概要

　サンゴバン社のCsI(Tl)シンチレーション結晶（結晶シンチレーター）が広く入手可能（2011.12現在、秋月電子通商）になったようです。シンチレーション現象を応用すれば効率よく放射線を計測することができます。ここでは、このシンチレーション結晶を用いた放射線測定器（線量計）を紹介します。
　シンチレーション発光の検出にフォトダイオードを用いる場合は、半導体で直接に放射線を検出する場合と比べると、得られる信号は小さくなります。10〜100 pAの光電流に相当する信号を検知することになりますので、いくつかの工夫が必要で、ノイズを下げて感度を高めることがポイントとなります。ここで取り上げるのは、10 pA程度の信号でも検出できる回路です。シンチレーション結晶とフォトダイオード以外はごく一般的な部品ですが、これでそれなりの性能が実現できます。直接式と比べると多少進んだ内容を含み、以下の解説ではいくらかの予備知識を前提としていますが、ポイントをおさえれば製作自体は難しくありません。

回路図

　暗電流ノイズを小さくするため、PINフォトダイオードの逆バイアスは意図的にはかけない回路を用いています。するとPINフォトの端子間容量は大きくなるので、それを補償する工夫が必要になります。この回路では、周波数特性を改善し、アンプ由来のノイズを下げるため、FETによるブートストラップを用いています。U1のFETはこの種の回路で時々見かけるもので（例えば下記参考文献[1〜4]）、フォトダイオードの端子間電圧を一定にする働きをもちます。するとD1の端子間容量にたまる電荷も一定となり、光による電荷は外へ出るしかなくなります。このためアンプ側から見ると、PINフォトの容量（S6775で200 pF）は、より小さいFETの入力容量（2SK170で30 pF）に置き換わったようになります。この回路では、この入力側の容量Cdと帰還コンデンサC1の容量の比(Cd+C1)/C1が小さいほどノイズレベルは小さくなるため[4]、微小な信号の測定ではこれらの点が重要になります。また、シグナル強度は基本的にはC1に反比例するので、C1を小さくすることも有効ですが、その最小値は以下で述べるとおりR2, CdとU2のGBWで決まります。U1については、実測でId = 0.58 mA、Vgs = -205 mVです。このVgsでD1に弱い逆バイアスがかかっています。実際に用いた素子は、Vds = 3 VでIdss = 5.2 mAでした。Idss小さめで逆バイアスも小さめになりますが、この回路定数でGRランクなら選別せずに使用可能です。Idssが決まっていれば、R1を調節してVgsすなわち暗電流をより小さくすることもできます。その場合は、電池電圧が変化した時のことも考えて値を決めて下さい。ブートストラップのFETをオペアンプにすれば[4]、D1にかかるバイアスはゼロになりますので、暗電流をより小さくすることが可能です。
　ガンマ線によるCsI(Tl)発光の時定数は、速い成分では0.7 μs程度とされています[5][6]。S6775の応答性について詳しいことはわかりませんが、発光に追いついているとすると、この回路のU2はD1で発生した電荷を電圧に変えるチャージアンプの働きをしていると解釈できます。この場合、C1 = 1 pFであることから、単純計算では1 fC（フェムトクーロン）の電荷が1 mVに変換されます。これがR2で放電され、時定数60 μsのパルスになります。あるいは、U2の働きを電流−電圧変換ととらえれば、光電流100 pAが1 mVに相当することになります。
　このように、U2は放射線を電圧パルスに変換する働きをもちます。660 keVの光子１つがシンチレーション結晶に吸収され、可視光に変換されたとして、その可視光の光子全てがD1に入れば、生じる電荷は5 fC程度と計算されます。実際にはD1に捕捉される割合も考えると生じる電荷はそれ以下で、ガラスエポキシ基板でも絶縁抵抗が充分ではありません。そこで、PINフォトダイオードのアノード側〜オペアンプU2の反転入力（太線部）は必ず空中配線とします。U2の入力側に見込む容量をFETのCiss = 30 pFとすると、NJU7034Dでfu = 1.5 MHz、R2 = 10 MΩであることから14 kHzあたりが上限になります。そこで、帰還コンデンサC1 = 1 pFとしてfc = 16 kHzに設定しています。これで上述のパルス幅が決まります。さらに詳しくは成書[4]を参照して下さい。その出力がU3とU4の反転増幅回路でさらに増幅されます。C2とC4で高域が決まり、fc = 53 kHzです。低域はC3を考えると3 kHz程度から下がります。これらによる計算上の電圧利得は、10 kHzが頂点で210倍、両側でガウス関数様に減衰し1.2 kHzまたは50 kHzで100倍です。この検出器部分は、少し変更すれば光電流で10 pA相当でも検出できます。
　製作では回路図中の点線部分をアルミケースにおさめます。実際の出力をいろいろ検討してみると、300 mV超のパルスが出ているようです。それがVR1で設定するしきい値（200 mV）を超えた時にPICに割り込みがかかり、AD変換して電位を記録します。シグナルの強度は、おおむね予想どおりです。ノイズは、この回路ではPINフォトの暗電流が主要成分で、アンプ由来のものは上述のブートストラップにより比較的小さくなっています。全て暗電流としてもS6775のスペックよりずいぶん低い値（PIC未接続時、20℃、U4出力で40 mVrms）ですが、帯域などの条件によるのだと思います。一般に、フォトダイオードは周囲温度が高くなると暗電流が大きくなり、特に今回用いたPINフォトでは30℃超で無視できないレベルになってしまいます。夏の戸外等では、しきい値を設定しなおす必要が出てくると予想されます。
　PICマイコン周辺や液晶への接続、USBコネクタの接続などは、直接式と同様です。ノイズ対策として電源を検出器とPICで分離し、単４電池を２本ずつ計４本を用いています。消費電流は実測で、制御・計数部分がPICのFosc = 8 MHzのとき3.2 mA、検出器部分が4.1 mAです。NJU7034Dは3 V程度で動作可能です。PICは3 Vで動作しますが、液晶のVoにVdd - 4.5 Vを必要とします。このため、倍電圧整流回路（D5, D6, 1 μF x 2）で負電圧を作ります。検知音にPICのECCPを使いますので、それを常時作動させてこの負電圧発生に流用しています。
　反省点としては、SW2と並列の0.1 μFはスパイクを出すようなので、やめた方がいいと思います。VUSBの0.1 μFは、データシートでは0.22〜0.47 μFが推奨されています。

[1] Teare (1974) Low noise detector amplifier. US patent 3801933.
[2] Hoyle & Peyton (1998) Bootstrapping techniques to improve the bandwidth of transimpedance amplifiers. In IEE Colloguium on Analog Signal Processing (Ref. No. 1998/472).
[3] 邦文では Brisebois (2006) 小面積と大面積のフォトダイオード用の低ノイズ・アンプ．リニアテクノロジー，デザインノート 399.
[4] 教科書としては Graeme (1995) Photodiode amplifiers: op amp solutions. McGraw-Hill.
[5] Valentine et al. (1992) Temperature dependence of CsI(Tl) gamma-ray scintillation decay time constants and emission spectrum. Proc. SPIE 1734, 32.
[6] Syntfeld-Kazuch et al. (2008) Light pulse shape dependence on γ-ray energy in CsI(Tl). IEEE Trans. Nucl. Sci. 55, 1246-1250.

部品表

参考のための部品表です。製作時に全部を買ったわけではないのですが、単純に合計すると１万円弱です。全て通販で入手できるのではないでしょうか。

種類	品名・規格	価格	入手先など
シンチレーション結晶	10 mm x 10 mm x 10 mm	4500円	秋月電子通商、他サイズでも可
IC等	NJU7034D	2ヶ300円	秋月
	PIC18F14K50-I/P	170円	秋月
	2SK170GR	84円	マルツパーツ、低雑音JFETで可 Cissが小さくYfsの大きいもの
	S6775	500円	秋月
	1N4148 x 4ヶ	50ヶ100円	秋月、小信号用なら何でも可 1SS133（共立ｴﾚｼｮｯﾌﾟ@5）など
	3 mm LED 緑	21円	共立、なくても可
液晶	SD1602HUOBﾊﾞｯｸﾗｲﾄｵﾚﾝｼﾞ	900円	秋月、表示がいらないなら不要
ピンヘッダ	計12 pin分以上	上記に付属	秋月
Ｌ型ピンヘッダ	計8 pin分以上	40 pin 50円	秋月
ジャンパーピン	緑2.54 mmピッチ	20ヶ100円	秋月、なくても可
水晶発振子	6 MHz	5ヶ200円	秋月、12 MHzも可
圧電サウンダ	外径16.5φ	73円	共立、音がしなくていいなら不要
セラミックコンデンサ	1 pF x 1ヶ	10円	共立
	15 pF x 2ヶ	@10	共立
	27 pF x 2ヶ	@10	共立
	0.1 μF x 3ヶ	10ヶ100円	秋月、セラミック以外も可
	1 μF x 2ヶ	10ヶ100円	秋月、セラミック以外も可
フィルムコンデンサ	0.0047 μF x 1ヶ	10円	共立、マイラなど
	0.047 μF x 2ヶ	@10	共立、マイラなど
電解コンデンサ	100 μF x 1ヶ	10円	秋月
1/4W金属皮膜抵抗	10 MΩ x 1ヶ	52円	マルツ
	2.7 kΩ x 1ヶ	21円	マルツ、JFETを変えた時は要検討
1/4Wカーボン抵抗	200 kΩ x 2ヶ	10ヶ40円	共立
	47 kΩ x 1ヶ	10ヶ40円	共立
	27 kΩ x 1ヶ	10ヶ40円	共立
	10 kΩ x 3ヶ	10ヶ40円	共立
	2 kΩ x 1ヶ	10ヶ40円	共立
	560 Ω x 5ヶ	10ヶ40円	共立
半固定抵抗	20 kΩ x 1ヶ	50円	秋月
スイッチ	ﾌﾟｯｼｭｽｲｯﾁMS-402-K	94円	マルツ、ﾌﾟｯｼｭｽｲｯﾁなら何でも可
	ﾄｸﾞﾙｽｲｯﾁ6Pｼｬｰｼ取り付けﾀｲﾌﾟ	90円	秋月、2回路ON-ONなら可
ピンソケット	8 pin x 1ヶ	30円	秋月
	5 pin x 1ヶ	20円	秋月、1 pin引き抜いて使用
ICソケット	20 pin 丸ピン	60円	秋月
USBコネクタ	USB-B	50円	秋月、USB接続しないなら不要
基板	ガラスエポキシ72 x 48 mm x 2ヶ	@60	秋月
電池ボックス	単4 x 2用 x 2ヶ	@50	秋月
電池	単4 x 4ヶ	4ヶ80円	秋月、一般用で可
アルミケース	タカチYM-65	409円	共立
外ケース	ABS樹脂ケース112-TS	120円	秋月
ボルト	プラス小ねじM3x25 mm x 2ヶ	10ヶ105円	マルツ、DIY店でも入手可、樹脂製可
	プラス小ねじM3x10 mm x 2ヶ	20ヶ115円	マルツ、DIY店でも入手可
ナット	M3 x 8ヶ	50ヶ178円	マルツ、DIY店でも入手可
ジュラコンスペーサ	M3用 3 mm x 2ヶ	@10	共立、DIY店でも入手可
	M3用 5 mm x 2ヶ	@10	共立、DIY店でも入手可
配線用コード	一般的なもので可	例えば10 m 300円	共立、DIY店でも入手可
PICkit用延長ｹｰﾌﾞﾙ	QIケーブル6S-6P	140円	共立

注１）手持ちのもの等を使ったので実際には購入していないものも多くありますが、たぶんこれで作れると思います。
注２）製作にはドライバ、ニッパ、ペンチ、半田ごて＋半田、ドリル＋ドリル刃等の工具類（DIY店など）、テスタ（@1000 秋月など）、PIC書き込みのための器具（PICkit2 @3500 秋月など）＋パソコン＋ソフト（ダウンロード）などが必要です。シンチレーション結晶の取り付けには、上記の他にテフロンテープ（結晶の包装を流用可）、ミネラルオイル、黒ビニールテープを用いました。
注３）ICSPのコネクタはスペースの関係でＬ型ピンヘッダを用いたため、QIケーブルをPIC書き込み器の接続に使いました。

基板

検出器です。左が部品面、右が裏返したところです。 基板中央上にシンチレーション結晶を取り付けたPINフォトダイオードS6775があります。アノードは、基板に通さずに空中配線でU1のゲート端子やU2の2番端子などに最短距離で結線します。ダイオードD2は定電圧源に用いていますが、回路を検討するうちに付け加えたので、基板裏側になってしまっています。初めから配慮すれば表に取り付けられると思います。基板右下C3などは振動特性を考えて一応フィルムコンデンサにしています。緑のAGNDは外の回路には接続せず、アルミケースに１点アースしています。

PIC部分です。左が部品面、右が裏返したところです。ケースにおさまるように配置したぐらいで工夫はありません。中央にPIC、下に液晶用のコネクタがあります。液晶は取り外しています。右のUSBコネクタの上面には液晶の裏側が接触しますので、絶縁のためにテープを張る必要があります。PICに隠れていますが、その下にもコンデンサ３つを実装しています。左上LEDはハートビートのデバッグ用です。緑のJP1をはずせば点滅しないようにできます。基板を無駄に小さくしてしまい、裏側の結線が多くなってしまいました。もう少し大きめにすれば余裕を持って製作できると思います。ケースへの実装では、まず5 mmのスペーサと25 mmのM3ネジ・ナットで液晶をケースに取り付け、さらにこの基板を２階建てにして、ナットではさんでネジ止めしています。

線量率計算

以下の表の密封線源（チェッキングソース）をシンチレーション結晶前面から100 mmの位置において、計数効率を検討しました。点線源であると見なして値を求めています。表中の線量率は、五十棲ら「放射線施設の遮へい計算のための数値表の改善」日本放射線安全管理学会誌 9(1), 26-46 (2010) の線量率定数表のガンマ線・X線での係数に基づいた計算値です。

核種	半減期(年)	放射能(kBq)	エネルギー(keV)	線量率(μSv/h at 100 mm)	カウント(cpm)	計数効率
60Co	5.2714	8.332	1333, 1173	0.255	94.5	0.119
137Cs	30.07	33.36	662	0.260	141.3	0.104
133Ba	10.51	21.48	365, 303他	0.136	32.0	0.0229
22Na	2.6019	2.026	1275, 511	0.0578	26.7	0.0725

シンチレーション結晶を使っているのでそれなりの計数効率になっています。NISTの吸収係数(NIST Standard Reference Database 126)を参考にして600 keVのガンマ線が厚さ10 mmのCsIに吸収される割合を計算すると0.152です。従って、この計数効率は妥当だと思います。

この結果から、この回路では500〜1500 keVのガンマ線ならば、１分あたりのカウント数(cpm)を400〜500で割ると線量率(μSv/h)が得られ、カウント数を24000〜30000で割ると線量(μSv)が求められることになります。詳しい考察は直接式検出器を参照して下さい。また、VR1で設定した200 mVは、400 keVぐらいに相当すると考えられ、表の結果からもその傾向が読み取れます。シンチレーション式ですのでエネルギー分解できますが、今回用いた制御部は記憶容量が限られます。ファームウエアでは一応波高分析して推定される光子エネルギーから線量を求めていますが、USBで取り出せるのはカウント数(cpm)の結果だけです。662 keVでの係数としては0.00184 μSv/h/cpm, 0.0000307 μSv/countを用いています。

電子機器の中には、まれに極端に強いノイズを発生しているものがあり、ここでとった対策では充分でない場合があります。また、手でネジを触れた時などに、人体を通して静電気やノイズが入ることもあります。上の表の検討は室温およそ20℃で行っていますが、夏の戸外等で気温が高い場合には、暗電流が大きくなりカウントが増えることが予想されます。測定環境には充分注意し、異常なカウントが出た場合はこれらの可能性も考慮して下さい。

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