エネルギー光線からの信号のように動作する信号を生成します。これにより、低エネルギー領域に重なるスペクトル特性が生じます。検出器容積を大きくすると、この効果は軽減されます。この効果を軽減するより洗練された方法としては、コンプトン抑制シールドの使用や、アドバック付きのセグメント化検出器の使用などがあります (クローバー (検出器) を参照)。^[4]

検出器ボリューム内で相互作用するガンマ線ごとに生成される電圧パルスは、マルチチャンネル アナライザー(MCA) によって分析されます。MCA では、パルス整形アンプが過渡電圧信号を受け取り、それをガウスまたは台形に整形します。この形状から、信号は高速アナログ/デジタル コンバーター(ADC)を使用してデジタル形式に変換されます。非常に高いサンプリング レートの ADC を備えた新しいシステムでは、アナログ/デジタル変換は整形せずに実行できます。

MCAの追加ロジックは、パルス高分析を実行し、パルスを高さによって特定のビンまたはチャネルに分類します。各チャネルはスペクトル内の特定のエネルギー範囲を表し、各チャネルで検出された信号の数は、このエネルギー範囲内の放射線のスペクトル強度を表します。チャネル数を変更することで、スペクトル分解能と感度を微調整できます。^[5]

MCAはデータをコンピュータに送信し、コンピュータはデータを保存、表示し、さらに分析することができます。さまざまなソフトウェアパッケージが複数のメーカーから提供されており、通常、エネルギーキャリブレーション（ビンをエネルギーに変換する）、ピーク面積と正味面積の計算、解像度の計算などのスペクトル分析ツールが含まれています。^[6]

USBサウンド カードは、Marek Dolleiser が開発した技術で、安価な市販のADCとして使用できます。専用のコンピュータ ソフトウェアがデジタル化された波形のパルス高さ分析を実行し、完全な MCA を形成します。 ^[7]サウンド カードには高速ですが解像度が低い (最大 192 kHz) ADC チップが搭載されており、低～中程度のカウント レートで妥当な品質を実現できます。^[8]「サウンド カード スペクトロメーター」は、アマチュアおよびプロの分野でさらに改良されています。^{[9] [10]}

ガンマ分光システムは、いくつかの性能特性を活用するために選択されます。最も重要な 2 つは、検出器の解像度と検出器の効率です。

分光システムで検出されたガンマ線は、スペクトルにピークを生成します。これらのピークは、光学分光法に倣って線とも呼ばれます。ピークの幅は検出器の解像度によって決まります。これはガンマ分光検出器の非常に重要な特性であり、高解像度により、分光者は互いに近接する 2 つのガンマ線を分離できます。ガンマ分光システムは、可能な限り最高の解像度で対称的なピークを生成するように設計および調整されています。ピークの形状は通常、ガウス分布です。ほとんどのスペクトルでは、ピークの水平位置はガンマ線のエネルギーによって決まり、ピークの領域はガンマ線の強度と検出器の効率によって決まります。

検出器の解像度を表すのに最もよく使われる数字は、最大値の半分における全幅(FWHM) です。これは、ピーク分布の最高点の半分におけるガンマ線ピークの幅です。エネルギー解像度の数字は、指定されたガンマ線エネルギーを基準にして与えられます。解像度は絶対値 ( eVまたは MeV) または相対値で表すことができます。たとえば、ヨウ化ナトリウム (NaI) 検出器の FWHM は、122 keV で 9.15 keV、662 keV で 82.75 keV です。これらの解像度の値は絶対値で表されます。エネルギー解像度を相対​​値で表すには、eV または MeV 単位の FWHM をガンマ線のエネルギーで割り、通常はパーセンテージで示します。前の例を使用すると、検出器の解像度は 122 keV で 7.5%、662 keV で 12.5% になります。同軸ゲルマニウム検出器の典型的な解像度は 1332 keV で約 2 keV であり、相対解像度は 0.15% になります。

検出器を通過した線源から放出されたガンマ線すべてがシステム内でカウントを生成するわけではありません。放出されたガンマ線が検出器と相互作用してカウントを生成する確率が検出器の効率です。高効率の検出器は、低効率の検出器よりも短時間でスペクトルを生成します。一般に、大型の検出器の方が小型の検出器よりも効率が高くなりますが、検出器材料の遮蔽特性も重要な要素です。検出器の効率は、既知の放射源からのスペクトルと、各ピークのカウント率、および各ガンマ線の既知の強度から予想されるカウント率を比較することによって測定されます。

効率は、分解能と同様に、絶対値または相対値で表すことができます。同じ単位 (つまり、パーセンテージ) が使用されるため、分光学者は検出器にどの種類の効率が指定されているかを慎重に判断する必要があります。絶対効率値は、検出器を通過する特定のエネルギーのガンマ線が相互作用して検出される確率を表します。相対効率値は、ゲルマニウム検出器でよく使用され、1332 keV での検出器の効率を 3 インチ × 3 インチの NaI 検出器の効率 (つまり、25 cm で 1.2×10 ⁻³  cp s / Bq ) と比較します。したがって、非常に大きなゲルマニウム検出器を使用する場合は、100 パーセントを超える相対効率値が発生する可能性があります。

検出されるガンマ線のエネルギーは、検出器の効率にとって重要な要素です。さまざまなエネルギーでの効率をプロットすると、効率曲線が得られます。この曲線を使用して、曲線を取得するために使用したエネルギーとは異なるエネルギーでの検出器の効率を判断できます。高純度ゲルマニウム (HPGe) 検出器は通常、感度が高くなります。

シンチレーション検出器は、ガンマ線が結晶内の原子と相互作用すると光を発する結晶を使用します。生成される光の強度は通常、ガンマ線によって結晶に蓄積されたエネルギーに比例します。この関係が成り立たない状況としてよく知られているのは、固有およびドープされたヨウ化ナトリウム検出器による 200 keV 未満の放射線の吸収です。このメカニズムは熱ルミネセンス線量計のメカニズムに似ています。検出器は光電子増倍管に接続され、光電陰極が光を電子に変換し、次にダイノードを使用してデルタ線生成によって電子カスケードを発生させることで、信号が増幅されます。一般的なシンチレータには、タリウムをドープした ヨウ化ナトリウム(NaI(Tl)) (多くの場合、ヨウ化ナトリウム (NaI)検出器と簡略化されます) やビスマスゲルマニウム酸(BGO) があります。光電子増倍管は周囲光にも敏感であるため、シンチレータは遮光カバーで覆われています。

シンチレーション検出器は、アルファ線やベータ線の検出にも使用できます。

タリウム添加ヨウ化ナトリウム (NaI(Tl)) には主に 2 つの利点があります。

1. 大きな結晶で生産できるため、効率が良く、
2. 他の分光シンチレーターと比較して、強力な光のバーストを生成します。

NaI(Tl) は使い勝手も良く、法執行目的での未知の物質の識別などの現場での用途に人気があります。

電子正孔再結合により、純粋なシンチレーション結晶を再励起できる光が放出されます。ただし、NaI(Tl) のタリウムドーパントは、伝導帯と価電子帯の間のバンドギャップ内にエネルギー状態を提供します。ドープされたシンチレーション結晶での励起後、伝導帯の一部の電子は活性状態に移動します。活性状態からの下方遷移ではドープされた結晶は再励起されないため、結晶はこの放射線に対して透明です。

NaIスペクトルの例としては、セシウム同位体のガンマスペクトルが挙げられる。¹³⁷
CS
—図1を参照してください。¹³⁷
CS
662 keVのガンマ線を1本だけ放射します。表示されている662 keVの線は実際には^{137メートル}
バ
の崩壊生成物¹³⁷
CS
は、長期均衡状態にある。¹³⁷
CS
。

図 1 のスペクトルは、光電子増倍管、増幅器、およびマルチチャンネル アナライザーで NaI 結晶を使用して測定されました。この図は、測定期間内のカウント数とチャンネル数の関係を示しています。スペクトルには、次のピークが示されています (左から右へ)。

1. 低エネルギーX線（ガンマ線の内部変換による）
2. コンプトン分布の低エネルギー端での後方散乱、および
3. 662 keVのエネルギーでの光ピーク（全エネルギーピーク）

コンプトン分布は、図 1 のチャネル 150 まで存在する連続分布です。この分布は、結晶内でコンプトン散乱を受ける一次ガンマ線によって発生します。散乱角度に応じて、コンプトン電子のエネルギーが異なり、異なるエネルギー チャネルでパルスが生成されます。

スペクトル内に多数のガンマ線が存在する場合、コンプトン分布の解析が困難になる可能性があります。ガンマ線を低減するには、反同時シールドを使用できます。コンプトン抑制を参照してください。ガンマ線低減技術は、小型のリチウムドープゲルマニウム (Ge(Li)) 検出器 に特に有効です。

図2に示すガンマスペクトルはコバルト同位体のものである。⁶⁰
共同
、それぞれ 1.17 MeV と 1.33 MeV の 2 つのガンマ線があります。(コバルト 60 の崩壊スキームについては、崩壊スキームの記事を参照してください。 ) 2 つのガンマ線は十分に分離して表示されています。チャネル 200 の左側のピークは、差し引かれていない強い背景放射線源を示している可能性が高いです。図 1 の 2 番目のピークに似た後方散乱ピークがチャネル 150 の近くに表示されています。

ヨウ化ナトリウムシステムは、他のシンチレーターシステムと同様に、温度変化に敏感です。環境温度の変化によって動作温度が変化すると、水平軸上のスペクトルがシフトします。数十チャンネル以上のピークシフトが見られることがよくあります。このようなシフトは、スペクトル安定装置を使用することで防止できます。

NaI ベースの検出器は解像度が低いため、ガンマ線発生物質の複雑な混合物の識別には適していません。このような分析が必要なシナリオでは、より高い解像度の検出器が必要です。

半導体検出器は、固体検出器とも呼ばれ、シンチレーション検出器とは根本的に異なります。半導体検出器は、ガンマ線光子によって蓄積されたエネルギーによって半導体内に生成された電荷キャリア（電子と正孔）の検出に依存しています。

半導体検出器では、検出器容積に電界が印加されます。半導体内の電子は、ガンマ線との相互作用によって伝導帯に移動するのに十分なエネルギーが電子に与えられるまで、結晶内の価電子帯に固定されます。伝導帯の電子は検出器内の電界に反応し、電界を生成している正極の接点に移動することになります。移動する電子によって生じた隙間は「正孔」と呼ばれ、隣接する電子によって埋められます。この正孔のシャッフルにより、正電荷が負極の接点に効果的に移動されます。正極の接点に電子が到達し、負極の接点に正孔が到達すると、電気信号が生成され、前置増幅器、MCA に送られ、システム全体にわたって分析されます。固体検出器内の電子と正孔の動きは、電離箱などのガス充填検出器の感知容積内のイオンの動きと非常によく似ています。

一般的な半導体ベースの検出器には、ゲルマニウム、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛などがあります。

ゲルマニウム検出器は、前述の分解能の説明で説明したように、ヨウ化ナトリウム検出器に比べて大幅に改善されたエネルギー分解能を提供します。ゲルマニウム検出器は、現在一般的に利用可能な最高の分解能を提供します。ただし、欠点は、ゲルマニウム検出器の動作に極低温が必要であることです。通常は液体窒素で冷却します。

実際の検出器のセットアップでは、一部の光子は検出器の材料に入る前に、1つまたは複数のコンプトン散乱プロセス（たとえば、放射源のハウジング材料、遮蔽材料、または実験を囲むその他の材料）を受ける可能性があります。これにより、上に示したエネルギースペクトルに見られるピーク構造が発生します。¹³⁷
CS
(図 1、コンプトン エッジの左側の最初のピーク) は、いわゆる後方散乱ピークです。後方散乱ピーク構造の詳細な形状は、実験のジオメトリ (ソース ジオメトリ、ソース、シールド、検出器の相対位置) や周囲の材料の種類 (光効果とコンプトン効果の断面積の比率が異なる) など、多くの要因によって影響を受けます。

ただし、基本的な原則は次のとおりです。

• ガンマ線源は等方的に光子を放出する^[11]
• 一部の光子は、例えば遮蔽材や光源のハウジング内で、180°に近い散乱角でコンプトン散乱プロセスを受け、その後、これらの光子の一部は検出器によって検出されます。
• その結果、入射光子のエネルギーからコンプトンエッジのエネルギーを引いた値に近いピーク構造が得られます。

後方散乱ピークは通常広く現れ、250keV未満で発生します。^{[12] [13]}

入射光子エネルギー E が電子の静止質量の 2 倍 (1.022 MeV) より大きい場合、対生成が発生する可能性があります。結果として生じる陽電子は周囲の電子の 1 つと消滅し、通常は 511 keV の光子を 2 つ生成します。実際の検出器 (つまり、有限サイズの検出器) では、消滅後に次のことが発生する可能性があります。

• 両方の光子は検出器にエネルギーを蓄積します。その結果、入射光子のエネルギーと同じEのピークが生成されます。
• 2 つの光子のうち 1 つが検出器から逃げ、そのうち 1 つの光子だけが検出器にエネルギーを蓄積し、その結果、 E − 511 keVのピーク、つまり単一の逃げピークが生じます 。
• 両方の光子が検出器から逃げ出し、 E − 2 × 511 keVのピーク 、つまり二重脱出ピークが発生します。

上記の Am-Be 源スペクトルは、実際の測定における単一および二重のエスケープ ピークの例を示しています。

ガンマ分光計を未知の組成のサンプルの識別に使用する場合、まずそのエネルギー スケールを較正する必要があります。較正は、セシウム 137 やコバルト 60 などの既知の線源のピークを使用して行われます。チャンネル番号はエネルギーに比例するため、チャンネル スケールをエネルギー スケールに変換できます。検出器結晶のサイズがわかっている場合は、強度較正も実行できるため、未知の線源のエネルギーだけでなく強度、または線源内の特定の同位体の量も判定できます。

放射能はどこにでも存在するため（つまり、背景放射線）、スペクトルは放射源が存在しない状態で分析する必要があります。その後、実際の測定値から背景放射線を差し引く必要があります。測定装置の周囲に鉛吸収体を配置して、背景放射線を減らすことができます。

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• ギルモア、ゴードン R.; ヘミングウェイ、ジョン D. (2008)。実践的ガンマ線分光法。チチェスター; ニューヨーク:ワイリー。doi : 10.1002 / 9780470861981。ISBN 978-0-470-86196-7。
• ノール、グレン F. (2010)。放射線の検出と測定( PDF) (第 4 版)。ホーボーケン、ニュージャージー: Wiley。ISBN 978-0-470-13148-0。
• Nucleonica Wiki。ガンマスペクトルジェネレーター。2008 年 10 月 8 日にアクセス。

• 福島第一原子力発電所に近い南相馬で採取された黒カビの塊のアマチュアガンマ分光測定。日本。2013年5月10日にWayback Machineでアーカイブ。
• オンラインガンマ線エネルギースペクトル変換ユーティリティ